TrussSpar平台主体结构与建造初探.pdf

第 24 卷第 1 期 2009 年 2月 中 国 海 洋 平 台 CHINA OFFSHORE PLATFORM Vol 24 No 1 Feb 2009 收稿日期 2008 9 11 修改稿收稿日期 2008 10 23 作者简介 邢宏岩 1982 男 硕士 助理工程师 从事船舶与海洋工程方面的研究 文章编号 1001 4500 2009 01 0051 06 Truss Spar 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 200032 摘 要 对 Truss Spar 平台主体的组成和各部分的功能进行了介绍 对所有已建的 Truss Spar 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 Truss Spar 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 分析了桁架和软舱的结构与建造方法 关键词 Truss Spar 主体 硬舱 桁架 软舱 建造 中图分类号 P751 文献标识码 A REVIEW OF STRUCTURE AND CONSTRUCTION ON TRUSS SPAR HULL XING Hong yan SONG You liang WANG Zhi yong Shipbuilding Technology Research Institute Shanghai 200032 China Abstract This paper gives an introduction on the components and functions of Truss Spar hull defines the hard tank structure forms of all the built Truss Spar into three types according to the number of radial struts on a single ring frame and illustrates the structure characteristics of each type The construction methods of the hard tanks have been analyzed and two modes of fabricating the ring section of the hard tank are concluded The structure and fabrication methods of the truss and soft tank have also been studied Key words Truss Spar hull hard tank truss soft tank construction 0 引言 随着人类开发海洋的步伐逐渐迈向深海海域 新型浮式海洋平台不断出现 Spar 平台就是其中之一 20 世纪 80年代以来 Spar 平台被广泛应用于深海开发中 很多石油公司视之为下一代深水平台的发展方向 在结构上 Spar 平台一般分为 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 Spar 平台的主体是一个在水中垂直悬浮的柱体 吃水均在 100 m 以上 它以良好的 运动性能为 Spar 平台上体的生产和生活提供了保障 系泊系统则为 Spar 平台提供定位 Spar 平台迄今已发展了三代 按其发展时间顺序分别是Classic Spar Truss Spar 和 Cell Spar 如图 1 所示 其中 Truss Spar 平台是当今 Spar 平台的主流形式 其已建和在建共 13 座 另外 Truss Spar 平台的上体和主 体通常由两家制造厂分别建造 本文着重对 Truss Spar 平台主体的结构和建造作初步的分析和探索 1 主体的构成和功能 Truss Spar 平台主体结构复杂 建造难度大 因而有必要先对其构成及功能作一定的了解 图 1 三代 Spar 平台的比较图 Truss Spar 平台的主体分为硬舱 桁架和软舱 3 个部分 如图 2所示 1 1 硬舱 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 以提高主体的 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 甲醇 饮用 水等的容器通常建在平台硬舱的顶部 图 2 Truss Spar 平台结构图 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 桁架 桁架结构作为硬舱与软舱之间的刚性连接 是类似于导管架结构的空间 钢架 桁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 桁架上水平设置的 垂荡板增加了平台在垂荡运动时的附加质量和阻尼 降低了平台垂荡运动的 固有频率 从而减少了与波浪频率发生共振的可能性 1 3 软舱 平台主体在桁架以下的部分称为软舱 位于平台的最底部 在安装阶段 软舱为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从而保证平台的无条件稳 性 2 主体的结构与建造 Truss Spar 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 舾装工作都集中于硬舱段 2 1 硬舱的结构与建造 Truss Spar 平台的硬舱通常是长 60 80 m 直径 30 40 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 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 桁架连接结构 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 与平台的直径有很大关系 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 3 类 1 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 Truss Spar 52 中 国 海 洋 平 台 第 24卷 第 1 期 平台见表 1 它共有 3 种结构形式 如表 2中的 a b c所示 其中 Nansen 是世界上第一座 TrussSpar 平 台 Boomvang 与 Nansen 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 因而 单个平台的设计建造成本得以降 低 类似上例 Constitution 因袭了 Gunnison 的 设 计 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 但前 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 Front Runner 的径向支撑 采用的是大腹板结构 2 双支撑式 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 Truss Spar 平台见表1 它也具有 3种结构样式 如表 2 中的 d e f 所示 其中 Horn Mountain Kikeh 和 Perdido 的径向支撑是典型的双支撑式 Mad Dog 和 Tahiti 则与 Constitu tion 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 Medusa 和 Devils Tower 除双 支撑式结构外 还呈圆周对称分布着一对竖井通道 Access Shaft 结构略显复杂 3 三支撑式 拥有此结构形式的 Truss Spar 是目前世界上最大的 Spar 平台 Holstein Spar 平台参数如表 1 所示 结构 样式如表 2 中的 g 所示 表1 Truss Spar 平台硬舱结构形式分类及主体相关参数 结构形式名称直径 m中央井 m m主体长度 m主体质量 t建造地点 投产时间 单 支 撑 式 