摘　要：玻璃钢管以其优良的耐腐蚀性能、优异的水力学性能及比重小等优点，已经逐渐被应用到船舶与海洋工程装备上。本文针对浮式生产储油卸油船(FPSO，Floationg Production Storage and Offoading)的压载水系统，利用专业管道应力分析软件CAESARII建立了三维管系模型，选取多种工况进行玻璃钢管应力分析。通过对应力报告的对比分析，结果表明：玻璃钢管不仅能够取代钢管在FPSO压载水系统中的应用。而且能有效减轻系统的重量，降低建造成本。

关键词：玻璃钢管；FPSO；CAESAR II；压载水系统；应力分析

　　随着材料工业的发展，非金属管材在国民经济建设中的应用领域和市场不断扩大。玻璃钢(FRP)管是玻璃纤维增强塑料管的俗称，是一种新型的复合材料管，它主要以玻璃纤维纱作为增强材料和树脂作为基体制成，具有许多其它管材无法取代的优越性能，已被越来越多地应用于油气输送、农业灌溉、海水输送、电厂循环水以及城市给水排水工程等领域。近年来玻璃钢管在船舶上也得到越来越广泛的应用，在化学品船和火车渡船上，玻璃钢管已取代镀锌钢管，应用于压载系统、污水处理系统和消防水系统，并取得了良好的使用效果。
　　本文根据玻璃钢管所具有的优良的耐腐蚀性能，优异的水力学性能及比重小、重量轻等优点，把FPSO实船的压载水系统管系的材质换成玻璃钢，利用CAESARII对其整个系统建立三维模型，并进行应力分析，从而为玻璃钢管在FPSO等海洋工程装备中的安全应用提供依据。

1　玻璃钢管的结构与性能

1.1　玻璃钢管的结构
　　玻璃钢管的生产采用定长缠绕工艺，该工艺是以玻璃纤维及其制品隽增强材料，以不饱和聚酯树脂为基体材料，以石英砂为填充材料而制成的新型复合材料管材。玻璃钢管的生产工艺流程包括制衬、缠绕、固化、修整、脱模和试压等工序，经全部检验合格后才能作为成品出厂。其中，玻璃钢夹砂管的管壁结构由内衬层、结构层和保护层组成，其化学组成和主要功能见表1。

1.2　玻璃钢管道的基本性能
　　玻璃钢管之所以能够在船舶上得到越来越广泛的应用，在于它具有其他金属管材无法比拟的优越性，主要包括物理性能、力学性能和化学性能。这些性能是进行管道设计的基本依据，由于玻璃钢复合材料的可设计性，以及工艺成型的可设计性和成型方法的可选择性，这些参数就显得尤为重要，在某些方面已经取代金属管并取得很好的经济效益。玻璃钢管具有以下几个优点。
　　1)具有优良的耐腐蚀性能，使用寿命长、安全可靠
　　玻璃钢管内衬层及外保护层富含树脂，通过对内衬层及外保护层所用树脂进行合理选择，可使玻璃钢管具有良好的内外防腐蚀性能，可广泛用于酸、碱、盐、氧化剂、有机溶剂、各类油脂、污水、海水等介质，不需另作防腐处理，同时具有耐老化、耐磨损、使用寿命长等优点。
　　2)比重小、重量轻
　　玻璃钢管比重仅为钢管的1／5～1／4，其壁厚虽较同规格的钢管略厚，但其总重量一般不到后者的1／2，因此使用玻璃钢管可以减轻管路的重量从而减轻船舶的重量。
　　3)水力学性能优异
　　玻璃钢管具有光滑的内表面，磨阻系数小，水力特性好，且非常耐磨。使用玻璃钢管输送液体与采用相同口径的船用钢管相比，可以大大减少压头损失，节省泵的功率和能源；而且玻璃钢管在使用过程中不结垢、不生锈、不滋生藻类和其它微生物，因此使用时间越长，其优势越明显。
　　4)适用范围广，综合效益好
　　玻璃钢管设计灵活性大，改型周期短，可根据用户的使用要求通过改变设计，制造出各种规格、压力等级、刚度等级或其它特殊性能的产品。目前市场上，玻璃钢管的价格比钢管、球墨铸铁管低，但比混凝土管略高。如考虑到运输和施工费用，则玻璃钢管和混凝土管的价格能保持持平；但要若考虑运行维护费用，则玻璃钢管的工程造价低，综合效益好。

2　CAESAR II简介

　　CAESAR II是美国COADE工程软件公司研制的管道应力分析软件。它通过使用简单梁单元建立管系模型，并定义作用在系统中的载荷，生成系统中用位移、载荷和应力表示结果。该软件可以通过表格来完成输入，形成管系模型显示在屏幕上进行评判，使用方便，已被越来越多的工程公司和应力分析工作者所采用。
　　CAESAR II解决的问题主要分为静力分析和动力分析，静力分析包括压力载荷和持续载荷作用下的一次应力计算，管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算，管道对设备作用力的反作用力计算，管道支吊架的受力计算和管道上法兰的受力计算。动力计算包括管道自然频率分析，管道强迫振动响应分析，管道地震频谱分析、减压泻放、水锤等。目前对该软件应用较多的还是管道静态应力分析和设备管口载荷校核两部分。CAESAR II软件中进行管道应力验算采用的标准为：ANSI／ASME B31.3、B31.1、BS7159和UKOOA等。

3　工程实例

　　本文根据国内某大型船厂建造的一艘FPSO为算例，其压载水系统的压力是800 kPa，试验压力是1200kPa，工作温度是55℃，流体密度为1000 kg/m³,采用玻璃钢管。
3.1　管系三维模型
　　根据管系原理图和管道布置图，利用CAESAR II建立压载水管系三维模型，见图1。

3.2　管系应力分析
　　1)载荷工况
　　根据UKOOA规范，选取下列工况进行管系的压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算(防止塑性变形破坏)和管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算(防止疲劳破坏)，工况组合见表2。

　　2)应力计算结果
　　根据上述提供的载荷条件和载荷工况，计算整个系统在各节点处的应力，并将各工况下大计算应力与UKOOA规范许用应力作比较，结果见表3，大应力节点如图1所示。

　　通过CAESARII对FPSO压载水系统管道应力分析，结果表明，其一次应力、二次应力均在允许的范围内，使用玻璃钢管代替合金钢管是可行的。

4　结论

　　本文通过对FPSO压载水系统的应力分析，说明在开展海工装备管系设计时，可结合管道应力计算结果，分析比较影响受力的各种因素，在确保设备正常运行的基础上，可以使用玻璃钢管取代合金钢管，以改善受力情况，保证系统的各个环节都达到要求，确保系统的正常运行，同时能有效减轻系统重量，降低工程造价。