桁架式SPAR平臺(tái)建造方案

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

目前世界上常用的深水生產(chǎn)裝備有FPSO、半潛式生產(chǎn)平臺(tái)、SPAR、TLP等[1-2]。相對(duì)于其他深水浮式生產(chǎn)平臺(tái)，SPAR平臺(tái)具有穩(wěn)性好、運(yùn)動(dòng)性能更優(yōu)的特點(diǎn)，在惡劣海洋環(huán)境條件下SPAR平臺(tái)的安全性具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)[3-5]。到目前為止，我國(guó)的船廠都未開(kāi)展過(guò)SPAR平臺(tái)的建造工作，在SPAR建造方案的研究上仍處于空白階段。SPAR平臺(tái)的建造研究必須結(jié)合船廠的具體情況來(lái)分析，不同的場(chǎng)地設(shè)施條件，決定了不同的建造方案[6]。為了突破SPAR平臺(tái)建造領(lǐng)域的技術(shù)難點(diǎn)，根據(jù)上海外高橋造船有限公司的場(chǎng)地設(shè)施條件，以一桁架式SPAR平臺(tái)為研究對(duì)象，針對(duì)SPAR平臺(tái)不同結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，依據(jù)平臺(tái)海上安裝的要求，將目標(biāo)平臺(tái)分為上部模塊和平臺(tái)主體進(jìn)行建造，制定一套適合于外高橋船廠的桁架式SPAR合理建造方案。

1 基本參數(shù)信息

1.1 SPAR平臺(tái)參數(shù)

目標(biāo)SPAR平臺(tái)上部模塊設(shè)計(jì)為3層，最下層甲板與中間生產(chǎn)甲板間距10 m，而中間生產(chǎn)甲板與上層鉆井甲板的間距則為11 m。三層甲板中，中間生產(chǎn)甲板與上層鉆井甲板的形狀是較為規(guī)整的矩形，而最下層甲板的形狀非常不規(guī)則，并且長(zhǎng)度方向和寬度方向的跨度很大。

目標(biāo)桁架式SPAR平臺(tái)主體分為硬艙、桁架區(qū)域和軟艙三部分，其中桁架區(qū)域一般包括由撐桿構(gòu)成的桁架結(jié)構(gòu)和垂蕩板[7]。硬艙為封閉式圓柱體鋼結(jié)構(gòu)，位于主體的上部，中間設(shè)有4層甲板。在硬艙的外殼上，還設(shè)有3列螺旋側(cè)板，螺旋側(cè)板沿硬艙長(zhǎng)度方向以螺旋狀遍布。平臺(tái)主體在桁架以下的部分稱為軟艙，位于SPAR平臺(tái)的最底部。目標(biāo)平臺(tái)主尺度見(jiàn)表1。

表1 桁架式SPAR平臺(tái)主尺度

1.2 場(chǎng)地和設(shè)施參數(shù)

由于SPAR平臺(tái)需要在海上安裝，考慮運(yùn)輸安裝的方式，以及上海外高橋造船有限公司的場(chǎng)地和設(shè)施條件，兼顧平臺(tái)主體和上部模塊同時(shí)施工，減少建造周期，減低建造成本，提高經(jīng)濟(jì)效益等目的，同時(shí)綜合考慮SPAR平臺(tái)主體長(zhǎng)度，選擇2號(hào)平臺(tái)作為平臺(tái)主體的建造場(chǎng)地，選擇1號(hào)平臺(tái)作為上部模塊的建造場(chǎng)地，布置圖見(jiàn)圖1。2號(hào)平臺(tái)位于1號(hào)塢前側(cè)，1號(hào)平臺(tái)則在1號(hào)塢一側(cè)，2個(gè)平臺(tái)配置共用2臺(tái)600 t龍門吊。