Nansen27 412 2 12 2165 510 850芬兰2002 Boomvang27 412 2 12 2165 510 850芬兰2002 Gunnison29 912 8 12 8167 012 115芬兰2003 Front Runner28 612 8 12 8179 012 785阿联酋2004 Constitution29 912 8 12 8168 813 426芬兰2006 双 支 撑 式 Horn Mountain32 315 9 15 9169 113 272芬兰2002 Medusa28 612 8 12 8178 611 700阿联酋2003 Devils Tower28 712 8 12 8178 610 623印尼2004 Mad Dog39 018 3 18 3169 118 934芬兰2005 Kikeh32 316 8 16 8141 713 426马来西亚2007 Tahiti39 015 2 15 2169 224 000芬兰2009 Perdido36 014 0 14 0170 020 573芬兰2009 三支撑式Holstein45 522 9 22 9227 321 327芬兰2004 53 第 1期 邢宏岩等 Truss Spar 平台主体结构与建造初探 表 2 Truss Spar 平台典型硬舱结构形式示意图 Holstein Spar 的体积巨大 几乎可以将整个 Horn Mountain Spar 装在其中 它的主体部分不得不分开建造 硬舱段在芬兰建 造 桁架和软舱在美国建造 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 及合拢进行分析 1 分段的建造 硬舱分段的建造大致为板材的拼接 四种板架结构 中央井横舱壁 径向横舱壁 外板和水密甲板 的制造 环向横梁与支撑 结构的制造 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 还会进行一些舾装件的安装 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 Nansen 图 5 分段建造流程示意图 Spar 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 Spar 平台的两大公 司命名 即 Technip 模式和 McDermott 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 Technip 模式的 Truss Spar 平台主要由 Technip 公司在芬兰 Pori 的 Mantiluoto 船厂建造 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 Mantiluoto 船厂现已建成的 9座 Truss Spar 平台均采用了该种模式 而由 Technip 公司转包给马来西亚 MMHE 公 司建造的 Kikeh Spar 平台 也是根据Mantiluoto 船厂经验 采用此模式建造 的 图6 中的 a b c为 Nansen Spar 平台一个圆环总段的建造过程图片 是 Technip 圆环总段建造模式的典型 流程 采用 McDermott 模式建造圆环总段的 Truss Spar 平台 均由 McDermott 公司在阿联酋 Jebel Ali 和印尼 Batam 岛的两个生产基地建造 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 McDermott 公司建造的三座 Truss 54 中 国 海 洋 平 台 第 24卷 第 1 期 Spar 平台 即在阿联酋 Jebel Ali 建造的 Medusa 和 Front Runner 以及印尼 Batam 岛建 造的 Devils Tower 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 一些舾装工作 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 McDermott 建造模式的 Front Runner Spar 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 90年代 在芬兰的 Mantiluoto 船厂建造的 直径 37 2m 的 Classic Spar 平台 其主体圆环总 段间的对接精度已经控制在了 5mm 以内 2 2 桁架和软舱的结构与建造 桁架通常由圆柱立腿 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 桁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 桁架部分一般 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 中的 Holstein Spar 平台的桁架 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 Hol stein Spar 的软舱结构示意图 2 3 主体的合拢 图 10 合拢中的 Nansen Spar 平台硬舱与桁架和软舱 硬舱 桁架和软舱建造完成 后 将进行三者对接合拢来建造 平台的主体 通常是桁架与软舱 部分先行合拢或整体建造后 再 与硬舱段进行对接 如图 10 所 示 3 结论 Truss Spar 平台主体的建 造 以硬舱段最为复杂 圆环总 55 第 1期 邢宏岩等 Truss Spar 平台主体结构与建造初探 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 Truss Spar 平台建造过程中的关键技术仍需作进一步的研究 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1997 年世界上第一座 Classic Spar 平台诞生以来 已建成的各座 Spar 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 Spar 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 Kikeh Spar 平台建成投产 成 为第一个应用于墨西哥湾以外海域的 Spar 平台 并在一定程度上证明了在我国南海海域应用 Spar 平台的可 行性 参考文献 1 徐琦 Truss Spar 平台简介 J 中国造船 2002 43 增 2 董艳秋 著 深海采用平台波浪载荷及响应 M 天津大学出版社 2005 3 张帆 杨建民 李润培 Spar 平台的发展趋势及其关键技术 J 中国海洋平台 2005 20 2 6 11 4 Spar platforms under review for marginal fields Offshore M April 2005 5 Subrata K Chakrabarti Handbook of Offshore Engineering M 2005 6 S Perryman J Gebara Fikry Botros A Yu Holstein Truss Spar and Top Tensioned Riser System Design Challenges and Innovations R Offshore Technology Conference OTC 17292 2005 Houston Texas 7 S Michael Beattie Steven R Pyles C R McCandless Juha Kuuri Nansen Boomvang Field Development Construction and Installation R Offshore Technology Conference OTC 14092 2002 Houston Texas 8 Tillie Nutter E Kurt Albaugh 2006 Worldwide Survey of Spars C DDCVs Offshore November 2006 8 Spar Overview April 2003 www technip com 上接第 50页 从总的