一种提高FPSO管线支架使用寿命的方法与流程

本发明涉及提高支架使用寿命的方法，尤其涉及一种提高浮式生产储卸油装置(fpso)管线支架使用寿命的方法。

背景技术：

浮式生产储卸油装置fpso通常通过系泊系统长期系留于恶劣海洋环境中作业，无法躲避恶劣海况，受海浪风浪的激励。fpso管线支架所承受的疲劳载荷主要是波浪载荷及fpso船体振动所引起的载荷，受迫振动现象明显，因此其受迫振动的疲劳问题更加突出，主要表现在疲劳校核区域较多、疲劳寿命的高要求。

现有的提高浮式生产储卸油装置管线支架疲劳特性的方法主要是使用疲劳特性较好的材料，改变管线支架结构提高抗疲劳特性。这样带来了管线支架成本增长，管线支架设计制作过程复杂的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种可有效地延长浮式生产储卸油装置fpso管线支架在海洋上的工作时间的提高浮式生产储卸油装置(fpso)管线支架使用寿命的方法。

一种提高fpso管线支架使用寿命的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、通过测量设备获取浮式生产储卸油装置的管线支架在工作环境时对应的海洋波浪的频率—振幅曲线；

步骤二、通过对海洋波浪的频率—振幅曲线进行频谱分析获取外部风浪的主频率f1并在振幅—频率曲线中选取振幅峰值的0.707倍所对应的频率区间f1上、f1下作为有效振幅频率范围，记为：f1:[f1上，f1下]；

步骤三、通过浮式生产储卸油装置(fpso)的设计值得到浮式生产储卸油装置(fpso)船体工作时的振动频率—振幅曲线；

步骤四、通过对振动频率—振幅曲线进行频谱分析获取浮式生产储卸油装置fpso的管线支架工作时振动的主频率f2并在振动频率—振幅曲线中选取振幅峰值的0.707倍所对应的有效振幅的频率范围，记为：f2:[f2上，f2下]；

步骤五、计算浮式生产储卸油装置的管线支架的固有频率fn；

步骤六、判断fn是否处于f1:[f1上，f1下]区间内，若是则执行第一步；判断fn是否处于f2:[f2上，f2下]区间内，若是则执行第二步；若fn既不处于f1:[f1上，f1下]区间内，也不处于f2:[f2上，f2下]区间内，则执行步骤七；

第一步，若fn落在f1[f1上，f1下]内，减小管线支架的跨距d和高度h增大管线支架的固有频率fn，使其大于f1所处区间，但仍小于f2所处区间；

第二步，若fn落在f2[f2上，f2下]内，增大管线支架的跨距d和高度h，减小管线支架的固有频率fn，使其小于f2所处区间，但仍大于f1所处区间；

步骤七、采用ansys软件计算出步骤六优化fn条件下管线支架的实际工作强度pk，判断实际工作强度pk与管线支架材料的屈服强度pf的关系，判断关系如下：

pk≤pf/n

式中：pk——管线支架的实际工作强度；

pf——管线支架材料的屈服强度；

n——安全系数；

步骤八、若满足步骤七的条件，则优化完成，否则返回步骤六继续调整管线支架的跨距d和高度h，重新优化fn，再重复步骤七-步骤八直至优化完成。。

本发明的有益效果是：该方法能够通过将浮式生产储卸油装置管线支架的固有频率fn与海洋风浪频率f1和fpso船体振动频率f2进行比较，对浮式生产储卸油装置fpso管线支架跨距和高度等结构做出调整，改变整个管线支架的固有频率，使fn远离f1,f2所在范围，从而减小管线支架由波浪和船体振动引起的受迫振动，进而减小管线支架的交变载荷，该方法可有效地延长浮式生产储卸油装置fpso管线支架在海洋上的工作时间，提高使用寿命。

