DNV-RP-N103: 海工作业建模与分析

什么是 DNV-RP-N103？

DNV 发布的这项推荐实践（RP）题为 《海工作业建模与分析》。它最初以 DNV-RP-H103的编号发布，首版为 2009年四月 ，最后一版为 2014年二月；随后于 2017年七月 由 DNVGL-RP-N103取代。那次修订更改了文件编号、公司名称和引用文件。DNV 于2021年更名后，文件编号变为 DNV-RP-N103，并于 2021年九月修订。检索结果和早期吊装方案仍会引用 RP-H103；本页讨论的方法见于两者。

DNV 在其 RP-N103 页面列出现行版本。全文收录于 DNV 的 Rules and Standards Explorer，访问需要免费的 Veracity 账户和付费的 Explorer+ 订阅；目录和第一节可免费查看，DNV 还提供一次性的14天试用。旧版 DNV-RP-H103 可在 DNV 历史文件档案中免费获取 PDF，可用于了解背景；项目应采用其设计依据指定的版本。

涵盖内容

该推荐实践的主要章节如下，编号与原文一致（第1节为引言）：

1. 一般分析方法。 波浪与波浪谱，以及波浪作用于大型和小型结构的载荷。
2. 穿越波浪区的吊装：一般方法。 涵盖物体穿越水面时的载荷、水动力系数、计算方法、月池吊装和稳性。
3. 穿越波浪区的吊装：简化方法。 涵盖静重、水动力、吊索松弛判据、承载能力校核及冲击载荷。大多数浪溅区吊装校核从这一部分入手。
4. 深水下放。 涵盖缆绳受力、下放系统的固有周期与共振、缆绳松弛、升沉补偿及纤维绳。
5. 海床着陆与回收。 涵盖着陆冲击、裙板贯入、吸力安装与调平，以及基础回收。
6. 拖航。 水面拖航和水下拖航。
7. 天气标准与作业可用性。 涵盖预报不确定性、可作业性和持续时间统计。
8. 吊装作业。 涵盖轻型与重型吊装、吊臂端点运动、船舶间耦合，以及从驳船甲板起吊。

附录给出了常见形状的附加质量系数、阻力系数及物理常数。其中大多数阻力系数适用于稳态流动。在波浪区，该推荐实践采用振荡流条件下的数值，通常高出两到三倍；若无 CFD 或模型试验，则对典型水下结构规定 C_D \ge 2.5 。我们的 水下吊装 文章介绍阻力和附加质量如何随形状及速度变化。

浪溅区吊装的简化方法

第4节利用少量特征值，而非完整仿真，对穿越波浪区下放的物体进行初步、偏保守的估算。它假定物体相对于波长较小、随吊臂端点运动且无共振放大，并且物体与水之间以竖向相对运动为主。以下章节编号均出自该推荐实践。

静重（4.2）。 根据空气中的质量和排水体积计算水中重量：

若物体浸没后进水，应分别取最小值和最大值。吊索松弛校核采用最小值；承载能力校核采用最大值。

波浪周期（4.3.2）。 分析应覆盖以下范围的上跨零点周期：

其中，设计有效波高为 H_s。该推荐实践还给出一种不依赖周期的波浪运动学替代方法，但仅适用于 T_z \ge 10.6 \sqrt{H_s / g}；分析时应选择其中一种方法。

相对速度。 吊钩下放速度 v_c, 通常为0.5 m/s，与合成吊臂端点速度 v_{ct} 及水质点速度 v_w, 相加；该方法认为后两者相互独立：

力的分量（4.3.5至4.3.8）。 物体穿越水面时受到四种力（图1）：物体入水部分受到的砰击力，随冲击速度的平方增大；与相对速度平方相关的阻力；质量力，其中包括随吊臂端点加速的物体质量与附加质量， (M + A_{33})\, a_{ct}, 以及随波浪加速的排水质量与附加质量， (\rho V + A_{33})\, a_w; 还有随物体与水面的相对升降而变化的浮力， \rho g\, \delta V。

砰击力与阻力同相，质量力与变化的浮力相差180°，因此该方法按式（4.3.9）合成：

物体所受特征总力为式（4.4.2）：

对于线轴等长形物体，各吊索承受的载荷不同，需要比此方法更精细的分析。

吊索松弛与冲击载荷

如果向上的水动力大于物体重量产生的向下力，吊索就会松弛，并在片刻后突然重新绷紧。简化方法通过吊索松弛判据（4.4.3）避免这种情况：

这相当于相对于吊索开始松弛留有10 %的裕量。校核采用最小静重和向上的水动力，并据此确定吊装天气标准。

如果无法避免冲击载荷，该推荐实践按式（4.7），根据冲击速度和起升系统刚度 K 、物体质量及其升沉附加质量，计算载荷大小：

此时总力为 F_{\text{static}} + F_{\text{snap}}. 同一公式也适用于从运动甲板起吊时的冲击。

对于承载能力校核（4.4.4），该推荐实践取采用最大静重计算的较大总力，即 F_{\text{static,max}} + F_{\text{hyd}} 或 F_{\text{static,max}} + F_{\text{snap}}，并将其换算为相对于空气中重量的系数，以用于吊装标准：

我们的 动力放大系数 文章更详细地解释冲击载荷与 DAF。

升沉补偿器在何处起作用

在简化方法中，升沉补偿器作为软弹簧计入起升系统刚度 K （4.3.3.4），从而降低冲击载荷。较低的刚度也会延长起升系统的固有周期：

其中， m L 是起升钢丝绳的质量， \theta 是表示其影响的系数。因此，该推荐实践在校核共振风险时也以相同方式计入补偿器。共振放大本身超出简化方法的范围；该方法也不计入补偿器对传递至物体的运动的削减。两者都需要时域分析。

该推荐实践还规定一项限制（4.7.7）：被动补偿器不得耗尽行程，否则可能造成极大的峰值载荷及起升系统失效。每种载荷工况都应校核可用行程，所用平衡位置须考虑静重从空气到水中的变化、回收时夹带的水，以及适用时作用于活塞的水压。

超出简化方法的分析

当简化方法表明存在冲击载荷风险、物体相对于波浪较大，或吊装接近共振时，该推荐实践指向更精确的方法（第3节）：规则设计波法、不规则波时域分析，以及用于局部流动的 CFD。时域模型跟踪整个吊装过程，包括钢丝绳、索具和任何升沉补偿器，并输出张力、运动和行程的时间序列。补偿器对物体运动的削减正是在这类分析中计入的； CONSTELLATION 也采用这种方法。

如何用 RP-N103 指导升沉补偿器选型

分析得到载荷和运动，据此确定升沉补偿器的参数：

该推荐实践在第5.4节还将被动补偿器建模为设在吊臂端点、钢丝绳上方的弹簧和阻尼器，并用效率评价： e = 1 – |G(\omega)|, 其中， G(\omega) 是物体运动幅值与补偿器上端运动幅值之比。 DNV-RP-N202是 DNV 关于升沉补偿系统的推荐实践（版本 2024-06），适用于项目指定采用该文件的补偿器本身。我们的 被动升沉补偿 文章介绍行程和气体体积如何决定响应。