李 丽，宁 俊，石银辉

（大连中远海运重工有限公司，辽宁大连 116000）

0 引言

近年来，浮式生产储油卸油装置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）是海洋油气领域的研究热点[1]。由于FPSO常年在海上服役，为应对恶劣环境及长期作业的需求，在管路系统设计时应保证管路运行周期能够达到20～25 年。除管路系统的基本运行功能外，管材的强度对保障管路系统的安全性尤为重要，是抵御恶劣环境及突发状况的有效保证。在校核管路强度时，一般需要对系统进行应力分析，分析过程要充分考虑海况、风载荷、上浪载荷、由管路系统压力变化引起的瞬态冲击力等因素。

本文基于某FPSO 改装船中的货油卸货系统，采用等效静态载荷的方法分析水锤载荷对管路的影响，并校核管材应力与支架受力。

1 理论介绍

1.1 水锤的定义

水锤是指管道中流动的液体突然停止时在管道系统中产生的冲击破坏力、噪声和振动[2]。当流体的流动状态突然发生变化时，与流动液体有关的能量在该位置突然转化为压力，这种过剩压力称为水锤压力，具有较强的破坏性。

水锤还被定义为一种极端的流体瞬态，通常可通过阀门关闭时发出的砰砰声来进行识别。对于水锤，应该进行预判，尽量减少危害。

1.2 水锤力计算的目的

水锤力计算的目的是保证管道结构的整体安全，以及管道系统的正常运行。通过应力分析可判断水锤力是否会造成管道、阀门和支吊架的破坏，是否会引起法兰连接面的泄漏，支架选型及定位是否合适等。通常情况下，为减小水锤载荷的破坏，需要在管道的适当位置添加限位装置，以限制瞬间破坏，保护管路或阀门。

1.3 计算公式

水锤方程是根据管道内流体的质量守恒定律和动量守恒定律建立的。当满足式（1）时，会出现水锤现象[1]。

式中：T 为阀门关闭时间；L 为管道长度；α为波速。

水锤压力计算公式为

式中： ΔP 为水锤压力；ρ为流体密度； ΔV 为流速的瞬间变化量。

波速计算公式为

式中：K 为液体的体积弹性模量；ρ 为流体密度；Di为管道内径；E 为管道材料的弹性模量；t 为管道壁厚。

由于水锤作用，通过管道施加于固定支架的载荷为

式中：F 为水锤载荷；A 为管道流通面积。

2 计算实例

2.1 项目简介

计算实例基于一艘由超大型油轮（Very Large Crude Carrier，VLCC）改装而成的FPSO（见图1）。FPSO 从海底油井中采油，并配备生产设备来处理井液、稳定原油、分离产出水和天然废水。加工后的原油先储存在船上的货物储油罐中，然后再卸到穿梭油轮上。生产出来的气体将进行压缩、加药、脱水处理，并作为FPSO 的燃料气体。剩余的天然气会回注到储层中，并回流到FPSO。抽取的海水会进行处理和喷射以提供储层支撑。FPSO 端的应急速关阀安装于卸载管终端，输油软管前，用以应对管路外输时出现的软管脱落、管路爆裂、单点系泊故障等突发事件。关闭应急速关阀可快速切断原油外输，避免原油泄漏导致的环境污染和经济损失。

图1 FPSO 卸货到穿梭油轮示意图

突然关闭应急速关阀会产生水锤现象。阀门启闭及流体瞬态模型见图2。当阀门处于打开状态时，原油处于稳定流动状态。当阀门突然关闭时，阀门端的原油停止流动，而远处原油由于惯性的作用仍向阀门端移动。由于液体几乎不能压缩，这就导致阀板附近的压力急剧增加，直到由于摩擦阻力的消耗，管路内压力平衡，流体完全停止流动。

图2 阀门启闭及流体瞬态模型

2.2 水锤载荷计算

本文通过流体力学软件计算管道系统的压力时程，获得货物卸载系统在油轮端阀门关闭、FPSO端阀门关闭、油泵跳闸、船用分离联轴器关闭等突发状况下的压力变化报告。

CAESAR Ⅱ软件会直接提取水锤报告中瞬态压力的最大值，并使用等效静态载荷的方法校核冲击载荷对管路的影响[3-4]。由水锤报告可知，管路作用于弯头处的水锤力都在10 kN 以下，载荷非常小，此处就不着重介绍。主要分析当FPSO 端的应急速关阀关闭时主要阀门的最大水锤压力值（见表1）。

当FPSO 端的应急速关阀突然关闭时，关闭时间设定为20～30 s。由表1 可知，作用于应急速关阀的最大水锤压力为1.868 MPa，已知管道直径为508 mm，壁厚为12.7 mm，通过式（4）可求得，作用于应急速关阀上的水锤载荷F 为341.697 kN。

表1 主要阀门的最大水锤压力值（单位：MPa）

因采用等效静态载荷方法进行仿真，需要考虑动态载荷因子（Dynamic Load Factor，DLF）。保守起见，选用最大动态载荷因子2，故输入水锤载荷F1为683.394 N。

2.3 等效静态模拟

FPSO 货油卸货系统部分卸油管路模型见图3。对于应急速关阀，由于水锤直接作用于阀板，故在数值模拟时直接在阀门处添加载荷F1。

图3 FPSO 货油卸货系统部分卸油管路模型

2.4 工况设置

在应力分析中，需要根据不同情况设置不同工况，根据是否出现水锤现象，可将工况分为普通工况和水锤工况，此处忽略普通工况，重点分析水锤工况。

不同水锤工况设置情况见表2，其中，W 表示管道自身重力；WW表示满液管道的重力；HP表示液压试验压力；T1表示操作温度；P1表示设计压力；U1表示船长方向加速度；U2表示船宽方向加速度；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表示水锤载荷。

表2 不同水锤工况设置情况

2.5 结果分析

仿真计算后输出结果。以NODE 640 处为例进行结果分析，应力云图见图4，普通工况及水锤工况下的最大偶然应力结果对比情况见表3。

图4 应力云图

表3 最大偶然应力结果对比

从表3 可以看出，水锤工况的计算应力为普通工况的4 倍，这说明水锤对管道的冲击作用非常显著，其改变了整个管道的应力分布状态。

为减少水锤载荷的破坏，在应急速关阀前添加一个限位支架A1（见图3），再次核算管路应力，结果见表4。由表4 可知，添加限位支架后，管路应 力大幅下降，这是由于水锤力通过管路传递到限位支架上，从而保证了管路的运行安全。值得注意的是，要保证限位支架的强度以承受水锤载荷的冲击。

表4 最大偶然应力结果对比（添加限位支架后）

3 结论

本文基于某FPSO 改装船中的货油卸货系统，采用等效静态载荷的方法分析水锤载荷对管路的影响，并校核管材应力与支架受力。研究表明：水锤载荷会导致管材应力超标，增加爆裂危险。在初始设计时，应着重考虑水锤载荷的影响，通常可通过延长阀门开启时间来降低水锤压力，也可以在阀门附近添加高强度限位支架的方式来保护阀门和管路。