王 闊

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520)

Spar平臺(tái)工程造價(jià)低，結(jié)構(gòu)安全性好，是世界上深海油氣開(kāi)采的主力平臺(tái)類型之一。目前，已有20余座Spar平臺(tái)投入使用，安全運(yùn)行多年，具有良好的可靠性[1-2]。到目前為止，Spar平臺(tái)主要分為三種類型，分別為Classic Spar、Truss Spar和Cell Spar，其中Truss Spar平臺(tái)是主流的Spar平臺(tái)類型[3-4]。本文主要對(duì)Truss Spar的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行介紹，并對(duì)硬艙結(jié)構(gòu)建造用臨時(shí)墊墩進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算分析。

1 Truss Spar平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 總體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

Truss Spar平臺(tái)主體分為硬艙、桁架結(jié)構(gòu)和軟艙三個(gè)部分，如圖1所示。硬艙為封閉式圓柱體結(jié)構(gòu)，主要用來(lái)提供平臺(tái)所需浮力；中段為開(kāi)放式桁架結(jié)構(gòu)，提供主體穩(wěn)性所需要的深度和減少上下運(yùn)動(dòng)的垂蕩板；軟艙為壓載艙，用以提高平臺(tái)穩(wěn)定性。

圖1 Truss Spar 模型圖

1.2 硬艙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及建造

圖2 硬艙結(jié)構(gòu)圖

從圖2中可以看出，硬艙部分為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可以將圓環(huán)總段劃分為四個(gè)大型分段進(jìn)行建造，然后在滑道上進(jìn)行總裝。每個(gè)圓環(huán)總段除了最下面的分段可以在滑道上進(jìn)行建造外，其余部分都需要在滑道外場(chǎng)地進(jìn)行建造，這就需要考慮到使用臨時(shí)墊墩。在進(jìn)行臨時(shí)墊墩的設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮到硬艙結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，又要結(jié)合硬艙的分段原則，在保證硬艙建造精度和臨時(shí)墊墩結(jié)構(gòu)不被破壞的基礎(chǔ)上，盡量簡(jiǎn)化臨時(shí)墊墩的結(jié)構(gòu)形式。

2 臨時(shí)墊墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 臨時(shí)墊墩種類

以海洋工程中常用的墊墩形式為基礎(chǔ)，確定Spar平臺(tái)分段建造所需墊墩類型。目前國(guó)內(nèi)主要有以下墊墩形式[4]。

(1)單板式墊墩，每檔肋距或間隔一檔肋距設(shè)置一面胎板，如圖3所示。優(yōu)點(diǎn)：剛性好，控制分段焊接性能好。缺點(diǎn)：耗費(fèi)材料，修正曲面時(shí)間較長(zhǎng)。

圖3 單板式墊墩?qǐng)D

(2)桁架式墊墩，用桁架、橫向角鋼、縱向拉條角鋼組成墊墩，如圖4所示。大多數(shù)利用廢舊角鋼和邊角料做成，在橫向角鋼上面間隔排列小塊胎板以代替凹凸鋸齒形胎板，使其焊接時(shí)具有自由伸縮的效果。優(yōu)點(diǎn)：材料經(jīng)濟(jì)，修正曲面所花的時(shí)間短。缺點(diǎn)：剛性較弱，批量生產(chǎn)時(shí)需要復(fù)驗(yàn)尺寸。

圖4 桁架式墊墩?qǐng)D

(3)支柱式墊墩，由角鋼或管材組成，每檔肋位豎角鋼數(shù)根，再用縱橫加強(qiáng)固定，如圖5所示，做成一個(gè)整體，按放樣提供各點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行制作，不需要樣板進(jìn)行劃線。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置靈活、省工、省料。缺點(diǎn)：在保證分段線型方面較差。

圖5 單板式墊墩?qǐng)D

(4)固定模板式墊墩，該類型主要根據(jù)結(jié)構(gòu)形式制作出特定的外形模板用以支撐結(jié)構(gòu)，采用型材焊接而成，如圖6所示。

哈佛-史密松天體物理研究中心的射電天文學(xué)家謝潑德·杜勒曼（Sheperd Doeleman）稱這項(xiàng)工作為“曠世杰作”。杜勒曼博士致力于銀河系中心的研究，并且希望有朝一日能夠借助“視界望遠(yuǎn)鏡”這種行星級(jí)尺寸的工具繪制黑洞的真實(shí)圖像。

(5)活動(dòng)支柱式墊墩，一般依據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)由標(biāo)準(zhǔn)桿、連接接頭及支座組合而成，形成了各種滿足產(chǎn)品制作精度和剛度要求的結(jié)構(gòu)形式，如圖7所示。優(yōu)點(diǎn)：具有簡(jiǎn)便易操作、裝拆方便、運(yùn)用靈活、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。缺點(diǎn)：剛性差。

圖6 固定式墊墩?qǐng)D

圖7 活動(dòng)支柱式墊墩?qǐng)D

2.2 硬艙分段臨時(shí)墊墩的設(shè)計(jì)要求

由于Spar平臺(tái)硬艙結(jié)構(gòu)為圓柱體結(jié)構(gòu)，建造時(shí)采用分段組裝形式建造，對(duì)焊接精度要求較高。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下原則：安全性、適用性、經(jīng)濟(jì)性。

(1)尺寸滿足使用要求，精度控制好，能保證硬艙分段結(jié)構(gòu)外型的幾何精度。

(2)在硬艙分段進(jìn)行裝配和焊接時(shí)，方便結(jié)構(gòu)建造，并能有效防止結(jié)構(gòu)變形。

(3)不影響施工進(jìn)度，能有效適應(yīng)場(chǎng)地、設(shè)備、人力等要求。

(4)具有一定通用性，經(jīng)濟(jì)科學(xué)。

(5)墊墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可靠，應(yīng)能承受正常施工和使用時(shí)可能出現(xiàn)的各種載荷及偶然載荷，并保持整體穩(wěn)定性而不倒塌。

