ICS 75.180.10 SY E 94 备案号：65461—2018 中华人民共和国石油天然气行业标准 SY/T74312018 深水浮式结构总体性能分析推荐作法 Recommended practice for global performance analysis of deep water floating structure 2018-10-29发布 2019-03-01实施 国家能源局 发布 SY/T7431—2018 目 次 前言· 1 范围 缩略语 3深水浮式系统关键定义及特性 3.1 定义 3.2 浮式结构主要特性 3.3 细长结构主要特征 浮体载荷模型 4 8 4.1 概述 4.2 静力 4.3 波浪力 4.4 风力 ·16 4.5 流力 ·16 4.6 涡激力 5 细长结构载荷模型 5.1 浮体受迫运动 ·17 流体运动 .18 5.2 5.3水动力载荷 ·19 5.4海生物 解耦响应分析 6 6.1 静态分析 6.2 频域分析 22 6.3 时域分析· ?25 7耦合分析 7.1 分析方法 ·26 7.2 耦合分析 ·27 7.3 分析策略 附录A（规范性附录) 拖力系数的选取方法 30 参考文献· SY/T7431-2018 前 言 本标准按照GB/T1.1一2009《标准化工作导则第1部分：标准的结构和编写》给出的规则起草。 本标准等同采用DNVGL-RP-F205：2017《深水浮式结构总体性能分析推荐作法》（Global performance analysis of deepwater floating structures)。 本标准由海洋石油工程专业标准化技术委员会提出并归口。 本标准起草单位：海洋石油工程股份有限公司。 本标准主要起草人：尹汉军、钟文军、蔡元浪、刘波、杨小龙、毛程亮、张法富、张广磊。 SY/T7431—2018 深水浮式结构总体性能分析推荐作法 1范围 本标准规定了不同深水浮式系统总体性能分析推荐作法，内容涵盖分析方法、环境载荷计算、耦 合模型搭建及分析中需要关注的关键因素等，可以为今后深水浮式系统的总体性能设计提供指导。 本标准适用于不同浮式系统的响应特性，包括“耦合效应”，“耦合分析”与“解耦分析”定义、 浮体及细长结构载荷模型及耦合效应，耦合分析中必要输入参数及如何有效地进行耦合分析。 2缩略语 下列缩略语适用于本文件。 CFD：计算流体力学（computationalfluiddynamics） DOF：自由度(degreesoffreedom) DDF：深吃水浮式结构（deepdraughtfloater） DTU：千树装置（drytreeunit） FB：有限元（finiteelement） FD：频域（frequencydomain） FPSO：浮式生产、储存和卸油装置（floatingproductionstorageandoffloading） FTL：流体传输管线（fluidtransferlines） GM：纵稳心高（metacentricheight，longitudinal） GMr：横稳心高（metacentricheight，transverse） HF：高频（highfrequency） LF：低频（lowfrequency） LTF：线性传递函数（lineartransferfunction） OOL：卸油管线（oilofloadingline） QTF：二阶传递函数（quadratictransferfunction） RAO：幅值响应算子（responseamplitudeoperator） SCR：钢质恩链线立管（steelcatenaryriser） SSVR：Spar垂向支撑立管（sparsupportedverticalrisers） TD：时域（timedomain） TLP：张力腿平台（tension leg platform） TTR：顶端张紧立管（toptensionedriser） VIM：涡激运动（vortexinducedmotions） VrV：涡激振动（vortexinducedvibrations） WF：波频（wavefrequency） SY/T 7431—2018 3深水浮式系统关键定义及特性 3.1定义 3.1.1运动时标 漂浮的系泊结构可能会对风、波浪、流作出响应并伴随有三种时标的运动，分别是波频运动 （WF），低频运动（LF）和高频运动（HF）。作用于海上结构物的最大波浪力发生在其频率与波浪频 率相同时，产生波频运动。为了避免大的共振效应，海上结构物及其系泊系统设计时通常将其共振频 率设计在波频范围之外。