于 沁

（大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油船（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）長(zhǎng)期在海上工作，工作環(huán)境惡劣，作業(yè)危險(xiǎn)性高，人員逃生困難，對(duì)各系統(tǒng)的安全性和可靠性有非常高的要求。消防水系統(tǒng)是FPSO最重要的滅火系統(tǒng)之一，其中布置在主甲板的消防水環(huán)路受力情況較為復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析非常重要。閆越等對(duì)使用玻璃鋼管的FPSO消防水系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)力分析和水錘分析，驗(yàn)證了玻璃鋼管道在消防水系統(tǒng)應(yīng)用的可行性。王超等對(duì)FPSO艏部機(jī)艙的消防水系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)力分析，重點(diǎn)闡述了泵口載荷和膨脹節(jié)的建模方式。本文以某改裝浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油船項(xiàng)目為例，對(duì)消防水環(huán)路系統(tǒng)的各種載荷進(jìn)行介紹。基于CAESAR Ⅱ軟件對(duì)消防水環(huán)路系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力分析，除常規(guī)的溫度、壓力和重力載荷外，本文還分析船舶加速度、風(fēng)、爆炸、船體變形、甲板上浪、水錘等載荷對(duì)消防水環(huán)路系統(tǒng)的影響，以此完善受力分析過(guò)程，進(jìn)而校核其安全性和可靠性。

1 消防水環(huán)路系統(tǒng)載荷分析

1.1 持續(xù)性載荷、熱膨脹載荷

隨管道變形不產(chǎn)生變化的載荷稱(chēng)為持續(xù)性載荷，如管道及其附件的重量、管內(nèi)介質(zhì)重量、管道內(nèi)的壓力。持續(xù)性載荷對(duì)應(yīng)的失效形式為變形或斷裂，往往會(huì)造成管道系統(tǒng)的整體垮塌，后果較為嚴(yán)重。

管道中由于溫度變化引起的載荷稱(chēng)為熱脹載荷，熱脹載荷會(huì)隨著管道的變形逐漸減小甚至消失，沒(méi)有被吸收的變形則表現(xiàn)為局部屈服和二次應(yīng)力。熱脹載荷的破壞性沒(méi)有持續(xù)性載荷大，但隨著管道系統(tǒng)的反復(fù)運(yùn)行和停止，會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞，嚴(yán)重影響其使用壽命。

本文中改裝FPSO的消防水系統(tǒng)的操作溫度為24.2 ℃，最大設(shè)計(jì)溫度為75 ℃，最低設(shè)計(jì)溫度為14.6 ℃，最大設(shè)計(jì)壓力為1 600 kPa，水壓試驗(yàn)壓力為2 400 kPa。

1.2 加速度

FPSO在工作時(shí)是停在海面上的，但是在波浪和風(fēng)的作用下，船舶在海中是不斷運(yùn)動(dòng)的，由此產(chǎn)生的載荷會(huì)施加到管道上。此外，還需要考慮FPSO在被運(yùn)輸?shù)侥繕?biāo)海域時(shí)產(chǎn)生的拖航加速度。依據(jù)工作海域的海況數(shù)據(jù)，選取FPSO在百年一遇的風(fēng)浪環(huán)境下的加速度（見(jiàn)表1）進(jìn)行計(jì)算。

表1 百年一遇的風(fēng)浪環(huán)境下FPSO加速度（單位：m/s2）

1.3 風(fēng)載荷

由于消防水系統(tǒng)位于室外，不可避免受到風(fēng)載荷的作用，平均風(fēng)速計(jì)算公式為

式中：z為海平面以上的高度；t為時(shí)間，t≤3 600 s；U(z,t)為距海平面高度z處在t時(shí)間內(nèi)的平均風(fēng)速；U(z)為距海平面高度z處1 h內(nèi)的平均風(fēng)速，計(jì)算公式見(jiàn)式（2）；I(z)為距海平面高度z處的湍流強(qiáng)度，計(jì)算公式見(jiàn)式（3）。

式中：U為距海平面10 m高度處1 h內(nèi)的平均風(fēng)速，根據(jù)海況數(shù)據(jù)，U=34.51 m/s；C為參數(shù)，計(jì)算公式見(jiàn)式（4）。

在計(jì)算得到各高度的風(fēng)速后，將數(shù)據(jù)添加到CAESAR II軟件中，見(jiàn)圖1。

圖1 風(fēng)載荷在CAESAR II軟件中的模擬

1.4 爆炸載荷

FPSO的主甲板屬于危險(xiǎn)區(qū)，容易發(fā)生爆炸。一旦發(fā)生爆炸，消防水系統(tǒng)及其支架會(huì)被爆炸產(chǎn)生的沖擊波沖散，被沖散的組件會(huì)造成次生傷害。為避免這種情況，在對(duì)主甲板的消防水系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，需要考慮爆炸載荷。爆炸屬于動(dòng)態(tài)載荷，一般采用等效靜力分析的方法進(jìn)行表示。爆炸載荷的計(jì)算公式為