圖1 建造場(chǎng)地布置示意

2 上部模塊建造方案

考慮到SPAR平臺(tái)上部模塊具有分塊吊裝和雙船浮托安裝兩種海上安裝方案，因此，所制定的上部模塊建造方案具有一定的適用性，能夠滿足兩種海上安裝方案的要求。

目標(biāo)平臺(tái)的上部模塊為傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，因此，采用傳統(tǒng)的分段建造，在平臺(tái)上進(jìn)行合攏[8-9]。主要的建造順序?yàn)椋翰捎米韵露系拇钶d順序，先最下層甲板，然后最下層甲板與中間生產(chǎn)甲板間的橫向和縱向桁架結(jié)構(gòu)、中間生產(chǎn)甲板、最中間生產(chǎn)甲板與上層鉆井甲板間的橫向和縱向桁架結(jié)構(gòu)、上層鉆井甲板、生活樓和直升機(jī)平臺(tái)依次進(jìn)行搭載合攏，每個(gè)分段在搭載前達(dá)到最大的預(yù)舾裝效果，最終完成整個(gè)結(jié)構(gòu)建造過(guò)程。

2.1 分段劃分方案

根據(jù)上部模塊的主尺度、功能形式和總體布置結(jié)合船廠的實(shí)際情況，把SPAR平臺(tái)上部模塊結(jié)構(gòu)劃分為最下層甲板區(qū)域、中間生產(chǎn)甲板和上層鉆井甲板區(qū)域、生活樓區(qū)域和直升機(jī)平臺(tái)區(qū)域等3個(gè)區(qū)域，共分為3個(gè)總段，48個(gè)分段。

最下層甲板區(qū)域根據(jù)其上設(shè)備布置，考慮到公司分段流轉(zhuǎn)最大長(zhǎng)度為20 m，結(jié)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，此區(qū)域單獨(dú)作為一個(gè)總段，為80A，該總段包括20個(gè)分段，具體見(jiàn)圖2。最下層甲板分段為定位總段，其中與上部模塊跟平臺(tái)主體連接立柱相連的4個(gè)分段，即分段824、825、833、834，為定位分段。

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)，將上部模塊的中間生產(chǎn)甲板和上層鉆井甲板劃分為一個(gè)總段，為81A，該總段包括22個(gè)分段，具體劃分見(jiàn)圖3。

生活樓區(qū)域和直升機(jī)平臺(tái)分為總段90A，包含6個(gè)分段，其中906分段為直升機(jī)平臺(tái)，其余分段為生活樓區(qū)域，具體劃分見(jiàn)圖4。

圖2 最下層甲板分段總段劃分

圖3 中間生產(chǎn)甲板分段總段劃分

圖4 生活樓和直升機(jī)平臺(tái)區(qū)域分段總段劃分

2.2 搭載網(wǎng)絡(luò)圖

首先在平臺(tái)內(nèi)進(jìn)行定位測(cè)量，在平臺(tái)底上繪制格子線，根據(jù)工裝件布置圖布置相應(yīng)滑軌和工裝件，將定位分段824、825和833、834吊放到指定的位置，保證上部模塊與船體支墩位置精度，完成定位檢驗(yàn)后，逐次吊裝搭載其它分段/總段。

上部模塊各區(qū)域分段/總段的合攏、總組及搭載順序清晰地顯示在上部模塊搭載網(wǎng)絡(luò)示意圖中，見(jiàn)圖5。

圖5 上部模塊搭載網(wǎng)路

3 平臺(tái)主體建造方案

3.1 分段總段劃分方案

SPAR平臺(tái)總長(zhǎng)195 m，其中硬艙長(zhǎng)95 m，軟艙長(zhǎng)10 m，桁架結(jié)構(gòu)長(zhǎng)90 m。硬艙為圓筒形結(jié)構(gòu)，直接39.6 m，軟艙為常規(guī)多層方形結(jié)構(gòu)，為39.6 m×39.6 m的方形結(jié)構(gòu)。分段總段劃分時(shí)除了考慮平臺(tái)尺寸、結(jié)構(gòu)本身的限制外，還需考慮建造場(chǎng)地本身尺寸及其起重能力等的制約。

