TrussSpar平台主体结构与建造初探.pdf

平台主体结构与建造初探 邢宏岩 宋友良 王志勇 上海船舶工艺研究所 上海 摘要 本文对 平台主体的组成和各部分的功能进行了介绍 对所有己建的 平台的硬舱结构形 式 按照单根环向横梁上径向支撑结构的数量分为三类 并阐述各自的结构特点 分析 平台的硬舱建造方法 总结出两种建造硬舱圆环分段的模式 分析了析架和软舱的结构与建造方法 关键词 主体 硬舱 析架 软舱 建造 中图分类号 作者本人填写 文献标志码 妞 肠 tud ied K ey wo rds T r u s s S P a r h u l l h a r d ta nk tr u s s s of t t a n k c o n str u etio n 0 引言 随着人类开发海洋的步伐逐渐迈向深海海域 涌现出了很多新型的浮式海洋平台 S p ar 平台就是其中 之一 2 0世纪8 0年代以来 S p a r平台被广泛应用于人类开发深 海的事业中 它被很多石油公司视为下一代深水平台的发展方 向 在结构上 S p ar 平台一般被分为3部分 即平台上体 平 台主体以及系泊系统 包括锚固基础 平 台上体是平 台生产和生活的中心 一般为多层 的矩形甲 板结构 整个平台上体与平台主体之间的固定方式与传统的导 管架平台类似 S p a r平台的主体是一个在水中垂直悬浮的柱体 吃水均在1 00 m 以上 它以良好的运动性能为Spa r平台上体的 生产和生活提供了保障 系泊系统则为Spa r 平台提供定位 S P a r平台迄今为止己经发展了三代 按照其发展 的时间顺序分别是 C l assi S P a r T r uss S P a r 和 c en Spa r 如图l所示 其中 T r u ss S p a r平台是当今spa r 平台的主流形式 现己建成和在建的平台共1 3 座 另外 S p a r平台的上体和主体通常由两家制造厂分别进行建造 本文将集中对Tr u ss Spar平台主体的 作者简介 邢宏岩 1 9 82一 男 硕士 助理工程师 从事船舶与海洋工程方面的研究 结构和建造做初步的分析和探索 主体的构成和功能 T r uss sP a r平台主体结构复杂 建造难度大 因而有必要先对 SP a r平台的构成及其功能做一定的了解 T r uss S P a r 平台的主体可划分为硬舱 析架和软舱三个部分 如图2所示 1 1 硬舱 T r uss Spa r平台主体从主体顶甲板至可变压载舱底部之间的部分称为硬舱 是一个大直径的封闭式圆 柱体钢结构 正方形的中央井贯穿其中 硬舱位于主体的上部 是整个 S P ar平台系统的主要浮力来源 硬舱为多层多舱结构 每一层都由水密甲 板分隔 而每一层又由从中央井的拐角处伸出的径向防水壁进一步地分为 四个隔舱 提高主体的抗沉性 位于水线处的舱层还包含有附加的双层防 水壁结构以降低平台由于船只碰撞破损后的灌水体积 底部舱层通常作为 可变压载舱 其它舱层作为固定浮舱 用于储藏柴油 原油 盐水 甲醇 饮用水等的容器通常建 在s P ar平台硬舱的顶部 另外 在主体的外壳上 还装有2 3列侧板结构 沿整个主体的长度 方向呈螺旋状布置 螺旋形侧板能够对经过平台圆柱形主体的水流起到分 流作用 从而可以减少平台的涡激振动 1 2 析架 析架结构作为硬舱与软舱之间的刚性连接 是类似于导管架 Ja c ket 结构的空间钢架 精架结构有效地降低了平台主体在竖直平面上的投影面 积 从而降低平台的水平外力载荷 减小了在水平方向上的运动响应 析 架上水平设置的垂荡板增加了平台在垂荡运动时的附 加质t 和阻尼 降低 图2 Tr u s s阵r平台结构图 了平台垂荡运动的固有频率 进而减少了与波浪频率发生共振的可能性 1 3 软舱 平台主体在析架以下的部分称为软舱 位于Spa r平台的最底部 在Sp a r 的安 装阶段 软舱为Spa r平台 主体在水中水平漂浮提供浮力 平台竖立后 固定压载将存放于软舱 可以降低平 台重心 使得平台重心 