式中：F為單位長(zhǎng)度的爆炸載荷；ρ為燃燒氣體的密度；v為燃燒氣體的速度；D為管道直徑；C為爆炸的阻力系數(shù)，C=1；D為動(dòng)態(tài)載荷因數(shù)，D=2。

如果有爆炸分析報(bào)告，也可將爆炸載荷轉(zhuǎn)化為風(fēng)壓進(jìn)行模擬，本項(xiàng)目中爆炸載荷轉(zhuǎn)化的風(fēng)壓為20 kPa。

1.5 船體變形產(chǎn)生的位移載荷

船體在波浪作用下會(huì)產(chǎn)生中拱變形和中垂變形，船體的變形通過(guò)支架傳給管道，管道在交變載荷的作用下容易產(chǎn)生破壞和疲勞失效。根據(jù)船體變形報(bào)告，將中拱和中垂的位移數(shù)據(jù)輸入CAESAR Ⅱ軟件，進(jìn)而模擬船體變形對(duì)管道的影響。

1.6 甲板上浪載荷

沖上甲板的海浪會(huì)拍擊布置于舷側(cè)的管道和支架，為防止管道和支架垮塌，需要考慮甲板上浪載荷對(duì)消防水系統(tǒng)的影響。甲板上浪載荷計(jì)算公式為

式中：F為甲板上浪載荷；ρ為流體密度；L為管道長(zhǎng)度；v為海浪和管道間的相對(duì)速度；C為海浪拍擊系數(shù)。

本項(xiàng)目的甲板上浪載荷為11 kN/m，對(duì)舷側(cè)管道的布置影響非常大。為通過(guò)載荷校核，需要布置更多的支架對(duì)舷側(cè)管道進(jìn)行支撐。然而，支架過(guò)多又會(huì)限制管道的熱膨脹變形，可能會(huì)導(dǎo)致二次應(yīng)力校核不通過(guò)以及支架受力過(guò)大。在此情況下，可通過(guò)在舷側(cè)管道設(shè)置遮蔽物或增加止動(dòng)型支架來(lái)抵抗甲板上浪載荷的作用。

1.7 水錘載荷

水錘是一種壓力波，管道中某處的流速變化使得該處的壓力突然上升或下降，這種壓力的瞬變波被稱(chēng)為水錘。水錘載荷的計(jì)算公式為

式中：ΔP為水錘壓力；Δv為流速的瞬間變化量；v為水錘傳播的速度，計(jì)算公式為

式中：K為流體的體積彈性模量；E為管道的彈性模量；d為管道內(nèi)徑；δ為管道壁厚。

在水錘作用下，作用于固定支架的載荷F為

式中：A為管道流通面積。

2 應(yīng)力分析方法

2.1 一次應(yīng)力的校核

ASME B31.3-2018規(guī)范對(duì)一次應(yīng)力的校核要求：

1）當(dāng)管道的厚度和補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算均滿(mǎn)足要求時(shí)，內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力是安全的。

2）當(dāng)管道的厚度和穩(wěn)定性均滿(mǎn)足要求時(shí)，外壓產(chǎn)生的應(yīng)力是安全的。

3）管道中由于壓力、重力和其他持續(xù)荷載所產(chǎn)生的縱向應(yīng)力之和σ不應(yīng)超過(guò)最高金屬溫度下的許用應(yīng)力[σ]。

管道縱向應(yīng)力σ的計(jì)算公式為

2.2 偶然載荷的校核

偶然載荷不同于持續(xù)性載荷，其特點(diǎn)是作用時(shí)間短、強(qiáng)度較大，如風(fēng)載荷、爆炸載荷以及甲板上浪載荷等。ASME B31.3-2018規(guī)范對(duì)偶然載荷的校核要求為：持續(xù)性載荷和偶然載荷產(chǎn)生的應(yīng)力總和不應(yīng)超過(guò)許用應(yīng)力的1.33倍。

2.3 二次應(yīng)力的校核

ASME B31.3-2018規(guī)范對(duì)二次應(yīng)力的校核要求：最大位移應(yīng)力σ不應(yīng)超過(guò)許用位移應(yīng)力[σ]。許用位移應(yīng)力[σ]的計(jì)算公式為

式中：[σ]為位移循環(huán)期內(nèi)預(yù)計(jì)最低金屬溫度下的基本許用應(yīng)力；f為管道位移應(yīng)力縮小系數(shù)。

2.4 法蘭泄漏校核

CAESAR Ⅱ軟件提供了2種法蘭泄漏的校核方法——等效壓力法和最大屈服強(qiáng)度法。由于等效壓力法過(guò)于保守，故通常采用最大屈服強(qiáng)度法進(jìn)行法蘭泄漏校核，校核連接法蘭的螺栓強(qiáng)度能否滿(mǎn)足要求。在實(shí)際布置中，法蘭應(yīng)盡量遠(yuǎn)離彎頭和三通等管道變形較大的區(qū)域。

