FPSO 水錘載荷的應力模擬方法

李 麗，寧 俊，石銀輝

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116000）

0 引言

近年來，浮式生產儲油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）是海洋油氣領域的研究熱點[1]。由于FPSO常年在海上服役，為應對惡劣環境及長期作業的需求，在管路系統設計時應保證管路運行周期能夠達到20～25 年。除管路系統的基本運行功能外，管材的強度對保障管路系統的安全性尤為重要，是抵御惡劣環境及突發狀況的有效保證。在校核管路強度時，一般需要對系統進行應力分析，分析過程要充分考慮海況、風載荷、上浪載荷、由管路系統壓力變化引起的瞬態沖擊力等因素。

本文基于某FPSO 改裝船中的貨油卸貨系統，采用等效靜態載荷的方法分析水錘載荷對管路的影響，并校核管材應力與支架受力。

1 理論介紹

1.1 水錘的定義

水錘是指管道中流動的液體突然停止時在管道系統中產生的沖擊破壞力、噪聲和振動[2]。當流體的流動狀態突然發生變化時，與流動液體有關的能量在該位置突然轉化為壓力，這種過剩壓力稱為水錘壓力，具有較強的破壞性。

水錘還被定義為一種極端的流體瞬態，通?？赏ㄟ^閥門關閉時發出的砰砰聲來進行識別。對于水錘，應該進行預判，盡量減少危害。

1.2 水錘力計算的目的

水錘力計算的目的是保證管道結構的整體安全，以及管道系統的正常運行。通過應力分析可判斷水錘力是否會造成管道、閥門和支吊架的破壞，是否會引起法蘭連接面的泄漏，支架選型及定位是否合適等。通常情況下，為減小水錘載荷的破壞，需要在管道的適當位置添加限位裝置，以限制瞬間破壞，保護管路或閥門。

1.3 計算公式

水錘方程是根據管道內流體的質量守恒定律和動量守恒定律建立的。當滿足式（1）時，會出現水錘現象[1]。

式中：T 為閥門關閉時間；L 為管道長度；α為波速。

水錘壓力計算公式為

式中： ΔP 為水錘壓力；ρ為流體密度； ΔV 為流速的瞬間變化量。

波速計算公式為

式中：K 為液體的體積彈性模量；ρ 為流體密度；Di為管道內徑；E 為管道材料的彈性模量；t 為管道壁厚。

由于水錘作用，通過管道施加于固定支架的載荷為

式中：F 為水錘載荷；A 為管道流通面積。

2 計算實例

2.1 項目簡介

計算實例基于一艘由超大型油輪（Very Large Crude Carrier，VLCC）改裝而成的FPSO（見圖1）。FPSO 從海底油井中采油，并配備生產設備來處理井液、穩定原油、分離產出水和天然廢水。加工后的原油先儲存在船上的貨物儲油罐中，然后再卸到穿梭油輪上。生產出來的氣體將進行壓縮、加藥、脫水處理，并作為FPSO 的燃料氣體。剩余的天然氣會回注到儲層中，并回流到FPSO。抽取的海水會進行處理和噴射以提供儲層支撐。FPSO 端的應急速關閥安裝于卸載管終端，輸油軟管前，用以應對管路外輸時出現的軟管脫落、管路爆裂、單點系泊故障等突發事件。關閉應急速關閥可快速切斷原油外輸，避免原油泄漏導致的環境污染和經濟損失。

圖1 FPSO 卸貨到穿梭油輪示意圖

突然關閉應急速關閥會產生水錘現象。閥門啟閉及流體瞬態模型見圖2。當閥門處于打開狀態時，原油處于穩定流動狀態。當閥門突然關閉時，閥門端的原油停止流動，而遠處原油由于慣性的作用仍向閥門端移動。由于液體幾乎不能壓縮，這就導致閥板附近的壓力急劇增加，直到由于摩擦阻力的消耗，管路內壓力平衡，流體完全停止流動。

圖2 閥門啟閉及流體瞬態模型

2.2 水錘載荷計算

本文通過流體力學軟件計算管道系統的壓力時程，獲得貨物卸載系統在油輪端閥門關閉、FPSO端閥門關閉、油泵跳閘、船用分離聯軸器關閉等突發狀況下的壓力變化報告。

CAESAR Ⅱ軟件會直接提取水錘報告中瞬態壓力的最大值，并使用等效靜態載荷的方法校核沖擊載荷對管路的影響[3-4]。由水錘報告可知，管路作用于彎頭處的水錘力都在10 kN 以下，載荷非常小，此處就不著重介紹。主要分析當FPSO 端的應急速關閥關閉時主要閥門的最大水錘壓力值（見表1）。

當FPSO 端的應急速關閥突然關閉時，關閉時間設定為20～30 s。由表1 可知，作用于應急速關閥的最大水錘壓力為1.868 MPa，已知管道直徑為508 mm，壁厚為12.7 mm，通過式（4）可求得，作用于應急速關閥上的水錘載荷F 為341.697 kN。

表1 主要閥門的最大水錘壓力值（單位：MPa）

因采用等效靜態載荷方法進行仿真，需要考慮動態載荷因子（Dynamic Load Factor，DLF）。保守起見，選用最大動態載荷因子2，故輸入水錘載荷F1為683.394 N。

2.3 等效靜態模擬

FPSO 貨油卸貨系統部分卸油管路模型見圖3。對于應急速關閥，由于水錘直接作用于閥板，故在數值模擬時直接在閥門處添加載荷F1。

圖3 FPSO 貨油卸貨系統部分卸油管路模型

2.4 工況設置

在應力分析中，需要根據不同情況設置不同工況，根據是否出現水錘現象，可將工況分為普通工況和水錘工況，此處忽略普通工況，重點分析水錘工況。

不同水錘工況設置情況見表2，其中，W 表示管道自身重力；WW表示滿液管道的重力；HP表示液壓試驗壓力；T1表示操作溫度；P1表示設計壓力；U1表示船長方向加速度；U2表示船寬方向加速度；U3表示垂直方向加速度；D1表示舯拱位移；D2表示舯垂位移；F1表示水錘載荷。

表2 不同水錘工況設置情況

2.5 結果分析

仿真計算后輸出結果。以NODE 640 處為例進行結果分析，應力云圖見圖4，普通工況及水錘工況下的最大偶然應力結果對比情況見表3。

圖4 應力云圖

表3 最大偶然應力結果對比

從表3 可以看出，水錘工況的計算應力為普通工況的4 倍，這說明水錘對管道的沖擊作用非常顯著，其改變了整個管道的應力分布狀態。

為減少水錘載荷的破壞，在應急速關閥前添加一個限位支架A1（見圖3），再次核算管路應力，結果見表4。由表4 可知，添加限位支架后，管路應 力大幅下降，這是由于水錘力通過管路傳遞到限位支架上，從而保證了管路的運行安全。值得注意的是，要保證限位支架的強度以承受水錘載荷的沖擊。

表4 最大偶然應力結果對比（添加限位支架后）

3 結論

本文基于某FPSO 改裝船中的貨油卸貨系統，采用等效靜態載荷的方法分析水錘載荷對管路的影響，并校核管材應力與支架受力。研究表明：水錘載荷會導致管材應力超標，增加爆裂危險。在初始設計時，應著重考慮水錘載荷的影響，通?？赏ㄟ^延長閥門開啟時間來降低水錘壓力，也可以在閥門附近添加高強度限位支架的方式來保護閥門和管路。