管線柔性設計在FPSO中的應用
在 船舶管道設計，為防止管道熱脹冷縮對管道的影響，設計時必須考慮管道柔性 長流水線; 膨脹彎頭和膨脹節是兩種常見的增加管道柔性的設計方案。 的影響 盲法蘭 管道佈置時應考慮受力 選擇膨脹節.
在船舶管路設計中，首先要考慮滿足管路的工藝要求，還要考慮設備、管路及其部件的受力情況，以保證安全運行； 管道應力受氣候或管道上介質冷熱變化的影響，其變化主要與管道設計的靈活性有關； 的目的 流水線柔性設計 是為了讓整個 管道系統 足夠的柔性，以防止由於管道系統的溫度、自重、內壓和外載荷或由於管道支架的限制和管端的附加位移而發生下列情況： 1、管道損壞由於過度的壓力或金屬疲勞。 2、管接頭處滲漏。 3、管道的推力或扭矩過大，造成與管道相連的設備受力過大或變形，影響設備的正常運行。 4、管道推力或扭矩過大造成管道支架損壞。
在我廠承接的XJ23-1 FPSO項目中，充分考慮了管路的柔性設計； FPSO是我公司為中海油建造的100000萬噸級海上浮式生產儲油裝置。 長度232.5米，型寬46米，型深24.1米，設計吃水16米； 由於船體體積較大，為克服船舶在海中隨波浪起伏，以及管道熱脹冷縮等引起的下垂拱對船舶管線的破壞性影響管道，在管道設計時需要考慮選擇合適的措施來增加管道的靈活性。 FPSO管路的柔性化設計主要體現在主甲板和液貨艙、壓載艙內的管路。 由於發動機和泵艙體積小，靈活的設計理念自然而然地被引入到管路中。
柔性設計通常分為自然補償和補償器； 自然補償主要有L型、Z型、空間型和矩形補償，如下圖所示：
天然補償器
補償器主要包括各種型號的膨脹節：套管式補償器、波浪式補償器、自調試套管式補償器、填料涵式補償器。
FPSO管線佈置主要選用上述四種自然補償和填料涵管式補償器。 補償器的設計和選用是根據各種補償器的特點和性能，在不同的位置選用不同的補償器。 在機艙、泵房管路設計中，由於空間狹窄、管路密集的特點，在管路設計佈置中主要採用L型和Z型自然補償器； 在貨油艙和壓載艙中，由於底部結構複雜，各種縱橫骨交錯排列。 為便於管路安裝和結構預開口，貨艙區所有需要靈活設計的管路均採用填料涵膨脹節； 在主甲板管線設計中，為減小盲板力對管支座的影響，除貨油輸送管線採用填料涵膨脹節外，所有主管線的柔性設計均採用矩形補償器； 由於膨脹彎頭是剛性連接，所有帶有膨脹彎頭的管道都不需要考慮盲板力，它所承受的應力由管道彎頭承擔。 對於有膨脹節的管道，由於膨脹節兩端的管道是斷開的，僅靠膨脹節的摩擦力是不能克服管道應力的，所以此時需要在膨脹節的另一端有強有力的支撐。管道承受管道應力和盲板力。 盲板力的大小為：
F=PS/10000
在公式：
- F——管道盲板力噸;
- P ——管道系統試驗壓力 MPa；
- S——管道截面積 m2。
根據上面的公式，力 盲法蘭 可以計算不同的規格。
|
序列號 |
通徑 |
外直徑 |
室壁厚度 |
試驗壓力/盲板力噸 |
試驗壓力/盲板力噸 |
試驗壓力/盲板力噸 |
試驗壓力/盲板力噸 |
||||
|
1 |
700 |
711 |
12.7 |
3 |
110.75 |
2.4 |
88.6 |
2 |
73.8 |
1 |
36.92 |
|
2 |
600 |
610 |
12.7 |
3 |
80.525 |
2.4 |
64.4 |
2 |
53.7 |
1 |
26.84 |
|
3 |
500 |
530 |
12.7 |
3 |
59.994 |
2.4 |
48 |
2 |
40 |
1 |
20 |
|
4 |
400 |
426 |
12.7 |
3 |
37.812 |
2.4 |
30.2 |
2 |
25.2 |
1 |
12.6 |
|
5 |
350 |
377 |
12.7 |
3 |
29.128 |
2.4 |
23.3 |
2 |
19.4 |
1 |
9.709 |
|
6 |
300 |
325 |
12.7 |
3 |
21.149 |
2.4 |
16.9 |
2 |
14.1 |
1 |
7.05 |
|
7 |
250 |
273 |
12.7 |
3 |
14.445 |
2.4 |
11.6 |
2 |
9.63 |
1 |
4.815 |
|
8 |
200 |
219 |
12.7 |
3 |
8.8312 |
2.4 |
7.06 |
2 |
5.89 |
1 |
2.944 |
|
9 |
150 |
168 |
9.5 |
3 |
5.231 |
2.4 |
4.18 |
2 |
3.49 |
1 |
1.744 |
|
10 |
100 |
114 |
8.6 |
3 |
2.2078 |
2.4 |
1.77 |
2 |
1.47 |
1 |
0.736 |