低于浮心进而保证平台的无条件稳性 2 主体的结构与建造 SP a r平台主体通常在水平位置进行整体建造 平 台主体的大部分顺装工作都集中于硬舱段 硬舱的结构与建造 TrussSpar平台的硬舱通常是长60 80 m 直径3 0 4 0 m的中空圆柱体 如图3 4 所示 平 台的硬舱主要是板架结构 由四个连接中央井边 角与外板的径向横舱壁分成尺寸相同的四个部 分 每一部分分别由位于四周的加筋的外板 径 向横舱壁和中央井横舱壁 和连接以上三者的径 向支撑框架结构以及硬舱内划分舱层的平台水密 甲板所组成 平台之间的支撑结构框架一般由环 图3硬舱的纵剖面图图4 sP a r 平台的硬舱结构示意图 向横梁及其上用于支撑的径向支撑或梁组成 除此之外 还包括导缆孔底座 析架连接结构 甲板腿连接 结构 立管导向器等其他结构 2 1 1 硬舱的结构形式 环向横梁上用于支撑的径向支撑或梁的数量 与Spa r的直径有很大关系 随着直径的增大 环向横梁 的空间跨距加大 需要增加支撑来加强结构 根据径向支撑结构的数量 可将硬舱结构形式分为三类 l 单支撑式 是指在一个呈闭环形式的环向横梁上采用一个径向支撑结构来进行加强 采用该结构形式的Tr u ss sP a r平台见表1 它共有三种结构样式 如表2中的a b 所示 其中 N a n s en 是世界上第一 座T r u s s S P a r平台 B o om v a ng 与N a nsen 的结构近乎相同且同时建造 避免了许多重复的主体和上体的设计分析工作 并在建造中使用相同的图纸 个别差异之处也是在之前图 纸的基础上略作修改 等等 因而单个平台的设计建造成本得以降低 类似地 C ons t i t u t i on 因袭了Gunnison的设计 但与Nansen Boomvang相比 虽然这 四个平台均采 用上半段整体吊装的方式 上下半段的划分如图4所示 前者在上半段的左右两侧各增加了一个斜向支 撑 以保证上半段整体吊装时的强度 F r on t R unner 的径向支撑采用 的是大腹板结构 2 双支撑式 类似地 双支撑式的结构形式是指在一个呈闭环形式的环向横梁上采用两个径向支撑结构来进行加 强 采用该结构形式的T ru s s SP a r平台见表1 它也具有三种结构样式 如表2中的d e f 所示 其中 H orn 抽ou ntain Kik e h和Perdido 的径向支撑是典型的双支撑式 M a dD o g 和Tahiti则与 C onsti t u ti on 类似 在左右两侧各安装一个用于加强上半段 吊装时整体强度的斜向支撑 M e du s a 和De v ils T e r除双支撑式结构外 还呈圆周对称分布着一对竖井通道 A e s s S h a f t 结构略显复杂 3 三支撑式 拥有此结构形式的Tr u ss Spar是目前世界上最大的Spar平台一Ho l s t ei n Spar 平台参数如表1所示 结构样式如表2中的g所示 H o 1 5 t e i n S p ar 的体积巨大 j L乎可以将整个Horn砒untainSpar装在其中 它的主体不得不分为两 个部分建造 硬舱段在芬兰 而析架和软舱则在美国 表1 Trussspa r 平台硬舱结构形式分类及主体相关参数 结结构形式 式 名称称直径 I n n n 中央井 mx l n n n 主体长度 m m m主体质量八八 建造地点 点 投产时间间 单单单 Nsnsen n n27 4 4 412 2X 12 2 2 2165 5 5 510 850 0 0 芬兰兰 20 02 2 2 支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支 撑撑撑 Boom v ang g g 27 4 4 412 2X 12 2 2 2165 5 5 510 850 0 0 芬兰 兰 20 02 2 2 式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式 