SPAR平臺(tái)主體海上安裝方案

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

SPAR平臺(tái)在位工況下吃水很深，通常會(huì)大于150 m，其裝船、海上運(yùn)輸、平臺(tái)主體安裝和上部模塊集成等方面都不同于其他形式平臺(tái)[1]。SPAR平臺(tái)主體海上安裝對(duì)于SPAR平臺(tái)而言是非常重要的一個(gè)安裝過(guò)程，安裝方案作為SPAR平臺(tái)建造過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)，其技術(shù)和施工具有較大難度。海上安裝方案的正確制定，對(duì)SPAR平臺(tái)的投產(chǎn)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。根據(jù)SPAR平臺(tái)主體海上安裝過(guò)程，將安裝方案分為三個(gè)階段，①段是浮卸方案，即平臺(tái)主體通過(guò)駁船運(yùn)輸?shù)筋A(yù)訂地點(diǎn)后下水，脫離駁船；②濕拖階段，即在平臺(tái)主體浮卸后浮于水面，在這種漂浮狀態(tài)下，用拖船將平臺(tái)主體拖至安裝位置；③扶正方案，即平臺(tái)主體濕拖到安裝位置后，對(duì)平臺(tái)主體進(jìn)行注水，使平臺(tái)主體在水面豎立起來(lái)，達(dá)到穩(wěn)定的豎立漂浮狀態(tài)[2]。針對(duì)三個(gè)階段分別制定相應(yīng)的安裝方案并對(duì)方案的可行性進(jìn)行分析，確保方案合理。

1 坐標(biāo)系定義

1.1 船體坐標(biāo)系及波浪方向

建立運(yùn)輸船坐標(biāo)系見(jiàn)圖1，坐標(biāo)系船艉方向?yàn)閄軸正向，右舷為Y軸正向，垂向向上為Z軸正向，原點(diǎn)位于基線。

圖1 運(yùn)輸船船體坐標(biāo)系示意

1.2 平臺(tái)主體坐標(biāo)系

SPAR平臺(tái)主體采用的坐標(biāo)系見(jiàn)圖2，SPAR平臺(tái)主體坐標(biāo)系原點(diǎn)位于軟艙底部基線中心處，SPAR硬艙頂部方向?yàn)閄軸正向。Z軸正向指向平臺(tái)北，Y軸正向?yàn)槠脚_(tái)東。

圖2 SPAR平臺(tái)主體坐標(biāo)系

2 方案分析

平臺(tái)主體基本參數(shù)見(jiàn)表1。

2.1 主體浮卸方案

平臺(tái)浮卸通常是在遮蔽的港灣進(jìn)行，水深要滿足浮卸操作的要求，并留有余地，但也不能過(guò)深，以免增加不必要的風(fēng)險(xiǎn)[3]。通常情況下，浮卸操作可假定在靜水狀態(tài)下進(jìn)行。根據(jù)運(yùn)輸船和SPAR平臺(tái)主體的尺寸大小不同，通?？梢杂腥N不同的浮卸方法，即直接浮卸法、帶翼艙浮卸法及加壓載箱浮卸法，通過(guò)計(jì)算，只有加壓載箱浮卸法適用于目標(biāo)平臺(tái)主體[4]。

表1 SPAR平臺(tái)主體參數(shù)

該方法需要在半潛船平行中體兩側(cè)增加浮箱，當(dāng)半潛船主甲板沒(méi)入水中以后，兩側(cè)的浮箱可以提供額外的浮力，根據(jù)初步計(jì)算，浮箱需要滿足以下尺寸要求，才能滿足穩(wěn)性要求。

1)半潛船7 m水線至主甲板(距船底13.3 m)之間平行中體段增加梯形浮箱，梯形浮箱的尺寸見(jiàn)圖3。

圖3 梯形浮箱的尺寸

2)半潛船主甲板至主甲板以上15 m之間增加矩形浮箱，矩形浮箱的尺寸見(jiàn)圖4。

圖4 矩形浮箱的尺寸

在實(shí)際的計(jì)算和操作中，半潛船側(cè)壓載箱可以認(rèn)為是半潛船的一部分，它們的結(jié)構(gòu)質(zhì)量被認(rèn)為是空船重量的一部分，同時(shí)可兼做壓載艙。

