ICS 75.180.10 E 94 备案号：65461—2018
SY
中华人民共和国石油天然气行业标准
SY/T 7431—2018
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
2019－03－01实施
2018一10一29发布
国家能源局 发布 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。
II 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，耦合分析中必要输人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（degrees of freedom） DDF：深吃水浮式结构（deepdraughtfloater） DTU：千树装置（drytree unit） FE：有限元（finiteelement) FD：频域（frequencydomain） FPSO：浮式生产、储存和卸油装置（floatingproduction storage and offloading） FTL：流体传输管线（fluidtransferlines） GM：纵稳心高(metacentric height，longitudinal) GM：横稳心高（metacentric height，transverse） HF：高频（highfrequency） LF：低频（lowfrequency） LTF：线性传递函数（lineartransferfunction） OOL：卸油管线（oiloffloadingline） QTF：二阶传递函数（quadratictransferfunction） RAO：幅值响应算子（responseamplitudeoperator） SCR：钢质悬链线立管（steelcatenaryriser） SsVR：Spar垂向支撑立管（sparsupported vertical risers） TD：时域（time domain) TLP：张力腿平台（tensionlegplatform） TTR：顶端张紧立管（toptensioned riser） VIM：涡激运动（vortexinducedmotions） VIV：涡激振动（vortexinducedvibrations） WF：波频（wavefrequency）
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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付加惯性力。 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，作为输人部分。 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/T74312018
周期是关键特征，在许多方面反映其设计理念。表1中列出了不同浮式结构物的典型运动固有周期。
表1典型深水结构物固有周期
单位为秒 Semi >100 >100 20~50 30 ~ 60 30 ~ 60 >100
FPSO >100 >100 5 ~ 12 5 ~ 30 5 ~ 12 >100
DDF >100 >100 20 ~ 35 50 ~ 90 50 ~ 90 >100
TLP >100 >100 <5 <5 <5 >100
纵荡横荡垂荡横摇纵摇摇
所有浮式结构物的共同特征是它们在水平面上的“顺应性”，纵荡、横荡及摇周期通常大于 100s，不同浮式结构物的根本区别与其垂向运动有关，如垂荡、横摇和纵摇。结构物的垂向运动对其系泊及立管系统选取是决定性的。 3.2.2FPSO响应特性
浮式生产储存和卸油装置（FPSO）可移位，但通常长时间位于同一地点。该装置通常包含船体、 转塔、甲板生产及钻井设备。对于FPSO，由于它们的大型上层建筑和主动或被动的风向标效应，相对于流力，风力往往占主导地位。FPSO在水平面上有非常显著的低频运动效应，它们对低黏度船体阻尼引起的纵荡激励非常敏感，随着水深增加，由于系泊缆及立管阻尼增加，敏感度降低。
FPSO深水系泊系统可适用多种系泊形式，对于悬链线系泊系统，波频运动引起动态系泊力，在深水中由于更大的横向拖电力，使其也随之增大。张紧式系泊系统不受同等水平横向运动影响，所以表现得更为准静态，对于该系统，由于系泊缆的弹性长度增加，动态力将随着水深增加而减小。鱼尾运动是由于风及流激励产生的摇及横荡的不稳定耦合，它与系泊系统的水平刚度相关。对于立管系统，由于显著的波频运动，通常使用柔性立管或者顺应式金属立管。
FPSO若含有一个或者数个月池，则月池中的水运动将影响船体运动。黏性阻尼对水运动有很大影响，恶劣天气中，波浪砰击及甲板上浪作为其他非线性效应也将影响FPSO运动响应。
不同方向上风产生的波浪及涌组合应加以考虑，既适用于转塔式系泊船，同样适用于扩展式系泊船。迎浪及横向涌浪组合是比较关键的工况，将产生显著的横摇加速度，对上层建筑、设备、立管系统及系泊系统等产生影响。
选取合适的横摇阻尼在FPSO运动响应预报中非常重要。 浮式系统涉及多个浮式结构物的设计和安装，典型的油田设施可以包括的扩展系泊的FPSO和
干树装置（DTU），如Spar、TLP或驳船，通过流体传输管线（FTL）连接。卸油系统（如CALM浮简）可以离FPSO几千米之外通过卸油管线（OOL）连接。这些复杂的多浮体系统给模型试验及数值模拟带来了额外的挑战，从分析的角度来看，以下几点很重要：
