摘　要：玻璃鋼管以其優良的耐腐蝕性能、優異的水力學性能及比重小等優點，已經逐漸被應用到船舶與海洋工程裝備上。本文針對浮式生產儲油卸油船(FPSO，Floationg Production Storage and Offoading)的壓載水系統，利用專業管道應力分析軟件CAESARII建立了三維管系模型，選取多種工況進行玻璃鋼管應力分析。通過對應力報告的對比分析，結果表明：玻璃鋼管不僅能夠取代鋼管在FPSO壓載水系統中的應用。而且能有效減輕系統的重量，降低建造成本。

關鍵詞：玻璃鋼管；FPSO；CAESAR II；壓載水系統；應力分析

　　隨著材料工業的發展，非金屬管材在國民經濟建設中的應用領域和市場不斷擴大。玻璃鋼(FRP)管是玻璃纖維增強塑料管的俗稱，是一種新型的復合材料管，它主要以玻璃纖維紗作為增強材料和樹脂作為基體制成，具有許多其它管材無法取代的優越性能，已被越來越多地應用于油氣輸送、農業灌溉、海水輸送、電廠循環水以及城市給水排水工程等領域。近年來玻璃鋼管在船舶上也得到越來越廣泛的應用，在化學品船和火車渡船上，玻璃鋼管已取代鍍鋅鋼管，應用于壓載系統、污水處理系統和消防水系統，并取得了良好的使用效果。
　　本文根據玻璃鋼管所具有的優良的耐腐蝕性能，優異的水力學性能及比重小、重量輕等優點，把FPSO實船的壓載水系統管系的材質換成玻璃鋼，利用CAESARII對其整個系統建立三維模型，并進行應力分析，從而為玻璃鋼管在FPSO等海洋工程裝備中的安全應用提供依據。

1　玻璃鋼管的結構與性能

1.1　玻璃鋼管的結構
　　玻璃鋼管的生產采用定長纏繞工藝，該工藝是以玻璃纖維及其制品雋增強材料，以不飽和聚酯樹脂為基體材料，以石英砂為填充材料而制成的新型復合材料管材。玻璃鋼管的生產工藝流程包括制襯、纏繞、固化、修整、脫模和試壓等工序，經全部檢驗合格后才能作為成品出廠。其中，玻璃鋼夾砂管的管壁結構由內襯層、結構層和保護層組成，其化學組成和主要功能見表1。

1.2　玻璃鋼管道的基本性能
　　玻璃鋼管之所以能夠在船舶上得到越來越廣泛的應用，在于它具有其他金屬管材無法比擬的優越性，主要包括物理性能、力學性能和化學性能。這些性能是進行管道設計的基本依據，由于玻璃鋼復合材料的可設計性，以及工藝成型的可設計性和成型方法的可選擇性，這些參數就顯得尤為重要，在某些方面已經取代金屬管并取得很好的經濟效益。玻璃鋼管具有以下幾個優點。
　　1)具有優良的耐腐蝕性能，使用壽命長、安全可靠
　　玻璃鋼管內襯層及外保護層富含樹脂，通過對內襯層及外保護層所用樹脂進行合理選擇，可使玻璃鋼管具有良好的內外防腐蝕性能，可廣泛用于酸、堿、鹽、氧化劑、有機溶劑、各類油脂、污水、海水等介質，不需另作防腐處理，同時具有耐老化、耐磨損、使用壽命長等優點。
　　2)比重小、重量輕
　　玻璃鋼管比重僅為鋼管的1／5～1／4，其壁厚雖較同規格的鋼管略厚，但其總重量一般不到后者的1／2，因此使用玻璃鋼管可以減輕管路的重量從而減輕船舶的重量。
　　3)水力學性能優異
　　玻璃鋼管具有光滑的內表面，磨阻系數小，水力特性好，且非常耐磨。使用玻璃鋼管輸送液體與采用相同口徑的船用鋼管相比，可以大大減少壓頭損失，節省泵的功率和能源；而且玻璃鋼管在使用過程中不結垢、不生銹、不滋生藻類和其它微生物，因此使用時間越長，其優勢越明顯。
　　4)適用范圍廣，綜合效益好
　　玻璃鋼管設計靈活性大，改型周期短，可根據用戶的使用要求通過改變設計，制造出各種規格、壓力等級、剛度等級或其它特殊性能的產品。目前市場上，玻璃鋼管的價格比鋼管、球墨鑄鐵管低，但比混凝土管略高。如考慮到運輸和施工費用，則玻璃鋼管和混凝土管的價格能保持持平；但要若考慮運行維護費用，則玻璃鋼管的工程造價低，綜合效益好。

2　CAESAR II簡介

　　CAESAR II是美國COADE工程軟件公司研制的管道應力分析軟件。它通過使用簡單梁單元建立管系模型，并定義作用在系統中的載荷，生成系統中用位移、載荷和應力表示結果。該軟件可以通過表格來完成輸入，形成管系模型顯示在屏幕上進行評判，使用方便，已被越來越多的工程公司和應力分析工作者所采用。
　　CAESAR II解決的問題主要分為靜力分析和動力分析，靜力分析包括壓力載荷和持續載荷作用下的一次應力計算，管道熱脹冷縮以及端點附加位移等位移荷載作用下的二次應力計算，管道對設備作用力的反作用力計算，管道支吊架的受力計算和管道上法蘭的受力計算。動力計算包括管道自然頻率分析，管道強迫振動響應分析，管道地震頻譜分析、減壓瀉放、水錘等。目前對該軟件應用較多的還是管道靜態應力分析和設備管口載荷校核兩部分。CAESAR II軟件中進行管道應力驗算采用的標準為：ANSI／ASME B31.3、B31.1、BS7159和UKOOA等。

3　工程實例

　　本文根據國內某大型船廠建造的一艘FPSO為算例，其壓載水系統的壓力是800 kPa，試驗壓力是1200kPa，工作溫度是55℃，流體密度為1000 kg/m³,采用玻璃鋼管。
3.1　管系三維模型
　　根據管系原理圖和管道布置圖，利用CAESAR II建立壓載水管系三維模型，見圖1。

3.2　管系應力分析
　　1)載荷工況
　　根據UKOOA規范，選取下列工況進行管系的壓力荷載和持續荷載作用下的一次應力計算(防止塑性變形破壞)和管道熱脹冷縮以及端點附加位移等位移荷載作用下的二次應力計算(防止疲勞破壞)，工況組合見表2。

　　2)應力計算結果
　　根據上述提供的載荷條件和載荷工況，計算整個系統在各節點處的應力，并將各工況下大計算應力與UKOOA規范許用應力作比較，結果見表3，大應力節點如圖1所示。

　　通過CAESARII對FPSO壓載水系統管道應力分析，結果表明，其一次應力、二次應力均在允許的范圍內，使用玻璃鋼管代替合金鋼管是可行的。

4　結論

　　本文通過對FPSO壓載水系統的應力分析，說明在開展海工裝備管系設計時，可結合管道應力計算結果，分析比較影響受力的各種因素，在確保設備正常運行的基礎上，可以使用玻璃鋼管取代合金鋼管，以改善受力情況，保證系統的各個環節都達到要求，確保系統的正常運行，同時能有效減輕系統重量，降低工程造價。