(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

SPAR平臺在位工況下吃水很深，通常會大于150 m，其裝船、海上運輸、平臺主體安裝和上部模塊集成等方面都不同于其他形式平臺[1]。SPAR平臺主體海上安裝對于SPAR平臺而言是非常重要的一個安裝過程，安裝方案作為SPAR平臺建造過程的關(guān)鍵技術(shù)，其技術(shù)和施工具有較大難度。海上安裝方案的正確制定，對SPAR平臺的投產(chǎn)來說至關(guān)重要。根據(jù)SPAR平臺主體海上安裝過程，將安裝方案分為三個階段，①段是浮卸方案，即平臺主體通過駁船運輸?shù)筋A(yù)訂地點后下水，脫離駁船；②濕拖階段，即在平臺主體浮卸后浮于水面，在這種漂浮狀態(tài)下，用拖船將平臺主體拖至安裝位置；③扶正方案，即平臺主體濕拖到安裝位置后，對平臺主體進(jìn)行注水，使平臺主體在水面豎立起來，達(dá)到穩(wěn)定的豎立漂浮狀態(tài)[2]。針對三個階段分別制定相應(yīng)的安裝方案并對方案的可行性進(jìn)行分析，確保方案合理。

1 坐標(biāo)系定義

1.1 船體坐標(biāo)系及波浪方向

建立運輸船坐標(biāo)系見圖1，坐標(biāo)系船艉方向為X軸正向，右舷為Y軸正向，垂向向上為Z軸正向，原點位于基線。

圖1 運輸船船體坐標(biāo)系示意

1.2 平臺主體坐標(biāo)系

SPAR平臺主體采用的坐標(biāo)系見圖2，SPAR平臺主體坐標(biāo)系原點位于軟艙底部基線中心處，SPAR硬艙頂部方向為X軸正向。Z軸正向指向平臺北，Y軸正向為平臺東。

圖2 SPAR平臺主體坐標(biāo)系

2 方案分析

平臺主體基本參數(shù)見表1。

2.1 主體浮卸方案

平臺浮卸通常是在遮蔽的港灣進(jìn)行，水深要滿足浮卸操作的要求，并留有余地，但也不能過深，以免增加不必要的風(fēng)險[3]。通常情況下，浮卸操作可假定在靜水狀態(tài)下進(jìn)行。根據(jù)運輸船和SPAR平臺主體的尺寸大小不同，通常可以有三種不同的浮卸方法，即直接浮卸法、帶翼艙浮卸法及加壓載箱浮卸法，通過計算，只有加壓載箱浮卸法適用于目標(biāo)平臺主體[4]。

表1 SPAR平臺主體參數(shù)

該方法需要在半潛船平行中體兩側(cè)增加浮箱，當(dāng)半潛船主甲板沒入水中以后，兩側(cè)的浮箱可以提供額外的浮力，根據(jù)初步計算，浮箱需要滿足以下尺寸要求，才能滿足穩(wěn)性要求。

1)半潛船7 m水線至主甲板(距船底13.3 m)之間平行中體段增加梯形浮箱，梯形浮箱的尺寸見圖3。

圖3 梯形浮箱的尺寸

2)半潛船主甲板至主甲板以上15 m之間增加矩形浮箱，矩形浮箱的尺寸見圖4。

圖4 矩形浮箱的尺寸

在實際的計算和操作中，半潛船側(cè)壓載箱可以認(rèn)為是半潛船的一部分，它們的結(jié)構(gòu)質(zhì)量被認(rèn)為是空船重量的一部分，同時可兼做壓載艙。

2.2 主體濕拖方案

在濕拖過程中，SPAR平臺主體水平放置，靠自身的硬艙及軟艙提供浮力漂浮在水中，并由拖輪拖曳航行至安裝海域，有時也會在軟艙上設(shè)置浮箱，以保證平臺的浮態(tài)[5]。一般情況下，Truss SPAR平臺的水平拖航速度為2～3 kn，有義波高為2.5～3.5 m。