(6)設(shè)計(jì)滿足相關(guān)規(guī)范要求；。

(7)在滿足結(jié)構(gòu)安全適用的情況下，合理設(shè)計(jì)墊墩結(jié)構(gòu)形式。

2.3 硬艙分段臨時(shí)墊墩的設(shè)計(jì)思路

(1)根據(jù)所造分段線型，預(yù)先切割好完全符合分段曲線的線型，然后進(jìn)行分段的建造。

(2)各個(gè)墊墩的頂端所形成的形狀滿足所造分段的線型形狀。

(3)墊墩能夠承載所建分段的重量，不會(huì)出現(xiàn)大面積變形。

(4)設(shè)計(jì)墊墩形式符合場(chǎng)地承載能力要求。

2.4 硬艙分段臨時(shí)墊墩的設(shè)計(jì)實(shí)例

本文根據(jù)Spar平臺(tái)分段的外形圓弧尺寸及其環(huán)形框架結(jié)構(gòu)的位置，采用單板式墊墩和固定式墊墩相結(jié)合的形式，對(duì)Spar硬艙分段臨時(shí)墊墩的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，三維模型如圖8所示。該設(shè)計(jì)的好處是支撐鋼板曲面與Spar硬艙曲面很好的吻合，可以提高硬艙分段的外板建造尺寸精度，拼板、焊接后變形較小，可重復(fù)利用，為分段總裝和焊接創(chuàng)造了較好的施工條件。

本文以某15000噸Truss Spar平臺(tái)硬艙結(jié)構(gòu)的某一分段為例，對(duì)臨時(shí)墊墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。該分段重量約400噸，其中臨時(shí)墊墩結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為30m，寬度為11m，高6.5m；混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)31m，寬度為12m，高500mm。

該設(shè)計(jì)主要優(yōu)點(diǎn)如下：(1)結(jié)構(gòu)外形光順；(2)拼板，焊后變形較小，施工安全；(3)降低生產(chǎn)成本，降低工藝難度，擁有更高的承載能力；(4)對(duì)于環(huán)向橫梁位置，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)支撐；(5)預(yù)留間隙，用于臨時(shí)吊點(diǎn)焊接，方便吊裝使用；(6)該設(shè)計(jì)能有效保證硬艙外板外型尺寸，保證螺旋形側(cè)板的安裝精度。

圖8 臨時(shí)墊墩三維模型示意圖

3 有限元分析

3.1 有限元單元選取及加載

臨時(shí)墊墩結(jié)構(gòu)采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行建模。鋼板采用SHELL63單元模擬，混凝土塊采用SOLID45單元模擬，鋼管采用PIPE16單元模擬，有限元模型如圖9所示。其中臨時(shí)墊墩結(jié)構(gòu)用到的所有鋼材應(yīng)滿足GB712-2000 D36，墊塊混凝土應(yīng)滿足YB9082-97 C40。

載荷主要考慮垂向載荷，分別為分段重量、臨時(shí)墊墩結(jié)構(gòu)重量和混凝土重量；邊界條件為：在混凝土的下底面施加Y方向的約束，在混凝土的下底面X=0處施加X(jué)方向的約束，Z=0處施加Z方向的約束。

圖9 有限元模型示意圖

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

3.2.1 硬艙分段結(jié)構(gòu)應(yīng)力及位移

圖10 硬艙分段有限元分析結(jié)構(gòu)

從圖10中可以看出，硬艙分段結(jié)構(gòu)的最大位移為11.42mm，最大應(yīng)力為102.604MPa。單元應(yīng)力比UC=σmax[σ]=102.604/141=0.73<1.0，滿足強(qiáng)度要求。

3.2.2 臨時(shí)墊墩結(jié)構(gòu)應(yīng)力及位移

圖11 臨時(shí)墊墩結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果

從圖11中可以看出臨時(shí)墊墩結(jié)構(gòu)最大位移出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的最邊緣處，最大值為0.8mm；臨時(shí)墊墩結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大值位置同樣出現(xiàn)在邊緣處，為73.376MPa。單元應(yīng)力比UC=σmax/[σ]=73.376/141=0.52<1.0，滿足強(qiáng)度要求。

3.2.3 混凝土應(yīng)力及位移

圖12 混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果

從圖12中可以看出混凝土結(jié)構(gòu)的最大位移出現(xiàn)在混凝土結(jié)構(gòu)的最右側(cè)，最大位移值為0.037mm；混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布較均勻，最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在混凝土結(jié)構(gòu)邊緣處，且出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，最大應(yīng)力值為0.356MPa。單元應(yīng)力比UC=σmax/[σ]=0.356/19.5=0.02<1.0，滿足強(qiáng)度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

由于我國(guó)尚沒(méi)有Spar平臺(tái)建造的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，本文以某15000噸Truss Spar平臺(tái)硬艙結(jié)構(gòu)的某一分段為例，對(duì)其建造所需臨時(shí)墊墩進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知，該臨時(shí)墊墩可以滿足400噸硬艙分段的建造需要。

我們南海深水油氣田開(kāi)發(fā)已經(jīng)拉開(kāi)序幕，深水平臺(tái)建造技術(shù)有待開(kāi)發(fā)。Spar平臺(tái)的建造是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，很多關(guān)鍵技術(shù)亟需進(jìn)行深入研究，用以滿足未來(lái)實(shí)際工程建造的需要，推進(jìn)我國(guó)深海油氣開(kāi)發(fā)的發(fā)展。