通常纵荡、横荡及摇固有周期大于100s，半潜结构物的垂荡、横摇和纵摇 固有周期高于20s；另一方面，张力腿平台的这些固有周期低于5s，处于低波浪能量范围。由于非线 性载荷效应，一些响应总是出现在固有频率附近，波浪和风荷载缓慢变化造成低频（LF）水平谐振运 动，也命名为慢漂运动。高阶波浪力作用于张紧式浮式平台（如TLP及细长的重力基础式结构GBS) 产生高频（HF）垂直谐振运动、鸣振及弹振。 3.1.2耦合效应 耦合效应是指对浮式结构平均位置的影响及细长结构回复力、阻尼力及惯性力的动态响应。这些 力贡献详细阐述如下： a）回复力： 1）系泊和立管系统因结构物偏移产生的静态回复力； 2）流力及其对系泊和立管系统回复力的影响： 3）海底摩擦力影响（如果系泊缆或者立管与海底接触）。 b）阻尼力： 1）系泊及立管系统阻尼，因运动、流产生的阻尼力： 2）船体或者立管接触产生的摩擦力。 c）惯性力：系泊及立管系统产生的附加惯性力。 在传统的解耦分析中，a）中1）可以准确计算。a）中2)、b）中1）和c）可以近似得出。通常 a）中3）和b）中2）无法计算。上述耦合分析方法可以针对这些效应进行一致性处理。 3.1.3解耦分析 解耦分析中刚性浮体运动方程在时域中求解，但是系泊及立管系统的影响通过准静态分析使用非 线性弹簧求解，即准静态回复力特性。其他耦合效应，如作用于细长结构上的阻尼及流力需要基于单 独评估分析，作为输入部分。 3.1.4耦合分析 在耦合分析中，对于浮体刚体模型、立管及系泊缆的细长体模型进行动态分析，同时采用非线性 时域法求解。每一步都求得动态平衡，确保浮式或者细长结构耦合效应保持一致。耦合效应自动包含 在分析中。 3.2浮式结构主要特性 ：3.2.1典型深水结构物固有周期 所有类型的浮式结构的一个共同特征是它们利用剩余的浮力来支撑甲板的有效载荷并为细长结构提 供张力。根据海域和海况，波浪在5s～25s范围内包含有一阶简谐波能量。对于浮式结构，其运动固有 2 SY/T7431—2018 求解上述积分微分方程可能非常耗时，因为捕获波频运动所需的时间步长有严格的要求。常用的 方法是使用多尺度方法，并将波频部分与低频部分分开。波频部分通常在频域中求解，这要求运动和 波是线性响应。这意味着二次阻尼D2被设置为0，并且刚度K是常量。 W和W通常在频域中求解，而低频响应r=在时域中求解。 ..... (38) 应注意的是时域中计算波频响应有标准的步骤和商业软件。 6.3.3细长结构处理 系泊缆和立管中回复力通常作为位移函数列表中的准静态回复力表示。该信息在解耦分析中可用于 给定浮体位置的回复力的查询表，列表值之间通常采用线性插值。每根系泊缆/立管的回复力特性可以通 过使用最先进的细长结构分析计算机程序或更简化的计算方法进行静态分析获得，如悬链线计算等。 需要重点注意的是，解耦分析中不包括细长结构动力结果。这意味着由于细长结构引起的低频浮 体运动阻尼不包括在解耦分析中。如3.2中所述，这种效应对于大多数深水概念很重要。 此外，在回复特性中通常不考虑流载荷，因为这将需要重新计算每个流环境下的回复力特性。浮 体细长结构上流载荷的总作用力对于深水系统来说可能是巨大的。重要的是，要注意这种力在大多数 情况下不是由回复力特性来解释的。 海底/细长杆件的摩擦力不能用回复力待征来表示。这是因为摩擦效应取决于位移历程，因此它 们不可能包含回复力特性。 6.3.4细长杆件结构/浮体耦合效应 由于在解耦分析中简化了细长结构表达，因此需要对细长结构/浮体耦合效应进行独立评估。 流载荷作用在细长结构上对浮体产生的力可以通过便用标准细长结构分析计算机软件或者对整个 系统耦合模型进行静态分析评估求得。 在解耦分析中，流载荷对细长结构的贡献可以直接作为附加力作用于浮体上。 低频细长结构阻尼可以通过耦合分析（见7.3.1）或模型试验进行评估。关于评估等效线性阻尼 的技术概述，参考Ormberg等人（1998）和Astrup等人（2001）的著作。在解耦分析中，预估的阻 尼系数可以直接包含在浮体的线性阻尼矩阵中。 然而，应该强调的是，一些系统的细长结构低频阻尼对环境激励（波高、周期、流等）较为敏 感。因此，评估低频阻尼应优先基于浮体运动解耦分析所采用的同等环境条件考虑。 7耦合分析 7.1分析方法 上部浮体、系泊系统及立管系统组成了一个以复杂方式对外部环境载荷做出响应的完整动态系 统。浮体的运动包括以下几个组成部分： 一定常风力，流力和平均波浪漂移力引起的平均响应， 一阶波浪激励力引起的波频响应； 一波浪漂移力，阵风和黏性漂移力引起的低频响应； 高频响应（TLP）； 船体的涡激运动响应（经典/桁架式Spar、迷你型TLP、DDF)。 26