G G G G Gunnison n n29 9 9 912 8X 12 8 8 8167 0 0 012 115 5 5 芬兰兰 20 3 3 3 F F F F Frof ltR u l lner r r 28 6 6 612 8X 12 8 8 8 179 0 0 012 785 5 5 阿联酋 酋 20 04 4 4 C C C C ConstitUtion n n 29 9 9 912 8X12 8 8 8168 8 8 813426 6 6 芬兰 兰 2006 6 6 双双双 HornMountain n n32 3 3 3巧 9 X 15 9 9 9169 1 1 1 13272 2 2 芬兰兰 20 02 2 2 支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支支 撑撑撑 MedUSa a a28 6 6 612 8X 12 8 8 8178 6 6 611 700 0 0 阿联酋 酋 2003 3 3 式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式式 D D D D DevilsT仰er r r28 7 7 7 12 8X 12 8 8 8178 6 6 610623 3 3 尼尼 2004 4 4 M M M M Mad Dog g g39 0 0 018 3X 18 3 3 3169 1 1 118 934 4 4 芬兰兰 2005 5 5 K K K K Kikeh h h32 3 3 316 8 X 16 8 8 8141 7 7 713 426 6 6 来来 2007 7 7 T T T T Ta hiti i i39 0 0 0 巧 2 X15 2 2 2 170 0 0 024 000 0 0 芬兰兰 2009 9 9 P P P P Perd idO O O36 0 0 0 0 0167 6 6 6 6 6 芬兰兰 20 10 0 0 三三支撑式 式 Holstein n n45 5 5 522 9X 22 9 9 9227 3 3 321 327 7 7 芬兰兰 2004 4 4 表2 Tr u s s spa r平台典型硬舱结构形式示意图 2 1 2 硬舱的建造 硬舱的建造通常是将其划分为多个圆环总段分别进行建造 然后进 行圆环总段间的对接 下面将对分段和圆环总段的建造及进行分 析 1 分段的建造 硬舱分段 的建造大为板的接 四种板架结构 中央井横舱壁 图5分段建造流程示意图 147 最后是分段的组装 另外 在分段处于适当的位置和制造阶段时 还会进行一些胭装件的安装 如人洞 梯子 阳极 管道系统以及特殊结构等 对于一些需要进行涂装的分段还会在圆环总段的组装前被运往涂 装室进行涂装 图5为N a nsen Sp a r硬舱部分分段的建造流程图 2 圆环总段的建造 硬舱圆环总段的建造主要有两种模式 以当今建造Spa r平台的两大公司命名 即T e c h ni P 模式和 M c D e rm o t t 模式 模式的形成与各公司所属建造工厂吊装设备的类型及其能力有很大关系 Teehnip模式的TrussSpar平台主要建于Teehnip公司位于芬兰Pori的Mantiluoto船厂 主要方法是将 一个圆环总段分为若干分段分别进行建造 分段数量大于4 一般为8个 然后在组装滑道上拼装出下部 总段 利用平板车将在它处拼装并在外板上安 装了起吊支架的上部总段运往组装滑道区 使 用固定桅杆吊将上部总段吊起 再将下部总段 拉至其下方 对准后焊接 这样就建成了一个 圆环总段 伽n t il uo t 船厂现已建成的9座 Tr u ss Sp a r平台均采用了该种模式 而由 Techn i p公司转包给马来西亚佃 斑IE公司建造的 KikehSpar平台 也是根据Ma n t il uoto船厂经 验 采用此模式建造的 图6中的a b e 为N a nsen Sp ar平台一个圆 环总段的建造过程图片 