由于硬艙結(jié)構(gòu)為圓筒形，分為5層，以圓心基本成中心對(duì)稱，根據(jù)實(shí)際建造場(chǎng)地的起重能力及場(chǎng)地布置進(jìn)行分段、總段劃分。整個(gè)硬艙分將為五個(gè)環(huán)段，依次為H1、H2、H3、H4和H5，其中H5的環(huán)段長(zhǎng)度為17 m，其余H1至H4的環(huán)段長(zhǎng)度均為19.5 m。每個(gè)環(huán)段再大約根據(jù)矩形中央井口對(duì)角線的位置，對(duì)稱的分為4個(gè)總段，共劃分為20個(gè)總段，每個(gè)總段再根據(jù)其對(duì)稱性劃分為2個(gè)建造用的分段，共40個(gè)分段。

目標(biāo)SPAR平臺(tái)的桁架結(jié)構(gòu)區(qū)域主要由3段管狀桁架結(jié)構(gòu)和兩層垂蕩板結(jié)構(gòu)組合而成。考慮到管子桁架結(jié)構(gòu)的建造特殊性及垂蕩板結(jié)構(gòu)的整體性，可考慮將其分成5大部分，包括三部分管架結(jié)構(gòu)和2個(gè)垂蕩板總段(32A和32B)。每個(gè)垂蕩板總段根據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，均分為4個(gè)分段，因此，垂蕩板總段共分為8個(gè)分段。上層垂蕩板總段采用反態(tài)建造，整體翻身后總組的模式，下層垂蕩板總段采用正態(tài)建造，有利于提高建造精度。而管狀桁架結(jié)構(gòu)可采用局部拼裝成大組立，最后散裝的形式。

軟艙結(jié)構(gòu)屬于常規(guī)的箱體結(jié)構(gòu)。將其按水平高度劃分為2層，每層分為2個(gè)總段和2個(gè)分段，即軟艙共劃分4個(gè)總段和4個(gè)分段。由于軟艙中部為中央井口，因此，每個(gè)總段根據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，再劃分為3個(gè)分段，共計(jì)6個(gè)分段，也就是軟艙區(qū)域共劃分為16個(gè)分段。底層總段22A正態(tài)建造，上層總段22B反態(tài)建造，總組之后翻身。軟艙結(jié)構(gòu)重量為約1 500 t，劃分為分段后每個(gè)分段約100 t。尺寸在20 m以下，可以選擇的建造場(chǎng)地非常多，便于施工，同時(shí)也便于后期的總組。

3.2 硬艙建造方案

SPAR平臺(tái)硬艙外形為圓筒形，因此硬艙的外殼存在一定的弧度，由于硬艙外殼弧度為360°，所以硬艙分段曲率的大小完全取決于硬艙直徑的大小，目標(biāo)SPAR平臺(tái)由于直徑較大，因此硬艙外殼曲率相對(duì)較小，在制作硬艙分段時(shí)更易于建造[10]。

硬艙分段建造中，以模板胎架為建造基礎(chǔ)，將圓弧形外板作為基面進(jìn)行側(cè)向建造，水平隔板及平臺(tái)分組立安裝至外板上，待裝焊完畢后，整體翻身，放置于普通胎架上，完成外板上舾裝件的安裝。然后，用平板車將分段運(yùn)輸至二號(hào)平臺(tái)旁邊的開(kāi)闊場(chǎng)地進(jìn)行分段總組，總組后的總段將吊裝到2號(hào)平臺(tái)搭載為大型環(huán)段，為了保證總段的曲率精度要求，總組過(guò)程也是在模板胎架上完成。

分段建造完成后，將運(yùn)輸至2號(hào)平臺(tái)旁的空曠場(chǎng)地進(jìn)行總組，硬艙分段總組也需在胎架上進(jìn)行，硬艙分段和部分軟艙分段都是在此時(shí)總組為總段，然后等待進(jìn)行總段搭載，見(jiàn)圖6。