附图说明

图1为海洋风浪振动频率——振幅曲线图；

图2为浮式生产储卸油装置的管线支架的结构示意图；

图3为fn优化范围图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方法作进一步说明。

如附图所示，本发明的一种提高fpso管线支架使用寿命的方法，包括以下步骤：

步骤一、通过测量设备获取浮式生产储卸油装置的管线支架在工作环境时对应的海洋波浪的频率—振幅曲线。

步骤二、通过对海洋波浪的频率—振幅曲线进行频谱分析获取外部风浪的主频率f1并在振幅—频率曲线中选取振幅峰值的0.707倍所对应的频率区间f1上、f1下作为有效振幅频率范围，记为：f1:[f1上，f1下]。

步骤三、通过浮式生产储卸油装置(fpso)的设计值得到浮式生产储卸油装置(fpso)船体工作时的振动频率—振幅曲线。

步骤四、通过对振动频率—振幅曲线进行频谱分析获取浮式生产储卸油装置fpso的管线支架工作时振动的主频率f2并在振动频率—振幅曲线中选取振幅峰值的0.707倍所对应的有效振幅的频率范围，记为：f2:[f2上，f2下]。

步骤五、计算浮式生产储卸油装置的管线支架的固有频率fn，该公式参见2016年6月发布的船海工程期刊第45卷第3期第47页。

式中:m——管线支架的质量矩阵；

k——管线支架的刚度矩阵；

p——管线支架的坐标列阵；

fn——管线支架自由振动的固有频率；

a——管线支架的坐标幅值列阵。

上式中m、k求取方法如下：

第一步，通过ansys软件对浮式生产储卸油装置fpso的管线支架建立模型；

第二步，通过指令从ansys中提取出各管线支架的质量矩阵，生成各支架质量矩阵之和的总质量矩阵，即管线支架的质量矩阵m；通过指令从ansys中提取出各管线支架的刚度矩阵，生成各支架刚度矩阵之和的总刚度矩阵，即管线支架的刚度矩阵k；通过指令将ansys中浮式生产储卸油装置fpso的管线支架模型离散为具有有限个结点的系统，然后通过指令从ansys中生成对应各结点的的广义坐标列阵，即管线支架的坐标列阵p；通过指令对ansys中浮式生产储卸油装置fpso的各管线支架的最大振动值进行采集，生成对应于各支架的广义坐标幅值列阵，即管线支架的坐标幅值列阵a；

第三步，通过两式联立可求得浮式生产储卸油装置fpso的管线支架自由振动的固有频率fn。

步骤六、判断fn是否处于f1:[f1上，f1下]区间内，若是则执行第一步；判断fn是否处于f2:[f2上，f2下]区间内，若是则执行第二步；若fn既不处于f1:[f1上，f1下]区间内，也不处于f2:[f2上，f2下]区间内，则执行步骤七；

第一步，若fn落在f1[f1上，f1下]内，减小管线支架的跨距d和高度h增大管线支架的固有频率fn，使其大于f1所处区间，但仍小于f2所处区间。

第二步，若fn落在f2[f2上，f2下]内，增大管线支架的跨距d和高度h，减小管线支架的固有频率fn，使其小于f2所处区间，但仍大于f1所处区间。

通过本步骤优化fn使其不会落在f1和f2区间内。

步骤七、采用ansys软件计算出步骤六优化fn条件下管线支架的实际工作强度pk，判断实际工作强度pk与管线支架材料的屈服强度pf的关系，判断关系如下：

pk≤pf/n

式中：pk——管线支架的实际工作强度；

pf——管线支架材料的屈服强度；

n——安全系数。

上式中所述的pf为管线支架材料的屈服强度，可由2011年1月1日由机械工业出版社出版的《金属材料力学性能手册》确定，n的值可根据台风等级与海况等级通过查询api规范确定。

步骤八、若满足步骤七的条件，则优化完成，否则返回步骤六继续调整管线支架的跨距d和高度h，重新优化fn，再重复步骤七-步骤八直至优化完成。