波浪和载荷相位的一致性：一不同方向上风产生的波浪、涌和海流组合；由FTL和OOL引起的附加耦合效应；多体之间可能产生水动力相互作用。
如果两个浮式结构物（FPSO和DTU）相互之间非常接近，那么，与波浪效应相关的水动力耦合效应将变得非常重要，这需要在水动力分析中将两者作为一个整体，运用绕射及辐射理论对12个
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自由度运动进行分析。
所有的上述耦合效应都可以在电脑数值模拟中对多浮体及附属的细长结构进行分析计算。 3.2.3TLP响应特性
TLP与其他浮式结构物本质区别在于它是由张力筋腱刚度而不是水线面刚度控制其垂向运动。 TLP在纵荡、横荡及摇运动上相当于柔性弹簧，但在垂荡、横摇和纵摇上是刚性的。
TLP水平向波频运动与同等大小半潜平台幅值在一个数量级，然而在垂直平面上，TLP更像是一个固定的结构实际上没有波频运动反应，波频力被张力腿弹性力抵消。
高阶和频波浪力可能在垂向模态中产生弹振或／和鸣振响应，这些效应可能会显著影响缆绳响应。 平台偏移下降运动是水平方向纵荡、横荡以及垂荡运动的多运动耦合，该运动在气隙、张力、立
管系统响应（如冲程）计算中非常重要。
典型TLP立管系统包含顶端张紧立管、柔性立管或者顺应式金属立管如钢悬链线立管。
3.2.4DDF响应特性
深吃水浮式结构物特点是其垂荡运动小，如Spar平台，Spar平台主体是带有中央月池的圆柱，张紧的立管系统位于其中。由硬舱提供浮力，其下部结构可能包括外壳结构（经典式）或者桁架结构（桁架式），龙骨处设置软舱，附加质量／阻尼板位于硬舱与软舱之间。Spar大部分位于流力作用下，流载荷为主要环境载荷，低频涡激运动（VIM）可能增加有效拖电力产生更高的平均流力。通过在Spar主体上添加螺旋列板，涡流弓起的横向振荡可以大量减少，但是，螺旋列板将增加Spar的附加质量和拖更力。
DDF垂荡运动较小，可以适用刚性顶部张紧垂向立管，立管张力通常由连接在立管顶部的气罐或者集成在船体上的张紧器提供。使用气罐支撑立管的Spar特点是仅具有自由运动模式，它的垂荡固有周期通常高于波浪周期。由于垂荡固有周期受立管系统影响，带有张紧器支撑立管的Spar平台在垂荡上耦合性更强，这意味着垂荡阻尼评估是垂荡响应预报的关键。
流的变化作用在DDF上会产生显著的激励力，深度相关性是确定这种激励大小的核心问题。 气隙和月池效应在Spar分析和设计中需加以考虑由于波频运动较小，DDF通常不受大系泊缆动态力影响，这需要评估导缆孔实际位置与水平面
波频运动增加的关系。 3.2.5半潜平台响应特征
半潜平台通常是柱稳式结构，由大直径立柱支撑的组块结构组成，立柱与水下旁通相连接，旁通可以是环形旁通，双体旁通或者多体布置。
半潜平台水线面较小，其固有周期（垂向模态）略高于20s，除了极端海况，固有周期通常处于波浪周期范围之外。这意味着与单体浮式结构相比，半潜平台垂向运动更小。然而在极端环境条件下，其运动性能需要受柔性的、顺应式的金属立管系统控制，或者混合布置。
半潜平台上可能配置有和FPSO类似的各种系泊系统。 半潜平台对于重量变化非常敏感，它对于甲板载荷及原油储量的变化适应度较小。与船型浮式结
构物相比，半潜平台由于水下立柱及旁通形状复杂，流力较大，但除非处于强流平静海域，半潜平台所受风力仍将主导产生平均力。
半潜平台具有自由运动模式特点，意味着所有的固有周期都大于波浪周期范围，见表1，尽管如此，波频运动并不是无关紧要的，特别是在极端海况下，如图1所示。
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1.2
0.8 w/u 0.6
半潜平台 Spar平台普通船体北海风暴波
0.4
0.2
N 10 20
10
30 40 周期，s
50 60
0
图1不同浮式结构物及风暴波谱下垂荡传递函数
排水量100000t及以上的大型半潜平台对波频运动不太敏感，横摇及纵摇响应中低频运动占主导。 由于底部气隙不足，甲板下方波浪拍击可能影响半潜平台总体运动及局部结构响应。 和作用在FPSO上的波频响应类似，悬链线式系泊半潜平台可能受到由波频引起的显著的动态系
泊力。 3.3细长结构主要特征 3.3.1系泊系统 3.3.1.1系泊系统概述
系泊系统属于顺应式系统，它通过变形提供反力以抵抗环境载荷。系泊系统作用类似于弹簧机制，浮体从平衡位置偏移产生回复力以抵抗外载荷。系泊缆的弹性张力来源于两种机制：
悬挂悬链线效应：来源于重力，垂向作用在缆绳上：线弹性效应：来源于缆绳的弹性延伸。
具有这两种机制的系泊系统分别称为悬链式系泊和张紧式系泊。 3.3.1.2悬链式系泊
悬链式系泊可以通过标准悬链线方程定义，与以下参数相关：悬链线浸没重量、水平系泊力、缆绳张力及导缆孔端缆绳斜率。波浪引起的浮式结构物运动主要受缆绳几何形状变化及轴向弹性叠加影响。在横向拖曳力影响下，缆绳形状大范围变化使得悬链线系统产生显著的动态效应。通常悬链式系泊系统由钢缆和锚链组成，有时配置重块和浮筒以达到预期的系泊缆绳形状需要。 3.3.1.3张紧式系泊
在张紧式系泊系统中，导缆孔与锚点之间几乎为一条直线，垂向力直接来源于锚和船体，其顺应特性使波浪作用于船体运动主要受缆绳弹性影响。
张紧式系泊系统横向几何形状变化不如悬链式系统显著，因而由横向拖曳力产生的动态效应较
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