圖6 硬艙總段示意

在總組過(guò)程中，軟艙分段不僅完成了總段組裝，也對(duì)軟艙2層同一位置的分段、總段進(jìn)行了總組，使得在最后的搭載過(guò)程中，軟艙只需進(jìn)行1層搭載，減少了搭載次數(shù)，同時(shí)也減小了建造精度控制的難度。

3.3 桁架區(qū)域建造方案

桁架區(qū)域結(jié)構(gòu)包括垂蕩板和管子桁架結(jié)構(gòu)，這屬于兩種截然不同的結(jié)構(gòu)類型，因此，建造方案應(yīng)根據(jù)他們自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和建造的精度要求等情況而有所變化。

3.3.1 垂蕩板建造方案

垂蕩板分段為典型平面片體，與普通海工平臺(tái)的分段相比，并沒(méi)有什么更高的建造要求。垂蕩板分段以垂蕩板為基面建造，考慮到垂蕩板安裝在兩層管子桁架結(jié)構(gòu)中間，所以在分段建造時(shí)，垂蕩板上結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的一面向上。分段完成后，運(yùn)輸至總組區(qū)域進(jìn)行總組，最后總組成一個(gè)整體垂蕩板總段。

3.3.2 桁架結(jié)構(gòu)建造方案

桁架區(qū)域的支撐管均采用鋼板卷制后焊接而成的形式。將每層桁架結(jié)構(gòu)劃分為4個(gè)小型片體和4個(gè)垂直支撐管，每個(gè)片體由單個(gè)鋼管焊接而成。焊接過(guò)程中，需要控制鋼管的圓度及外徑尺寸，同時(shí)重點(diǎn)關(guān)注管子整體的直線度。

為了保證桁架區(qū)域的建造精度滿足要求，完成后的片體在分段階段不再進(jìn)一步組合，待搭載階段再按照一定的搭載順序散裝，見(jiàn)圖7，以此方案完成每層桁架結(jié)構(gòu)的搭載。

圖7 管狀桁架拼接示意

3.4 軟艙建造方案

軟艙結(jié)構(gòu)分段、總段劃分方案充分考慮到根據(jù)外高橋起吊能力來(lái)制定的搭載方案，每個(gè)分段均為常規(guī)的板架結(jié)構(gòu)，建造及施工過(guò)程中并無(wú)特殊的難點(diǎn)。建造過(guò)程中，每個(gè)分段均以各自的地面平臺(tái)或者甲板平臺(tái)為基面進(jìn)行建造，而后安裝相應(yīng)的舾裝件，分段建造完畢后，需要總組為總段的分段進(jìn)行總組，為下一步的搭載做好準(zhǔn)備。

軟艙建造中，需重點(diǎn)關(guān)注軟艙與桁架區(qū)域支撐圓管相接的接頭結(jié)構(gòu)建造精度，此精度將影響后續(xù)的分段、總段搭載過(guò)程。

4 平臺(tái)主體合攏方案

硬艙環(huán)段由4個(gè)總段搭載而成，首先將最下方分段作為定位總段，然后吊裝左右兩側(cè)的總段，待搭載完成后，最后進(jìn)行上部總段的吊裝。硬艙總段搭載為環(huán)段的過(guò)程根據(jù)龍門吊的使用情況，采用2個(gè)環(huán)段同時(shí)搭載方案，這樣可以最大限度的節(jié)省建造時(shí)間。待硬艙環(huán)段搭載完成后，通過(guò)滑靴滑動(dòng)將2個(gè)環(huán)段合攏。環(huán)段滑移合攏過(guò)程中，垂蕩板便可在2平臺(tái)限制區(qū)域進(jìn)行組裝。