從上表可以看出，高壓大口徑管道若採用膨脹節，管道彎頭處的盲板力很大。 為克服如此大的盲板力，固定管支架需要非常堅固。
管道的柔性不僅與管道佈置有關，還與固定管道支架的設置密切相關。 管道支吊架的位置對確定管道的受力影響很大。 管道及支吊架的佈置對管道系統的應力分佈狀態、最大應力值、端力和彎矩都有影響。 管道設計是否合理，支座設置得當，可以改善關係應力分佈和端點受力、扭矩情況； 在FPSO中，主管道的佈置和管道支架的設置應採用CAESARII管道應力計算軟件進行計算； 從受力計算過程看，管道的柔性設計與固定管道支架的設置位置密切相關。 在同一管道佈置中，只需改變部分管道方向，即可從計算結果中看出管道應力狀態的分佈和變化； 如圖所示：
在原來的設計中，3090管子的二次應力並沒有通過，位置如上圖紅色部分風所示：
一次應力和二次應力的最大點應力水平為：
|
工況組合 |
節點號 |
計算應力 （千帕） |
許用應力 （千帕） |
計算應力/許用應力 % |
|
|
1 (不銹鋼) |
西+西1 |
540 |
13650 |
136000 |
10.0 |
|
2 (經驗值) |
L2 L1 |
3090 |
631973 |
337917 |
187 |
調整管線佈局後，管線如下圖所示：
修改後，三通3097點應力通過，其應力水平如下：
|
工況組合 |
節點號 |
計算應力（千帕） |
許用應力（千帕） |
計算應力/許用應力 % |
|
|
1 (不銹鋼) |
西+西1 |
3097 |
4039 |
136000 |
3.0 |
|
2 (經驗值) |
L2 L1 |
3097 |
61785 |
335960 |
18.4 |
從以上實例可以看出，管道的柔性設計是否合理對管道的應力分佈有影響，而管道固定支架的設置對管道的影響很大。 從FPSO主貨油管線的計算過程來看，固定支撐對受力的影響非常明顯； 甲方主油管系統如下圖所示。
管道系統設置填料涵膨脹節。 為保證管道伸縮不產生位移和應力積累，在管道任意兩個伸縮縫之間設置固定支架。 如果兩個膨脹節之間有直管段，沒有任何其他附件，則在兩個膨脹節之間設置固定支架是最合理的； 但由於管道中有三通和彎頭，如果固定點的位置選擇不當，可能導致三通受力過大，或由於盲孔的存在導致彎頭受力過大。板力； 在FPSO貨油輸送管線應力分析計算中，由於管線的基本走向已經確定，不能再改變，只能通過調整固定管支架的位置來釋放管線應力，使管道各部分應力均能達到最佳狀態，滿足管道應力分析要求。 根據CAESARII對管道的受力計算分析，我們在靠近三通、兩個膨脹節之間的最佳位置、彎頭處設置了相應的固定支架，有效合理地分配了整條管道的應力。 為了減少盲操作力對彎頭的受力影響，我們在圖中的彎頭兩端設置了固定支架，如下圖所示：
對於帶膨脹節的管線，要考慮盲板力對管線的影響以及對管道支架的強度要求，所以在FPSO上，除管徑過大的貨油管外，均採用膨脹節，其他管線採用矩形自然補償膨脹彎。 由於主甲板管線長約160m，管線熱脹冷縮對管線影響較大，管線熱伸長量按以下公式計算：
△L=La(t2-t1)
在公式：
- △L——管道熱伸長cm；
- L——管道總長度 m
- A——管道線膨脹係數cm/(m·℃)
- T2——管內介質溫度℃；
- T1——管道安裝溫度℃。
根據管道的伸縮量，我們在主A的每條管道上設置了3~4個伸縮彎頭，如下圖所示。 全船主A設90個矩形膨脹彎。 矩形膨脹彎頭有效克服了管道因下垂拱、熱脹冷縮等引起的應力變化對管道的損壞，延長了管道的使用壽命； 減少了堅固的固定支架的數量。
從主管道支架的分析計算過程來看，柔性管道的佈置應遵循以下原則：
- 1、泵房本身管路設計靈活，但要注意海水總管和壓載水總管，設計時應考慮自然補償彎頭；
- 2、長度大於30m的直管線應考慮柔性設計：主甲板寬敞應盡量採用自然補償管線； 結構複雜的液貨艙區域底部宜採用伸縮縫，管路固定點設置在水密橫艙壁上；
- 3、膨脹彎盡量按管排順序佈置，膨脹較大的管道應佈置在膨脹彎外；
- 4、對於有膨脹節的管道，盡量避免管道彎曲，以減少作用在管道支架上的盲板受力次數；
- 5、無論是否設置伸縮縫或伸縮彎，均應在兩個伸縮縫或伸縮彎上加固定支架； 但對帶彎管的膨脹節的固定支撐應加強力支撐。
綜上所述，柔性設計理念在船舶管路設計中非常重要。 能否恰當應用柔性設計，合理選擇柔性設計措施，不僅可以減少管道的應力分佈，還可以延長管道的使用壽命； 而且，它可以有效地降低建設成本。
來源：中國 管道解決方案提供商 – 亞昂管業有限公司 (www.epowermetals.com)
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