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摘 要：本文以“玛丽卡”FPSO尾部消防泵舱消防系统管路作为分析对象， 具体介绍CAESAR II在FPSO管道应力计算中的应用，为管路优化设计提供依据。
关键词：管道应力分析；生活模块；消防系统
中图分类号：U664.88 文献标识码：A
Application of CAESAR II in FPSO Piping Stress Analysis
CHEN Yufei， LI Zhen
（ Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）
Abstract： By analyzing the Fi-Fi system of the stern fire pump room of FPSO Maricá project， this paper specifies the application of CAEASR II in FPSO piping stress analysis as the reference for pipeline design optimization.
Key words： Piping stress analysis； Accommodation module； Fi-Fi system
1 引言
FPSO（浮式生产储油装置）环境恶劣，在海浪及海风的作用下，船体会产生加速度和位移载荷，并通过上部模块结构传递给相应的管路。消防系统由于压力高、流量大、其管路布置复杂，对整个FPSO的安全性影响至关重要。本文以“玛丽卡”FPSO生活模块尾部消防泵舱消防系统管路为例，介绍CaesarII管道应力分析软件的计算应用，为管路分析计算积累经验。
2 管道应力计算分析的目的
CaesarII管道应力分析软件，是由美国COADE公司研发的压力管道应力分析专业软件，既可以进行静态计算分析，也可以進行动态分析。管路应力分析主要解决下列问题：（1）使管道各处的应力水平在规范允许的范围内；（2）使与设备相连的管口载荷符合制造商或公认标准；（3）使与管道相连的容器处局部应力保持在允许应力范围内；（4）计算各约束处所受的载荷；（5）确定各种工况下管道的位移；（6）解决管道动力学问题；（7）帮助设计人员对管系进行优化设计。
3 管路应力的校核准则
工业管道应力分析的核心是校核管道的强度、柔性和刚度，包括：管道及其阀件、附件、联接件等的强度、刚度是否满足要求；管道对相连设备的附加载荷是否满足要求等。通过对管系应力、管道振动等的力学分析，可以适当改变管道的走向和管道的支撑条件，以达到满足管道强度、柔性和刚度要求的目的。
3.1 ASME B31.3应力校核准则
FPSO项目中工业管道设计主要遵循的规范是ASME B31.3 Process Piping，在ASME B31.3中并未直接提及“一次应力”和“二次应力”这两个术语，但其应力校核准则实际上是按一次应力和二次应力分别进行的。在工业管道应力分析中，不再细分为一次总体薄膜应力、一次局部薄膜应力和一次弯曲应力，也没有峰值应力的概念，这主要是工业管道应力分析中采用了薄壁假设以及不进行详细的局部应力分析的缘故。
3.1.1持续载荷作用下一次应力的校核
（1）管道组成件的厚度及补强计算满足要求，则认为由于内压所产生的应力是安全的；
（2）管道组成件的厚度及稳定性计算满足要求，则认为由于外压所产生的应力是安全的；
（3）管道中由于压力、重力和其他持续载荷作用所产生的轴向应力之和SL，不应超过材料在预计最高温度下的许用应力Sh，即SL ≤ Sh。
3.1.2 二次应力的评定
二次应力是由于热胀、冷缩、端点位移等位移载荷的作用下所产生的应力，它不直接与外力平衡，而是为满足位移约束条件或管道自身变形的连续要求所必须的应力。其特点是具有自限性，局部屈服或者小量变形就可以使位移约束条件或自身变形连续要求得到满足，从而变形不再继续增大。一般来讲，只要不反复加载，二次应力不会导致管道破坏，即二次应力引起的主要是疲劳破坏。