2.2 主體濕拖方案

在濕拖過(guò)程中，SPAR平臺(tái)主體水平放置，靠自身的硬艙及軟艙提供浮力漂浮在水中，并由拖輪拖曳航行至安裝海域，有時(shí)也會(huì)在軟艙上設(shè)置浮箱，以保證平臺(tái)的浮態(tài)[5]。一般情況下，Truss SPAR平臺(tái)的水平拖航速度為2～3 kn，有義波高為2.5～3.5 m。

由于SPAR平臺(tái)的外形較特殊，因此，SPAR平臺(tái)的濕拖有別于一般平臺(tái)或船舶的濕拖[6]。SPAR平臺(tái)水平漂浮于水面時(shí)，位于兩端的硬艙和軟艙提供浮力，中間部位的桁架及垂蕩板浮力很小，桁架結(jié)構(gòu)的剛度較小，使平臺(tái)在波浪下的整體彎扭效果顯著；垂蕩板及桁架位置受到的非線性波浪力作用明顯，拖曳力影響很大，垂蕩板還會(huì)受到波浪抨擊作用；在桁架結(jié)構(gòu)與硬艙、軟艙、垂蕩板的連接位置，應(yīng)力集中明顯。

2.3 主體扶正方案

扶正是SPAR平臺(tái)主體海上安裝過(guò)程中的重要一步[7]。主體扶正分成兩個(gè)壓載步驟：①使用注水槍向軟艙頂部的進(jìn)水孔注水；②將安裝輔助船壓載水輸送到SPAR平臺(tái)第一層的硬艙艙室。扶正過(guò)程是在海上進(jìn)行，在扶正前的拖航及定位準(zhǔn)備及扶正后的定位時(shí)需要考慮海上環(huán)境的作用[8]。

在軟艙注水階段,需要向軟艙的4個(gè)分艙注水，每個(gè)軟艙的分艙中都設(shè)有2個(gè)開(kāi)孔，作為注水和排氣的通道。軟艙的注水過(guò)程是依靠開(kāi)孔內(nèi)外的壓強(qiáng)差自動(dòng)完成的，通過(guò)打開(kāi)軟艙底部的開(kāi)孔來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)扶正過(guò)程。

當(dāng)軟艙的注水過(guò)程結(jié)束后，開(kāi)始向硬艙中注水。區(qū)別于軟艙注水，硬艙注水是通過(guò)水泵來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該過(guò)程由硬艙壓載艙分時(shí)注水系統(tǒng)來(lái)完成。

3 安裝過(guò)程

3.1 浮卸過(guò)程

穩(wěn)性分析。發(fā)現(xiàn)，半潛船吃水在14～15 m之間的時(shí)候其穩(wěn)性最為關(guān)鍵，此時(shí)半潛船主甲板已經(jīng)全部沒(méi)入水中，而SPAR平臺(tái)硬艙則仍處于水面之上，可以提供穩(wěn)性的有效水線面面積最小。計(jì)算過(guò)程首先選擇14 m吃水作為關(guān)鍵位置，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)嘗試最終形成的浮箱方案。在該方案的基礎(chǔ)上，將半潛船整個(gè)壓載下潛過(guò)程分為15個(gè)典型步驟，對(duì)每個(gè)步驟進(jìn)行的穩(wěn)性校核，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 船+SPAR浮卸分析穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果(貨載為24 369 Mt)

由表2可見(jiàn)，本浮卸方案中，半潛船下潛的所有步驟都滿足穩(wěn)性要求，值得注意的是半潛船在13～16 m吃水之間的穩(wěn)性比較關(guān)鍵。因此,仍然考慮2°的縱傾來(lái)增加半潛船的穩(wěn)性，當(dāng)吃水大于16 m時(shí)，逐漸減小縱傾角，從而減小對(duì)壓載的要求。

