一種新型Spar平臺結(jié)構(gòu)方案設計

李 騫，趙 淼，張 鷺

（南通理工學院，江蘇南通 226002）

0 引言

由于近海資源的日益枯竭，人類將向更深更遠的海洋進軍。全球深海裝備技術正在蓬勃發(fā)展，技術創(chuàng)新層出不窮，作業(yè)水深更加深遠。我國積極推進深海開發(fā)技術，深海油氣開發(fā)裝備技術水平不斷提高，自主設計建造新型深海油氣開發(fā)裝備的能力不斷增強。我國南海蘊藏豐富的深海油氣資源，發(fā)展適合南海油氣資源開發(fā)的裝配勢在必行。Spar平臺以其良好的自穩(wěn)性等優(yōu)勢在深海油氣開發(fā)中應用較多，且一直保持良好的作業(yè)記錄，將來可作為南海油氣開發(fā)的主力浮式結(jié)構(gòu)［1］。

現(xiàn)有的Spar平臺只能固定式地適應一種深度的油氣開采，并在移動時需借助于拖船拖行，中間程序煩瑣效率低，需消耗大量人力物力。為了充分利用我國南海油氣開發(fā)的優(yōu)勢，保證開采的油氣能夠及時地存儲及運轉(zhuǎn)，需要克服以往Spar平臺結(jié)構(gòu)和功能上的局限性，設計一種新型Spar平臺。該新型Spar平臺不僅要具備已有Spar平臺的優(yōu)勢，而且能夠在海洋中不需要拖船拖動的情況下實現(xiàn)自航。所以，本文首先分析Spar平臺的結(jié)構(gòu)特點，取其精華，然后結(jié)合自航功能需求，設計出一種新型Spar平臺結(jié)構(gòu)方案。

1 Spar平臺結(jié)構(gòu)分析

國際上Spar平臺已發(fā)展了三代，分別為：傳統(tǒng)式Spar平臺、桁架式Spar平臺和多柱式Spar平臺。

傳統(tǒng)式Spar平臺的結(jié)構(gòu)由頂部模塊、主體結(jié)構(gòu)、立管及系泊系統(tǒng)組成。該種平臺的主要特征是主體結(jié)構(gòu)為封閉式單圓柱筒形結(jié)構(gòu)，體型巨大［2］。主體結(jié)構(gòu)分為硬艙、中段結(jié)構(gòu)和軟艙3個部分。硬艙位于主體的上部，是整個平臺系統(tǒng)的主要浮力來源，中央位置有正方形的開口，貫穿整個平臺主體，作為立管作業(yè)的中央井。中段結(jié)構(gòu)具有儲油功能。軟艙內(nèi)置壓載可降低平臺重心，使平臺具有自穩(wěn)性［1］。傳統(tǒng)式Spar平臺如圖1所示。

桁架式Spar平臺的硬艙結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)式Spar平臺結(jié)構(gòu)大致相同，是平臺浮力的主要來源。但是，桁架式Spar平臺中段結(jié)構(gòu)采用空間桁架結(jié)構(gòu)，代替原來的中段圓柱結(jié)構(gòu)，桁架上下設置多層垂蕩板［3］。桁架結(jié)構(gòu)減小了水平方向的運動，垂蕩板的設置減少了與波浪頻率發(fā)生共振的可能性，改善了平臺垂向運動性能［1］。桁架式Spar平臺如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)Spar平臺

圖2 桁架式Spar平臺

多柱式Spar平臺的特點是采用多個小直徑圓柱組合的主體結(jié)構(gòu)，代替了原先采用的大直徑但圓柱的主體結(jié)構(gòu)［1］。主要優(yōu)點有：結(jié)構(gòu)更輕，降低了運輸和安裝成本；降低了建造難度；結(jié)構(gòu)更為簡潔；具有更好的靈活性。多柱式Spar平臺如圖3所示。

2 新型Spar平臺結(jié)構(gòu)總體方案

2.1 新型Spar平臺結(jié)構(gòu)初步方案

圖3 多柱式Spar平臺

通過對Spar結(jié)構(gòu)特點的分析，發(fā)現(xiàn)桁架式Spar平臺和多柱式Spar平臺的發(fā)展較為成熟，結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢比較突出。如果將桁架式Spar平臺的桁架結(jié)構(gòu)與多柱式Spar平臺多柱型主體結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，應用到新型Spar平臺的結(jié)構(gòu)中，那么新型Spar平臺將會同時具備兩種優(yōu)勢。所以，將新型Spar平臺結(jié)構(gòu)初步方案設計為：多柱-桁架式Spar平臺。即從上至下依次為：工作甲板、中央井及其四周設置若干個立柱、桁架結(jié)構(gòu)以及多層水平垂蕩板、軟艙。

工作甲板可為單層或多層的階梯狀結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)不同的工作情景需要。

中央井四周的若干柱體作為主要的浮體，提供平臺所需的大部分浮力。

桁架結(jié)構(gòu)中間穿插有垂蕩板，其為空心結(jié)構(gòu)，與立柱相垂，在遇到特殊海況時可盡量減小平臺晃動。相鄰垂蕩板之間通過垂直撐桿支撐。垂蕩板和垂直撐桿兩者能夠起到更好的阻尼作用，最大限度地減小平臺的垂蕩運動［4］。