位移载荷作用下二次应力的校核条件：
管道系统计算得出的位移应力范围SE，不应超过按下式计算的许用应力：
SA=?（1.25Sc + 0.25Sh） （1）
当Sh大于SL时：
SA=?（1.25（Sc + Sh）-SL） （2）
?=6.0[N]-0.2 （3）
N=NE+Σ[rj5Nj]，j=1，2，···，n （4）
式中：SE———位移应力范围，MPa；
SA———许用位移应力范围，MPa；
Sc———冷态许用应力，MPa；
Sh———热态许用应力，MPa；
SL———管道中由于压力、重力和其他持续载荷所产生的纵向应力之和；
?———位移应力范围减小系数；
N———管系预计使用寿命下全位移循环当量数；
NE———与计算的最大位移应力范围SE相关的循环数；
Nj———与按小于全位移计算的位移应力范围相关的循环数；
rj———按小于全位移计算的位移应力范围与计算的最大位移应力范围SE之比。
3.1.3 偶然载荷产生的一次应力限制条件
在ASME B31.3中，要求偶然载荷产生的一次应力满足以下条件：管道在工作状态下，受到压力、重力、其他持续载荷和偶然载荷所产生的纵向应力之和，不得超过操作状态许用应力的1.33倍，风和地震载荷的作用不需同时考虑。 4 消防系统管路应力计算分析
以生活模块的尾部消防泵舱消防系统管路为例，对其各段管路应力进行计算，当应力不满足要求时，则需对管路进行优化设计：适当调整管路布置、管支架的布置和选型，在保证足够支撑管道系统的前提下，尽量减少对管道有效变形约束，谨慎设置限制位移性管架；将异径、焊接三通等引起局部应力增高的管件置于管路载荷较小的位置；管路柔性不满足要求时可通过设置弯曲管端、改变管路走向、增加弯头数目等方式满足要求。
4.1 管道建模
管道建模通过管道输入表来完成，其管线基本参数主要包括：管系中的管径、壁厚、隔热层厚度和隔热材料密度、原始温度、设计温度、设计压力、管道材料、许用应力、弹性模量、泊松比、管道材料密度、介质密度等。计算模型见图1。
4.2 载荷工况组合及管线应力校核
（1）载荷工况组合
当完成管道建模后，需要在CAESARII中进行载荷工况组合，按照规范要求进行应力校核CAESARII将载荷工况分为四类：持续载荷工况组合；纯热态载荷工况组合；偶然载荷工况组合；操作状态载荷工况。
（2）管线应力校核
由上述四类工况组合得到的应力最大值点，见表1。
4.3 设备管口受力校核
依据项目规格书要求，所有对载荷敏感的设备（如泵、压缩机、压力容器、大型储罐等）管口受力需同时满足API610的管口载荷及设备商所提供的管口许用应力进行校核。模型输出后对设备出口校核所得结果，见表2。
由表2可知，管子出口受力满足要求。实际上，在对管线的柔性分析过程中反复通过增加弯头、改变管路走向及对支架受力调整等途径，才使得设备出口应力满足要求。
4.4 法兰应力校核
管道法兰除承受内压外，还承受由于管道质量、热膨胀、振动等引起的轴向力和弯矩的作用。为防止发生泄漏，需要对法兰等级进行可靠性校核，判定是否需要采取进一步的安全措施。根据许用压力要求，尾部消防泵舱消防系统管路仅有一处法兰在最差的工况条件下需根据ASME-VIII标准进行法兰等级校核，根据计算结果，所选用的法兰等级是安全的。
4.5 總结
本船尾部消防泵舱消防系统管路的管线应力计算结果，满足ASMEB31.3要求；设备管口受力结果，满足API 610要求；最差工况条件下的法兰校核结果，满足ASME-VIII要求。
5 结束语
“玛丽卡”FPSO是一艘由300 000 DWT的超大型双壳油船（VLCC）改装为集生产处理、储存外输及生活、动力供应于一体的海上浮式生产储油船（FPSO），目前已投产运营且运行状态良好，消防系统稳定可靠，有力地保证了该船安全有效运行。
参考文献
[1] ASME B31.3.Process Piping， 2008.
