SY/T 7431-2018 深水浮式结构总体性能分析推荐做法

ICS75.180.10
E94    SY
备案号：65461一2018
中华人民共和国石油天然气行业标准
SYT7431-2018
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
2018-10-29发布2019-03-01实施
国家能源局发布

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”，“糊合分析”与“解柄分析”定义浮体及细长结构载荷模型及榈合效应，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(computational fluid dynamics）
DOFf:自由度(degrees of freedom)
DDF:深吃水浮式结构(deep draught floater)
DTU:千树装置(dry tree unit)
FE:有限元(finite element)
FD:频t域(frequency domain)
FPSO:浮式生产、储存和卸油装置(floating production storage and offloading)
FTL:流体传输管线(fluid transfer lines)
GMt纵稳心高(metacentric height,longitudinal)
GMr:横稳心高(metacentric height,transverse)
HF:高频(high frequency)
LF:低频(low frequency)
LTF:线性传递函数(linear transfer function)）
OOL:卸油管线(oil offloading line)
QTF:二阶传递函数(quadratic transfer function)
RAO:幅值响应算子(response amplitude operator)
SCR:钢质悬链线立管(steel catenary riser)
SSVR:Spar垂向支撑立管(spar supported vertical risers)
TD；时域(time domain)
TLP:张力腿平台(tension leg platform)
TTR:顶端张紧立管(top tensioned riser)
VIM:涡激运动(vortex induced motions)
VTV:涡激振动(vortex induced vibrations)
WF:波频(wave frequency)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(F),低颜运动(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類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、横荡及艏摇固有周期大于100s,半潜结构物的垂荡、横摇和纵招固有周期高于20s:另一方面，张力褪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)垂直谐报运动、鸣振及弹振。
3.1.2耦合效应
稠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。
在传统的解属分析中，a)中1)可以准确计算。a)中2)、b)中1)和©)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
解烟分析中刚性浮体运动方程在时城中求解，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干单独评估分析，作为输入部分。
3.1.4耦合分析
在拥合分析中，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属合效应保持一致。橱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，波浪在飞~25范围内包含有一阶简谐被能量，对于浮式结构，其运动固有。

3.2.2FPS0响应特性浮式生产储存和卸油装置(FPS0)）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，波颊运动引起动态系泊力，在深水中由于更大的横向拖曳力，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艏摇及横荡的不稳定搏合，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。
FPS0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FPS0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FPS0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儿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；
不同方向上风产生的波浪、酒和海流组合；
由FTL和OOL引起的附加侧合效应；
多体之间可能产生水动力相互作用。
4浮体载荷模型
4.1概述
浮体运动通常可以细分为低频运动、波频运动及高频运动，波频及高频运动主要受无黏流体效应的控制，面低颊运动受黏性流体效应的影响相对显著。不同的水动力效应对各种浮式结构都很重要。需要在设计及计算中加以考虑。表2中概括了这些载荷效应，其中一些效应可以线性化并用于顿域计算，其他载荷效应由于其高非线性而仅能使用时城方法处理。与颜减分析相比，时域分析的优点是可以容易获得更高阶的载荷效应。此外，时域分析可以评估最大响应，无需参考响应分布假设。在该推荐做法中，仅对影响浮体整体运动及细长结构的水动力载荷加以考虑，波浪产生的甲板载荷、砰击载荷及甲板上浪载荷不在此考虑范围内。

4.2静力
结构重量和浮力平衡是水动力分析的起点，立管及系泊系统的预张力在一定程度上影响载荷平衡。通常这部分贡献很小，但对之后的水动力分析计算非常重要。大型浮体的浮力通过根据辐射/绕射理论建立的湿表面几何模型计算得到。对于包含莫里森单元的双重模型，计算机软件可以根据莫里森单元的实际位置和尺寸自动处理。若月池区城面积很大导致浮体水线面面积显著减少，则需要对月池做一些特殊考虑。气罐支锌立管系统的Sp中，使用硬舱底部或龙骨线位置密闭的模型将导致水线面刚度过高分析中采用正确的稳心高度(GMr,GM)与确定浮心位置同等重要。确定稳心高度时需要考虑潜在半载舱的自由液面影响。
作用于立管导向上的浮力罐反力引起的附加回复效应应予以考虑。假定在分析中通过直接有限元分析考虑了系泊觊和立管的刚度贡献。浮体的质量分布可以以总体质量矩库的形式或详细质量分布（如有限元模型）的形式输人。不同软件的输人坐标系不同，以重心或者水线面为参考点。横摇和纵摇的回转半径输人错误在计算机程序中较为常见，因此建立正确的参考坐标系非常重要。
4.3波浪力
4.3.1概述
浮体通常是大体积结构，因此受惯性主导。这意味着辐射/绕射分析需要用合适的分析工具进行。对诸如半潜平台和桁架Sr来说，除了辐射/绕射模型之外，也可能需要莫里森模型来计算细长构件/支架的载荷。
线性辐射/绕射分析通常是足够精确的。“线性指速度势与被幅成比例，并且考虑平均水线面附近具有均匀的湿表面积。分析给出了一阶激励力、流体静力、潜在的被浪阻尼、附加质量、刚体自由度一阶运动和二阶平均漂移力/力矩。平均波漂移力仅取决于一阶量，因此可以在线性分析中计算。需要选择多个波浪周期和方向，使运动、力/力矩尽可能地精确计算。对消、放大和共振效应应予以适当关注。与建模相关的网格划分模型原理应予以遵守：模型中面单元对角线长度应小于最小分析波长的16，几何（边缘、角落）突变区域的网格应精细划分：水线面附近网格要细化，以便精确计算波浪漂移激励力。

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