曾伟　罗东浩　王嘉

摘 要：支架设计是浮式生产储油装置（FPSO）配管设计的重要组成部分。正确设计管道支架，对于降低管道应力、改善管道振动有着重要的作用，其设计的优劣直接影响着管道系统的安全与寿命。本文依据相关项目设计经验，总结了FPSO管路支架的特点、设计流程和注意事项，为类似项目的支架设计提供参考。

关键词：FPSO；管路支架；设计流程

中图分类号：U664.8 文献标识码：A

Abstract： Design of the piping support is a significant part of FPSO piping design and good design of the piping support will reduce the pipe stress， improve pipe vibration， extend the pipe service life and ensures the pipe safety. This paper summarizes the characteristics of FPSO piping support and the design process and matters needing attention of it.

Key words： FPSO； Piping support； Design process

1 前言

浮式生产储油装置（FPSO）的管道系统，与常规船型相比，管道数量巨大、管径较大、所受载荷复杂，需要适用于恶劣的环境条件和较长的服役周期（如：满足50/100年一遇的风浪条件，十几甚至二十几年不进坞维修等要求），具有更高的安全性和可靠性要求。作为FPSO管道系统重要组成部分的管道支架，不仅需要承受管道内压和重量等载荷，保证管道的一次应力合格，同时还要对管道的变形加以控制，从而减小管道的二次应力和设备的管嘴载荷，保证管道与设备的安全运行。另外，对于存在振动的管道，通过设置适当的支架可以达到改善管路振动、减小管道疲劳损坏的目的。

因此，为了保证FPSO管道应力合格、系统能够长期安全可靠运行，需要对管路支架进行详细设计。本文主要分析FPSO管路支架的特点，阐述支架的设计流程，并对支架设计的注意事项进行总结。

2 管道支架介绍

2.1 支架设计标准

FPSO在船厂建造/改装时，按照以往习惯，船体部分采用船舶标准，上部模块部分则采用石油工业标准，这种做法在图纸设计和接口标准上比较复杂。近年来国外逐渐改变这一做法，提议船体部分的标准及图纸设计也向石油工业标准靠拢，使FPSO成为独立的海洋结构物。FPSO管路支架也分为船体部分和上部模块部分，笔者参与的几个项目，都是采用下述美国石油行业标准：

ASME B31.3 化工装置和炼油厂管道；

MSS SP-58 管道支吊架-材料、设计和制造；

MSS SP-69 管道支吊架-选择和应用；

MSS SP-89 管道支吊架-制作和安装实践。

ASME B31.3规定了对管道支吊架的一般要求，论述了设计支架的必要条件；MSS SP三个标准规定了管道支架的材料、设计、制造、安装、试验、检验和运行等方面的具体要求。目前，国内参照并综合了上述标准，制定了管道支架的国家推荐标准，标准号为GB/T 17116.1/2/3。

2.2 支架种类

管道支架主要由支撑框架和固定附件组成：支撑框架根据管道布置的空间位置生根在FPSO船体及模块结构上，是将载荷从管道或管附件传递到船体结构上的元件，一般采用钢结构框架，如门形架、T形架、L形架、I形架等；固定附件是指用焊接、螺栓连接或夾紧方法附装在管道上的元件，如管吊、U型管卡、管鞋、绑带等。

管道支架按功能和用途可分为：承受管道载荷的承重型支架；限制管道位移的限制型支架；控制管道振动的减振支架三大类。管道支架的作用本质是为管道提供必要的约束，约束可沿船体坐标X、Y、Z方向分解成六个自由度。按提供的约束组合，FPSO管道支架还可进行小分类。

2.3 典型支架型式

FPSO管道支架结构设计灵活、型式众多，一些典型的支架类型见图1所示。

3 管道支架设计

管道支架是FPSO整个管道设计的难点之一，它的设计流程如下：支架标准建立→支架选用设计→支架验证计算→支架修改出图。

3.1 支架标准建立

一般船厂的管路支架标准仅适用常规船舶，不满足FPSO恶劣的环境条件和高标准的配管设计要求。为了让FPSO管道支架设计和后期现场报验有据可依，船厂需根据船东提供的相关规格书，在项目设计之初建立管道支架标准并取得船东及船级社认可。FPSO管道支架标准，至少要包括管道允许跨度、典型支撑框架的选型图集、常用管路固定附件的选型图集等内容。

管道的允许跨度是管道两相邻支架的最大允许间距，跨距一定要设计合理。跨距太小意味着管架数量要增加，也就是要增加费用和投资；跨距过大，将会影响管道自身安全。管道的允许跨距需同时满足管道强度条件和刚度条件，取两者中的小值。按强度条件确定跨距时，通过校核管道一次应力得到最大允许跨距；按刚度条件确定跨距时，假定管道为一单自由度振动系统，通过校核管道弯曲扰度得到最大允许跨距。另外，管道允许跨度推荐值可参照MSS SP-69标准。

支撑框架作为传递管道载荷的主要元件，它承受的载荷主要有：管道及液体的自重、热膨胀载荷、风载荷、船体运动作用下的管路加速度、船体结构产生的变形位移、其余的动载荷等。FPSO的管道支撑框架多由角钢或工字钢拼接而成，具体形状由管道布置和框架生根点确定，典型形状有门形、T形、L形、I形等。针对这些形状，制定出典型支撑框架的选型图集，给出典型框架的材料、结构尺寸、适用范围等技术要求。