軟艙部分處于平臺的最下方，上方開孔，供采油井及運輸管道穿過。同時，設置有固定壓載艙，增加平臺重量，為平臺增加穩(wěn)性，增強高平臺的抗浪性能，使平臺可以更加平穩(wěn)地懸浮于海水中［3］。

立柱底端垂蕩板上設有系泊纜，該系泊纜的另一端與海底的錨基連接。

2.2 新型Spar平臺結(jié)構(gòu)方案完善

再考慮到該新型Spar平臺還需要滿足自航功能需求，眾多周知，自航功能需要依靠推進系統(tǒng)來實現(xiàn)，那么推進系統(tǒng)的設置將是首先需要突破的難關。首先，推進系統(tǒng)需要承載裝置，考慮在若干立柱的四周套設一個移動平臺，移動平臺上設置可轉(zhuǎn)動的螺旋槳，以實現(xiàn)航行功能。另外，為了適應不同海域水深的變化，該移動平臺需要具備上下移動的功能，以實現(xiàn)高度的調(diào)節(jié)，也能提供穩(wěn)定性。所以，考慮在移動平臺與立柱的接觸面間設有驅(qū)動該移動平臺上下移動的行走機構(gòu)。設有升降推進系統(tǒng)的新型Spar平臺三維結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 新型Spar平臺三維結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)移動平臺上下移動功能而設置的行走機構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較復雜，主要由滑軌、行走齒條、電機等組合成。各個裝置的設置初步方案如下：首先，考慮在每個立柱的側(cè)面設置滑軌，并以該滑軌為對稱軸在移動平臺上設置行走齒輪和為行走齒輪的運行提供動力的電機。并且，滑軌上設置與行走齒輪相咬合的齒條，通過電機的正向和反向運作，行走齒輪和滑軌配個，實現(xiàn)行走齒輪的上下移動，從而帶動移動平臺的上下移動。移動平臺及其行走裝置如圖5所示。

3 新型Spar平臺結(jié)構(gòu)特點

新型Spar平臺是一種適用于多種深度的推進且能夠在海洋中實現(xiàn)自航的Spar平臺，在結(jié)構(gòu)上具有許多特點。

3.1 總體特點

該新型Spar平臺是一種設有升降推進系統(tǒng)的全回轉(zhuǎn)自航式Spar平臺，從上至下依次包括工作甲板、推進系統(tǒng)平臺及軟艙，推進系統(tǒng)平臺與軟艙通過中央井進行連接，且該中央井貫穿推進系統(tǒng)平臺延伸至工作甲板；所述推進系統(tǒng)平臺包括沿中央井周向設置的若干立柱及套設于該若干立柱外的移動平臺，移動平臺與立柱的接觸面間設有驅(qū)動該移動平臺上下移動的行走機構(gòu)。

圖5 移動平臺及其行走裝置

3.2 突出特點

（1）該平臺設置的行走機構(gòu)包括設于立柱上的滑軌及以該滑軌為對稱軸對稱設于移動平臺上的行走齒輪，所述滑軌上設有與該行走齒輪相咬合的齒條。滑軌為“工”字形結(jié)構(gòu)，滑軌“工”字的頂部沿立柱的表面連接固定，“工”字的中間凹槽部內(nèi)設有與行走齒輪相咬合的齒條。凹槽部內(nèi)設有中間軌道及兩側(cè)的邊翼，行走齒輪與中間軌道相咬合并被兩側(cè)的邊翼所包裹。

（2）中央井貫穿軟艙和工作甲板，為采油立管提供通道。中央井外縱向設有多層水平設置的垂蕩板，相鄰垂蕩板之間通過垂直撐桿支撐［4］。中央井為中空的圓柱形結(jié)構(gòu)，移動平臺為方形結(jié)構(gòu)，該方形結(jié)構(gòu)的移動平臺四面均設有螺旋槳。

（3）該Spar平臺還包括設于移動平臺上為行走機構(gòu)提供動力的電機。推進系統(tǒng)平臺底端垂蕩板上設有系泊纜，該系泊纜的另一端與海底的錨基連接。

3.3 有益效果

該新型Spar平臺能在海洋中不需要拖船拖動的情況下實現(xiàn)自航，提高了海上Spar平臺的利用率，且可適用于多種深度時的推進，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、簡單，使用方便。

4 結(jié)語

新型Spar平臺在如今這個油氣資源短缺的時代，無疑是雪中送炭，現(xiàn)在開發(fā)新型的海洋平臺已是當務之急，冷靜分析當前需求及結(jié)構(gòu)合理性，設計出新型Spar平臺是當下的主要研究方向。本文設計的新型Spar平臺結(jié)構(gòu)方案不僅盡量減少了施工的復雜程度，而且在自航性、靈活性等方面取得了很大的突破。但是，面對南海的特殊情況，新型Spar平臺結(jié)構(gòu)方案能否真正得到應用與實施，還需進一步研究。