SPAR平台主体海上安装方案

2019-05-09

船海工程 2019年2期

(上海外高桥造船有限公司，上海 200137)

SPAR平台在位工况下吃水很深，通常会大于150 m，其装船、海上运输、平台主体安装和上部模块集成等方面都不同于其他形式平台[1]。SPAR平台主体海上安装对于SPAR平台而言是非常重要的一个安装过程，安装方案作为SPAR平台建造过程的关键技术，其技术和施工具有较大难度。海上安装方案的正确制定，对SPAR平台的投产来说至关重要。根据SPAR平台主体海上安装过程，将安装方案分为三个阶段，①段是浮卸方案，即平台主体通过驳船运输到预订地点后下水，脱离驳船；②湿拖阶段，即在平台主体浮卸后浮于水面，在这种漂浮状态下，用拖船将平台主体拖至安装位置；③扶正方案，即平台主体湿拖到安装位置后，对平台主体进行注水，使平台主体在水面竖立起来，达到稳定的竖立漂浮状态[2]。针对三个阶段分别制定相应的安装方案并对方案的可行性进行分析，确保方案合理。

1 坐标系定义

1.1 船体坐标系及波浪方向

建立运输船坐标系见图1，坐标系船艉方向为X轴正向，右舷为Y轴正向，垂向向上为Z轴正向，原点位于基线。

图1 运输船船体坐标系示意

1.2 平台主体坐标系

SPAR平台主体采用的坐标系见图2，SPAR平台主体坐标系原点位于软舱底部基线中心处，SPAR硬舱顶部方向为X轴正向。Z轴正向指向平台北，Y轴正向为平台东。

图2 SPAR平台主体坐标系

2 方案分析

平台主体基本参数见表1。

2.1 主体浮卸方案

平台浮卸通常是在遮蔽的港湾进行，水深要满足浮卸操作的要求，并留有余地，但也不能过深，以免增加不必要的风险[3]。通常情况下，浮卸操作可假定在静水状态下进行。根据运输船和SPAR平台主体的尺寸大小不同，通常可以有三种不同的浮卸方法，即直接浮卸法、带翼舱浮卸法及加压载箱浮卸法，通过计算，只有加压载箱浮卸法适用于目标平台主体[4]。

表1 SPAR平台主体参数

该方法需要在半潜船平行中体两侧增加浮箱，当半潜船主甲板没入水中以后，两侧的浮箱可以提供额外的浮力，根据初步计算，浮箱需要满足以下尺寸要求，才能满足稳性要求。

1)半潜船7 m水线至主甲板(距船底13.3 m)之间平行中体段增加梯形浮箱，梯形浮箱的尺寸见图3。

图3 梯形浮箱的尺寸

2)半潜船主甲板至主甲板以上15 m之间增加矩形浮箱，矩形浮箱的尺寸见图4。

图4 矩形浮箱的尺寸

在实际的计算和操作中，半潜船侧压载箱可以认为是半潜船的一部分，它们的结构质量被认为是空船重量的一部分，同时可兼做压载舱。

2.2 主体湿拖方案

在湿拖过程中，SPAR平台主体水平放置，靠自身的硬舱及软舱提供浮力漂浮在水中，并由拖轮拖曳航行至安装海域，有时也会在软舱上设置浮箱，以保证平台的浮态[5]。一般情况下，Truss SPAR平台的水平拖航速度为2～3 kn，有义波高为2.5～3.5 m。

由于SPAR平台的外形较特殊，因此，SPAR平台的湿拖有别于一般平台或船舶的湿拖[6]。SPAR平台水平漂浮于水面时，位于两端的硬舱和软舱提供浮力，中间部位的桁架及垂荡板浮力很小，桁架结构的刚度较小，使平台在波浪下的整体弯扭效果显著；垂荡板及桁架位置受到的非线性波浪力作用明显，拖曳力影响很大，垂荡板还会受到波浪抨击作用；在桁架结构与硬舱、软舱、垂荡板的连接位置，应力集中明显。