3.2 濕拖過(guò)程分析

計(jì)算表明，平臺(tái)主體吃水需保證大于或等于11 m才能滿足穩(wěn)性要求。因此，選擇11 m作為SPAR平臺(tái)主體濕拖的設(shè)計(jì)吃水，SPAR主體濕拖分析計(jì)算模型見(jiàn)圖5。

圖5 SPAR主體濕拖分析模型

SPAR平臺(tái)主體濕拖過(guò)程穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)6，計(jì)算得GM=0.12，滿足穩(wěn)性的要求。

圖6 平臺(tái)主體濕拖穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果

3.3 扶正過(guò)程分析

SPAR平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)是扶正過(guò)程中的主要關(guān)注點(diǎn)之一，其關(guān)系著扶正過(guò)程的成敗和安全。在對(duì)扶正過(guò)程計(jì)算中，需結(jié)合注水流程,動(dòng)態(tài)模擬壓載艙的注水過(guò)程，計(jì)算SPAR平臺(tái)在每個(gè)特定壓載時(shí)刻下的浮態(tài)，將每個(gè)壓載情況下的縱傾角連接起來(lái)，即得到扶正過(guò)程中平臺(tái)縱搖角的變化曲線[9]。扶正分析以濕拖載況為初始條件。然后開(kāi)始對(duì)軟艙和硬艙進(jìn)行壓載。在每一步，對(duì)壓載艙壓一定的壓載，然后計(jì)算主體的平衡位置，由程序計(jì)算得到主體的彎距及剪力。SPAR平臺(tái)主體的運(yùn)動(dòng)及穩(wěn)性分析模型見(jiàn)圖7。平臺(tái)主體在扶正過(guò)程當(dāng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡見(jiàn)圖8。

圖7 SPAR平臺(tái)主體的MOSES計(jì)算模型

對(duì)于SPAR平臺(tái)主體的扶正過(guò)程，具體分析步驟數(shù)目可根據(jù)實(shí)際過(guò)程進(jìn)行選擇，通常15～20步可較好涵蓋和體現(xiàn)主體的扶正過(guò)程，本文中，將主體扶正過(guò)程分為20步進(jìn)行分析。

圖8 SPAR平臺(tái)主體扶正過(guò)程運(yùn)動(dòng)軌跡

圖9至圖10給出了SPAR平臺(tái)主體扶正過(guò)程中所受到的剪力和彎矩，從表中可以清晰看出，主體由水平到豎直過(guò)程中，步驟1～9，剪力和彎矩的變化不明顯，步驟10～14主體受到的彎矩和剪力在所有步驟當(dāng)中最大，其中最大剪力發(fā)生在步驟13，最大彎矩發(fā)生在步驟12，因?yàn)榇藭r(shí)SPAR平臺(tái)縱傾角較大，由于壓載的原因硬艙受到的重力和浮力分配不均。從步驟15～20，主體逐漸進(jìn)入垂直狀態(tài)，主體收到的彎矩和剪力逐漸減小直至可以忽略。

圖9 SPAR主體扶正過(guò)程中所受的剪力

圖10 SPAR主體扶正過(guò)程中所受的彎矩

4 結(jié)論

1)對(duì)于浮卸方案，目標(biāo)平臺(tái)最適合的方案是加壓載箱，對(duì)于不同平臺(tái)的浮卸方案還要進(jìn)行具體分析。

2)在剛開(kāi)始扶正的9個(gè)步驟和快要結(jié)束扶正過(guò)程的5個(gè)步驟中，彎矩和剪力非常小，平臺(tái)主體安全；但是中間的5個(gè)步驟彎矩和剪力較大，需要時(shí)刻關(guān)注其變化是否在平臺(tái)主體可承受范圍內(nèi)，如有需要，應(yīng)對(duì)最大剪力和最大彎矩情進(jìn)行進(jìn)一步分析。