[2] ASME. Boiler & Pressure Vessel Code[ S ].
[3] ANSI/API 610-2004.
关键词：管道应力分析；生活模块；消防系统
中图分类号：U664.88 文献标识码：A
Application of CAESAR II in FPSO Piping Stress Analysis
CHEN Yufei， LI Zhen
（ Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）
Abstract： By analyzing the Fi-Fi system of the stern fire pump room of FPSO Maricá project， this paper specifies the application of CAEASR II in FPSO piping stress analysis as the reference for pipeline design optimization.
Key words： Piping stress analysis； Accommodation module； Fi-Fi system
1 引言
FPSO（浮式生产储油装置）环境恶劣，在海浪及海风的作用下，船体会产生加速度和位移载荷，并通过上部模块结构传递给相应的管路。消防系统由于压力高、流量大、其管路布置复杂，对整个FPSO的安全性影响至关重要。本文以“玛丽卡”FPSO生活模块尾部消防泵舱消防系统管路为例，介绍CaesarII管道应力分析软件的计算应用，为管路分析计算积累经验。
2 管道应力计算分析的目的
CaesarII管道应力分析软件，是由美国COADE公司研发的压力管道应力分析专业软件，既可以进行静态计算分析，也可以進行动态分析。管路应力分析主要解决下列问题：（1）使管道各处的应力水平在规范允许的范围内；（2）使与设备相连的管口载荷符合制造商或公认标准；（3）使与管道相连的容器处局部应力保持在允许应力范围内；（4）计算各约束处所受的载荷；（5）确定各种工况下管道的位移；（6）解决管道动力学问题；（7）帮助设计人员对管系进行优化设计。
3 管路应力的校核准则
工业管道应力分析的核心是校核管道的强度、柔性和刚度，包括：管道及其阀件、附件、联接件等的强度、刚度是否满足要求；管道对相连设备的附加载荷是否满足要求等。通过对管系应力、管道振动等的力学分析，可以适当改变管道的走向和管道的支撑条件，以达到满足管道强度、柔性和刚度要求的目的。
3.1 ASME B31.3应力校核准则
FPSO项目中工业管道设计主要遵循的规范是ASME B31.3 Process Piping，在ASME B31.3中并未直接提及“一次应力”和“二次应力”这两个术语，但其应力校核准则实际上是按一次应力和二次应力分别进行的。在工业管道应力分析中，不再细分为一次总体薄膜应力、一次局部薄膜应力和一次弯曲应力，也没有峰值应力的概念，这主要是工业管道应力分析中采用了薄壁假设以及不进行详细的局部应力分析的缘故。
3.1.1持续载荷作用下一次应力的校核
（1）管道组成件的厚度及补强计算满足要求，则认为由于内压所产生的应力是安全的；
（2）管道组成件的厚度及稳定性计算满足要求，则认为由于外压所产生的应力是安全的；
（3）管道中由于压力、重力和其他持续载荷作用所产生的轴向应力之和SL，不应超过材料在预计最高温度下的许用应力Sh，即SL ≤ Sh。
3.1.2 二次应力的评定
二次应力是由于热胀、冷缩、端点位移等位移载荷的作用下所产生的应力，它不直接与外力平衡，而是为满足位移约束条件或管道自身变形的连续要求所必须的应力。其特点是具有自限性，局部屈服或者小量变形就可以使位移约束条件或自身变形连续要求得到满足，从而变形不再继续增大。一般来讲，只要不反复加载，二次应力不会导致管道破坏，即二次应力引起的主要是疲劳破坏。
位移载荷作用下二次应力的校核条件：