2.5 模態(tài)分析

利用CAESAR Ⅱ軟件對(duì)消防水系統(tǒng)的固有頻率和振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行計(jì)算。為避免共振，本項(xiàng)目規(guī)定的最小頻率為3 Hz，在實(shí)際布置中，對(duì)于消防水系統(tǒng)中振動(dòng)頻率低于3 Hz的區(qū)域要減小支架間隙或增加支架個(gè)數(shù)，以達(dá)到增大振動(dòng)頻率、減小低頻振幅的目的。模態(tài)分析結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 模態(tài)分析結(jié)果

2.6 疲勞分析

按照ASME B31.3-2018標(biāo)準(zhǔn)對(duì)疲勞分析的要求，本項(xiàng)目通過(guò)調(diào)整管道位移應(yīng)力縮小系數(shù)f、降低應(yīng)力的許用范圍來(lái)防止疲勞破壞，本項(xiàng)目規(guī)定的f值為0.683。

2.7 支架分析

支架的布置對(duì)管道設(shè)計(jì)有重要影響，在實(shí)際工程中，設(shè)計(jì)人員為防止管道垮塌，設(shè)計(jì)的支架數(shù)量往往比較多。然而，支架不是越多越好，過(guò)多的支架不僅會(huì)造成材料與施工的浪費(fèi)，還會(huì)降低管道柔性，導(dǎo)致管道失效與支架損壞。CAESAR Ⅱ軟件將支架視為剛性構(gòu)件，只考慮支架對(duì)管道的影響，而管道對(duì)支架的影響則需要額外校核。為優(yōu)化流程，提高效率，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在管道應(yīng)力分析階段就考慮支架受力情況，通過(guò)移動(dòng)和增減支架、更換管卡、增加安裝間隙等方式降低支架受力，并使受力更加均勻。該方法可有效降低支架的制作和安裝成本，但需要注意管卡的選型，在實(shí)際分析中，容易出現(xiàn)支架滿(mǎn)足要求，而管卡失效的情況。此外，還應(yīng)注意減少支架約束對(duì)管道振動(dòng)頻率的影響，約束過(guò)少的管道系統(tǒng)容易發(fā)生共振，這點(diǎn)在靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析中要綜合考慮。

3 工況組合分析

使用 CAESAR Ⅱ軟件進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)首先要確定系統(tǒng)中的各種原始載荷，如管道重量、設(shè)計(jì)壓力、水壓試驗(yàn)壓力、設(shè)計(jì)溫度、操作溫度、最低設(shè)計(jì)溫度、船舶加速度、船體變形、風(fēng)載和水錘等。然后根據(jù)管道系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，將各種原始載荷組合成基本工況，如持續(xù)工況，只考慮管道重力和壓力；操作工況需要將溫度、管道重力和壓力一起組合。為獲取特定的載荷并準(zhǔn)確校核各種工況下的載荷，往往需要進(jìn)行工況組合，如二次應(yīng)力需要操作工況和持續(xù)工況相減才能得出準(zhǔn)確的值，通過(guò)代數(shù)合成、標(biāo)量合成、絕對(duì)值加和、求最大值等運(yùn)算法則，得到各種組合工況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)二次應(yīng)力、偶然應(yīng)力和極值等工況的準(zhǔn)確校核。

風(fēng)載荷、爆炸載荷、甲板上浪載荷均屬于偶然載荷，在應(yīng)力分析時(shí)通常假定偶然載荷不會(huì)同時(shí)發(fā)生，否則過(guò)于保守，會(huì)增加項(xiàng)目成本。因此，本項(xiàng)目對(duì)偶然載荷進(jìn)行單獨(dú)校核，將工況分為3大類(lèi)，即包含風(fēng)載荷的普通操作工況、爆炸工況和甲板上浪工況，對(duì)這3種工況分別進(jìn)行校核。

甲板上浪工況是在普通操作工況的基礎(chǔ)上，將甲板上浪載荷等效為均布載荷，再加入系統(tǒng)中校核。

爆炸工況是把爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波模擬成風(fēng)壓，加入系統(tǒng)中進(jìn)行校核。

4 結(jié)論

消防水系統(tǒng)作為FPSO最重要的系統(tǒng)之一，其安全性和可靠性是船上生產(chǎn)生活的重要保障。本文以某改裝浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油船項(xiàng)目為例，介紹了位于主甲板的消防水環(huán)路系統(tǒng)的各種載荷，并使用CAESAR Ⅱ軟件對(duì)消防水環(huán)路系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力分析，以校核系統(tǒng)的安全性和可靠性。本文的研究成果可為FPSO消防水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定參考。