硬艙合攏后，進(jìn)行桁架區(qū)域結(jié)構(gòu)的安裝，垂蕩板采用整片吊裝，桁架結(jié)構(gòu)采用散裝的形式。為了保證桁架結(jié)構(gòu)管位置能夠較為精準(zhǔn)的對(duì)接到硬艙和垂蕩板的對(duì)應(yīng)位置。先將垂蕩板整片吊裝到相應(yīng)的位置；然后用工裝件固定，吊鉤不松開(kāi)，保持吊裝狀態(tài)；其后進(jìn)行第一節(jié)桁架結(jié)構(gòu)側(cè)方最下層2根主支撐管的安裝，第三步進(jìn)行2根支撐管中間的交叉十字斜支撐管的安裝，第四步安裝兩側(cè)的交叉十字斜支撐管，第五步進(jìn)行最上側(cè)的一根主支撐管的安裝，然后將最上側(cè)的交叉十字斜支撐管安裝就位，最后安裝最上側(cè)剩余的一根主支撐管，待這層所有的桁架結(jié)構(gòu)安裝完畢后，解開(kāi)垂蕩板上的吊鉤。第二節(jié)和第三節(jié)桁架結(jié)構(gòu)和第二個(gè)垂蕩板的安裝方案與第一節(jié)桁架結(jié)構(gòu)和第一節(jié)垂蕩板的安裝方案相同。

在整個(gè)桁架結(jié)構(gòu)區(qū)域安裝完成后進(jìn)行，首先進(jìn)行大總段23A+23B的吊裝安裝，然后進(jìn)行總段241+242和251+252的安裝，最后進(jìn)行22A+22B的安裝。軟艙安裝的結(jié)束宣告整個(gè)SPAR平臺(tái)主體完成合攏，合攏方案見(jiàn)圖8。

圖8 平臺(tái)主體合攏方案

目標(biāo)SPAR平臺(tái)主體合攏后，進(jìn)行螺旋側(cè)板的安裝。整條螺旋側(cè)板具有一定的曲率，整體建造施工十分困難，曲率精度和與硬艙相接位置的精度難以保證，因此建造時(shí)，將螺旋側(cè)板分為若干個(gè)小分段，小分段包括螺旋側(cè)板及其支撐結(jié)構(gòu)，這樣設(shè)計(jì)便于建造施工。由于在硬艙分段和總段建造過(guò)程中，分段和總段上螺旋側(cè)板安裝的精準(zhǔn)定位較為困難，所以整個(gè)硬艙上的螺旋側(cè)板小分段都在平臺(tái)主體合攏后進(jìn)行安裝。由于螺旋側(cè)板遍布SPAR平臺(tái)硬艙，而SPAR平臺(tái)是側(cè)放在船臺(tái)上建造，因此，硬艙下方位置的螺旋側(cè)板因?yàn)楣ぱb件原因并不進(jìn)行安裝，該位置的螺旋側(cè)板將在海上進(jìn)行安裝。

5 結(jié)論

1)根據(jù)上部模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，梳理其建造的順序并確定了結(jié)構(gòu)分段劃分。本文中所制定的上部模塊分段劃分方案是在考慮上部模塊兩種海上安裝方案的基礎(chǔ)上完成的。因此，該分段劃分方案能夠兼顧上部模塊兩種海上安裝方案，具有較大的靈活性和適用性。

2)對(duì)SPAR平臺(tái)主體的建造方案和分段劃分等建造中的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行分析，形成了總體建造方案，雖然此建造方案是根據(jù)上海外高橋船廠場(chǎng)地設(shè)施條件制定的，但是仍具有一定的通用性。

3)針對(duì)SPAR平臺(tái)不同位置結(jié)構(gòu)的特性，相應(yīng)的建造方案也有所不同，建造方案應(yīng)適應(yīng)結(jié)構(gòu)型式的不同，最終確定適合于外高橋船廠的平臺(tái)主體合攏方案，該合攏方案具有一定的通用性，并可在最大限度上利用場(chǎng)地設(shè)施，將建造效率最大化。