是T e c hn i p圆环总段建 造模式的典型流程 a 准备运出车间的上部总段 b 组装起吊中的上部总段 c 对接后形成的圆环总段 图6 Nansen spar平台一个圆环总段的建造 采用MeDermott模式建造圆环总段的Truss Spar 平台 均建于MeDeroott公司位于阿 联酋J ebe l Ali 犯 印尼Ba t二岛的两个生产基地 主要方法是将圆环总段划分为四个大型分段进行建造 然后在组装滑道上 使用履带吊先吊装底部的分段 然后是左右两侧的分段 最后 吊装顶部的分段 M o D er mo t t 公司建造的三 座Truss Spa r 平台 即在阿联酋Jebel Ali建造 的Medusa和Front Runner以及印尼Bata m 岛建 造的Dev il s Tow e r平台均采用了该种模式 除了以上硬舱结构方面的建造 还要进行 一些胭装工作 如起链器 导缆器 上体柱腿 基础 中央井内的立管导向框架以及压载系统 的安装等 图7显示 了采用McDe r m o t t 建造模式的 J 人 L一曰 L户 a 底部分段吊装 b 顶部分段吊装 图7 Front RunnerSpar平台一个圆环总段的建造 平台一个圆环总段建造过程的部分图片 3 圆环总段的合拢 单个的硬舱圆环总段建成后 将进行圆环总段的对接合拢以组成一个完整的硬舱 这对建造和安装的 精度控制提出了很高的要求 上世纪9 0年代 在芬兰的血n t il u o t 船厂建造 的直 径3 7 Zm 的C l a s sic S par 平台 其主体圆环总段间的对接精度己经控制在了5恤以内 2 2 析架和软舱的结构与建造 析架通常由圆柱立腿 水平撑杆 斜杆和垂荡板组成 并在垂荡板上装有让立管通过的导向装置 析架部分的建造主要涉及板架结构 垂 荡板 和传统的管架结构的建造 析架部分 一般使用结点建造法制造 通常结点 X型 支撑和垂荡板均是在车间内预制的 而后运 往组装区和弦管等进行组装 图8为建造中 图8建造中的H o s t ei 平台析架图 g H o s t ei n s n a r 软舱结构 的Holstein spar平台的析架 软舱为板式钢结构舱室 主要为板架结构 结构相对简单 软舱处的中央井内通常装有立管导向框架 图9所示 为H o l s t e l n sp ar的软舱结构示意 一 一 图 2 3 主体的合拢 硬舱 析架和软舱建造完成后 将进行 三者对接合拢来建造平台的主体 通常是析 架与软舱部分先行合拢或整体建造后 再与 图1 0合拢中的Na ns e s P a r 平台硬舱与析架和软舱 硬舱段进行对接 如图 1 0 所示 3 结论 T ru s sspa r 平台主体的建造 以硬舱段最为复杂 圆环总段的建造方式与建造厂的设备及其能力有关 分段的划分也需考虑 吊装设备的能力 两者同属工厂适应性问题 但对于sp r平台建造过程中的关键技 术仍需作进一步的研究工作 如建造的精度控制技术 焊接技术和长效防腐蚀技术等 自从19 9 7年世界上第一座sP a r平台诞生以来 各座已建成的sP a r 平台历经多年实际生产运营的考 验 始终未曾出现过倾覆 伤人等重大事故 这充分说明了spa r这种深海采油平台具有良好 的稳定性 可靠性 是完全有可能应用到世界其他海域的 2007 年 坐落于我国南海附近海域的 K i ke hspa r 平台建 成投产 成为第一个应用于墨西哥湾以外海域 的spa r平台 并在一定程度上证明了在我国南海海域应用 spa r 平台的可行性 参考文献 111徐琦 T russspar平台简介 中国造船 2 00 2 礴 3 增 1 2 1 董艳秋 著 深海采用平台波浪载荷及响应 天津大学出版社 2 0 0 5 1 3 1张帆 杨建民 李润培 s P a r 平台的发展趋势及其关键技术 中国海洋平台 2 0 05 2 1 4 1 SP ar Pl a tf o r m sun d er r e v iew f o r I n a r g i