支架固定附件的选型图集是支架标准的核心内容，根据约束力方向，固定附件可概括为刚性支架、轴向止动型、导向型、限位型、固定型、弹簧支架等。以上述分类为基础，制定出满足FPSO管路常用的固定附件的选型图集，给出固定附件的材料要求、结构参数、适用范围及技术要求等。常见的依附于管道上的固定元件有U型管卡、管鞋、绑带等。U型管卡在常规船舶和FPSO中应用都非常普遍，可分为导向型和固定型；管鞋和绑带是FPSO上用的非常多的固定元件，管鞋可控制管道轴向或径向位移，绑带适用于大管径管路的固定。

管路支架标准经船级社认可后，需要输入到软件数据库中，方便后续在软件中进行支架参数化建模，实现配管的三维立体建模。同时，支架标准也要作为施工文件发给车间施工单位学习。

3.2 支架的选用设计

FPSO支架设计人员在设计之前，先要熟练掌握已被认可的管路支架标准，然后根据管线布置情况进行支架选用设计。管支架的初步设计包括管道支架位置的确定、支架的选用、支架草图输出等三部分。

管道支架位置的确定，一般应根据管径、管道形状、阀门与管附件的位置以及可生根的部位等因素综合考虑后确定，通常需满足下列设计要点：

（1）必须满足支架标准中管道允许跨度的要求；

（2）在设备管嘴附近应设支架，以减少管嘴受力；

（3）管道阀门及管附件附近需设置支架；

（4）有集中载荷时，支架要布置在靠近载荷的地方，以减少偏心载荷和弯曲应力；

（5）尽可能利用船体结构骨材作为支架的生根点，且应考虑生根点所能承受的载荷。

初步确定了管道支架位置后，应根据经验初步判断出支承点所承受的载荷方向、管道的位移情况，结合管道工作温度、管道材质等条件，选用软件数据库中合适的标准支架并进行三维建模。待管路建模完成后，可直接导出支架草图和带支架位置、编号等信息的管路轴测图（ISO图），这两份图纸将作为管路应力计算的设计输入。

3.3 支架的验证计算

FPSO上有部分管线工作温度、压力条件比较苛刻，受力比较复杂，被定义为重要管线，这些管线的支架需通过应力分析验证设计是否合理；其余非重要管线支架应由经验丰富的设计人员进行校审，判断其设计的合理性。下面将重点介绍重要管线支架的验证计算。

重要管线支架的验算一般是通过管道应力计算来确定，本文以当前FPSO上应用较广的CAESAR II应力分析软件为基础，介绍管支架验算流程。首先，管道应力计算工程师根据管路ISO图建立重要管线的模型，并根据支架详图添加管路约束；然后对整条管道进行静力分析，通过调整不合理的管路布置、约束位置和类型，使整条管路应力合格；最后把调整好的管路约束信息反馈到ISO图上，并提交给管支架设计人员修改。

在重要管线的支架设计验算过程中，由于管道应力分析与支架设计所用软件不同，ISO图将是双方设计人员相互沟通的主要文档，必须及时更新，详细反映出相关支架信息。

3.4 支架修改出图

管道支架经过验证计算后，需根据相关意见完成修改，接下来就可以输出管支架加工详图，支架详图必须经管道应力计算工程师会签后方可下发车间施工。支架加工详图一般应表示清楚支架型式、尺寸、定位、材料清单、对应管线编号、其余的必要参数等，由于支架是通过选取标准选型图集得出，支架图可不用再表达焊缝高度、连接详图等细节信息。

4 管道支架设计注意事項

管道支架应根据管道系统的整体设计构想和规格书中的相关要求进行设计，通常应注意以下事项：

（1）在选择管道支架的结构型式前，应仔细研究管道布置周围的结构及相邻管道，支架必须生根在可靠的船体结构上，且留有必要的操作维修空间；

（2）直接与管道接触的支架零部件材料应按设计温度选用，且存在电极腐蚀的不同材料之间需用绝缘材料隔开；

（3）FPSO所处环境恶劣，管道支架设计应尽量减少腐蚀可能，如：避免采用点焊、支架零部件设计不应存在积液死角等；

（4）利用已有船体结构构件设置管道支架时，不应破坏承载钢结构的强度与稳定性，并应经结构设计人员同意。同时应将管道支架的支反力提供给结构设计人员，供其对结构构件的强度进行校核；

（5）支架应按对其结构最不利的组合载荷进行选择与设计；

（6）管道支架尽量选用已认可的标准支架，否则须经过强度和/或刚度计算；

（7）管道支架宜设置在直管段上，不宜设置在局部应力较高的部位；

（8）为降低因风浪流等环境条件引起的船体运动所造成的对FPSO管路的影响，应多设置一些导向支架。如无特别要求，2寸以下管路的支架全部采用导向支架，2寸以上管路两相邻支架中至少有一个导向支架。

5 结束语

管道布置、支架设计、管道应力分析是FPSO配管设计不可分割的组成部分，设计人员在管道布置的过程中，应综合考虑支架设置的可能性及合理性、管道应力是否合格等因素，设计出经济合理、安全可靠、满足使用要求的管道系统。

参考文献

[1]ASME B31.3， Process Piping， 2008.

[2]海洋石油工程设计指南[M]. 石油工业出版社，2007.

[3]唐永进.压力管道应力分析[M]. 中国石化出版社，2003.