2.3 主体扶正方案

扶正是SPAR平台主体海上安装过程中的重要一步[7]。主体扶正分成两个压载步骤：①使用注水枪向软舱顶部的进水孔注水；②将安装辅助船压载水输送到SPAR平台第一层的硬舱舱室。扶正过程是在海上进行，在扶正前的拖航及定位准备及扶正后的定位时需要考虑海上环境的作用[8]。

在软舱注水阶段,需要向软舱的4个分舱注水，每个软舱的分舱中都设有2个开孔，作为注水和排气的通道。软舱的注水过程是依靠开孔内外的压强差自动完成的，通过打开软舱底部的开孔来实现自动扶正过程。

当软舱的注水过程结束后，开始向硬舱中注水。区别于软舱注水，硬舱注水是通过水泵来实现的，该过程由硬舱压载舱分时注水系统来完成。

3 安装过程

3.1 浮卸过程

稳性分析。发现，半潜船吃水在14～15 m之间的时候其稳性最为关键，此时半潜船主甲板已经全部没入水中，而SPAR平台硬舱则仍处于水面之上，可以提供稳性的有效水线面面积最小。计算过程首先选择14 m吃水作为关键位置，经过多次反复尝试最终形成的浮箱方案。在该方案的基础上，将半潜船整个压载下潜过程分为15个典型步骤，对每个步骤进行的稳性校核，结果见表2。

表2 船+SPAR浮卸分析稳性计算结果(货载为24 369 Mt)

由表2可见，本浮卸方案中，半潜船下潜的所有步骤都满足稳性要求，值得注意的是半潜船在13～16 m吃水之间的稳性比较关键。因此,仍然考虑2°的纵倾来增加半潜船的稳性，当吃水大于16 m时，逐渐减小纵倾角，从而减小对压载的要求。

3.2 湿拖过程分析

计算表明，平台主体吃水需保证大于或等于11 m才能满足稳性要求。因此，选择11 m作为SPAR平台主体湿拖的设计吃水，SPAR主体湿拖分析计算模型见图5。

图5 SPAR主体湿拖分析模型

SPAR平台主体湿拖过程稳性计算结果见6，计算得GM=0.12，满足稳性的要求。

图6 平台主体湿拖稳性计算结果

3.3 扶正过程分析

SPAR平台的运动是扶正过程中的主要关注点之一，其关系着扶正过程的成败和安全。在对扶正过程计算中，需结合注水流程,动态模拟压载舱的注水过程，计算SPAR平台在每个特定压载时刻下的浮态，将每个压载情况下的纵倾角连接起来，即得到扶正过程中平台纵摇角的变化曲线[9]。扶正分析以湿拖载况为初始条件。然后开始对软舱和硬舱进行压载。在每一步，对压载舱压一定的压载，然后计算主体的平衡位置，由程序计算得到主体的弯距及剪力。SPAR平台主体的运动及稳性分析模型见图7。平台主体在扶正过程当中的运动轨迹见图8。

图7 SPAR平台主体的MOSES计算模型

对于SPAR平台主体的扶正过程，具体分析步骤数目可根据实际过程进行选择，通常15～20步可较好涵盖和体现主体的扶正过程，本文中，将主体扶正过程分为20步进行分析。

图8 SPAR平台主体扶正过程运动轨迹

图9至图10给出了SPAR平台主体扶正过程中所受到的剪力和弯矩，从表中可以清晰看出，主体由水平到竖直过程中，步骤1～9，剪力和弯矩的变化不明显，步骤10～14主体受到的弯矩和剪力在所有步骤当中最大，其中最大剪力发生在步骤13，最大弯矩发生在步骤12，因为此时SPAR平台纵倾角较大，由于压载的原因硬舱受到的重力和浮力分配不均。从步骤15～20，主体逐渐进入垂直状态，主体收到的弯矩和剪力逐渐减小直至可以忽略。