管道系统计算得出的位移应力范围SE，不应超过按下式计算的许用应力：
SA=?（1.25Sc + 0.25Sh） （1）
当Sh大于SL时：
SA=?（1.25（Sc + Sh）-SL） （2）
?=6.0[N]-0.2 （3）
N=NE+Σ[rj5Nj]，j=1，2，···，n （4）
式中：SE———位移应力范围，MPa；
SA———许用位移应力范围，MPa；
Sc———冷态许用应力，MPa；
Sh———热态许用应力，MPa；
SL———管道中由于压力、重力和其他持续载荷所产生的纵向应力之和；
?———位移应力范围减小系数；
N———管系预计使用寿命下全位移循环当量数；
NE———与计算的最大位移应力范围SE相关的循环数；
Nj———与按小于全位移计算的位移应力范围相关的循环数；
rj———按小于全位移计算的位移应力范围与计算的最大位移应力范围SE之比。
3.1.3 偶然载荷产生的一次应力限制条件
在ASME B31.3中，要求偶然载荷产生的一次应力满足以下条件：管道在工作状态下，受到压力、重力、其他持续载荷和偶然载荷所产生的纵向应力之和，不得超过操作状态许用应力的1.33倍，风和地震载荷的作用不需同时考虑。 4 消防系统管路应力计算分析
以生活模块的尾部消防泵舱消防系统管路为例，对其各段管路应力进行计算，当应力不满足要求时，则需对管路进行优化设计：适当调整管路布置、管支架的布置和选型，在保证足够支撑管道系统的前提下，尽量减少对管道有效变形约束，谨慎设置限制位移性管架；将异径、焊接三通等引起局部应力增高的管件置于管路载荷较小的位置；管路柔性不满足要求时可通过设置弯曲管端、改变管路走向、增加弯头数目等方式满足要求。
4.1 管道建模
管道建模通过管道输入表来完成，其管线基本参数主要包括：管系中的管径、壁厚、隔热层厚度和隔热材料密度、原始温度、设计温度、设计压力、管道材料、许用应力、弹性模量、泊松比、管道材料密度、介质密度等。计算模型见图1。
4.2 载荷工况组合及管线应力校核
（1）载荷工况组合
当完成管道建模后，需要在CAESARII中进行载荷工况组合，按照规范要求进行应力校核CAESARII将载荷工况分为四类：持续载荷工况组合；纯热态载荷工况组合；偶然载荷工况组合；操作状态载荷工况。
（2）管线应力校核
由上述四类工况组合得到的应力最大值点，见表1。
4.3 设备管口受力校核
依据项目规格书要求，所有对载荷敏感的设备（如泵、压缩机、压力容器、大型储罐等）管口受力需同时满足API610的管口载荷及设备商所提供的管口许用应力进行校核。模型输出后对设备出口校核所得结果，见表2。
由表2可知，管子出口受力满足要求。实际上，在对管线的柔性分析过程中反复通过增加弯头、改变管路走向及对支架受力调整等途径，才使得设备出口应力满足要求。
4.4 法兰应力校核
管道法兰除承受内压外，还承受由于管道质量、热膨胀、振动等引起的轴向力和弯矩的作用。为防止发生泄漏，需要对法兰等级进行可靠性校核，判定是否需要采取进一步的安全措施。根据许用压力要求，尾部消防泵舱消防系统管路仅有一处法兰在最差的工况条件下需根据ASME-VIII标准进行法兰等级校核，根据计算结果，所选用的法兰等级是安全的。
4.5 總结
本船尾部消防泵舱消防系统管路的管线应力计算结果，满足ASMEB31.3要求；设备管口受力结果，满足API 610要求；最差工况条件下的法兰校核结果，满足ASME-VIII要求。
5 结束语
“玛丽卡”FPSO是一艘由300 000 DWT的超大型双壳油船（VLCC）改装为集生产处理、储存外输及生活、动力供应于一体的海上浮式生产储油船（FPSO），目前已投产运营且运行状态良好，消防系统稳定可靠，有力地保证了该船安全有效运行。
参考文献
[1] ASME B31.3.Process Piping， 2008.
[2] ASME. Boiler & Pressure Vessel Code[ S ].
[3] ANSI/API 610-2004.