由于SPAR平臺的外形較特殊，因此，SPAR平臺的濕拖有別于一般平臺或船舶的濕拖[6]。SPAR平臺水平漂浮于水面時，位于兩端的硬艙和軟艙提供浮力，中間部位的桁架及垂蕩板浮力很小，桁架結(jié)構(gòu)的剛度較小，使平臺在波浪下的整體彎扭效果顯著；垂蕩板及桁架位置受到的非線性波浪力作用明顯，拖曳力影響很大，垂蕩板還會受到波浪抨擊作用；在桁架結(jié)構(gòu)與硬艙、軟艙、垂蕩板的連接位置，應(yīng)力集中明顯。

2.3 主體扶正方案

扶正是SPAR平臺主體海上安裝過程中的重要一步[7]。主體扶正分成兩個壓載步驟：①使用注水槍向軟艙頂部的進(jìn)水孔注水；②將安裝輔助船壓載水輸送到SPAR平臺第一層的硬艙艙室。扶正過程是在海上進(jìn)行，在扶正前的拖航及定位準(zhǔn)備及扶正后的定位時需要考慮海上環(huán)境的作用[8]。

在軟艙注水階段,需要向軟艙的4個分艙注水，每個軟艙的分艙中都設(shè)有2個開孔，作為注水和排氣的通道。軟艙的注水過程是依靠開孔內(nèi)外的壓強(qiáng)差自動完成的，通過打開軟艙底部的開孔來實現(xiàn)自動扶正過程。

當(dāng)軟艙的注水過程結(jié)束后，開始向硬艙中注水。區(qū)別于軟艙注水，硬艙注水是通過水泵來實現(xiàn)的，該過程由硬艙壓載艙分時注水系統(tǒng)來完成。

3 安裝過程

3.1 浮卸過程

穩(wěn)性分析。發(fā)現(xiàn)，半潛船吃水在14～15 m之間的時候其穩(wěn)性最為關(guān)鍵，此時半潛船主甲板已經(jīng)全部沒入水中，而SPAR平臺硬艙則仍處于水面之上，可以提供穩(wěn)性的有效水線面面積最小。計算過程首先選擇14 m吃水作為關(guān)鍵位置，經(jīng)過多次反復(fù)嘗試最終形成的浮箱方案。在該方案的基礎(chǔ)上，將半潛船整個壓載下潛過程分為15個典型步驟，對每個步驟進(jìn)行的穩(wěn)性校核，結(jié)果見表2。

表2 船+SPAR浮卸分析穩(wěn)性計算結(jié)果(貨載為24 369 Mt)

由表2可見，本浮卸方案中，半潛船下潛的所有步驟都滿足穩(wěn)性要求，值得注意的是半潛船在13～16 m吃水之間的穩(wěn)性比較關(guān)鍵。因此,仍然考慮2°的縱傾來增加半潛船的穩(wěn)性，當(dāng)吃水大于16 m時，逐漸減小縱傾角，從而減小對壓載的要求。

3.2 濕拖過程分析

計算表明，平臺主體吃水需保證大于或等于11 m才能滿足穩(wěn)性要求。因此，選擇11 m作為SPAR平臺主體濕拖的設(shè)計吃水，SPAR主體濕拖分析計算模型見圖5。

圖5 SPAR主體濕拖分析模型

SPAR平臺主體濕拖過程穩(wěn)性計算結(jié)果見6，計算得GM=0.12，滿足穩(wěn)性的要求。

圖6 平臺主體濕拖穩(wěn)性計算結(jié)果

3.3 扶正過程分析

SPAR平臺的運動是扶正過程中的主要關(guān)注點之一，其關(guān)系著扶正過程的成敗和安全。在對扶正過程計算中，需結(jié)合注水流程,動態(tài)模擬壓載艙的注水過程，計算SPAR平臺在每個特定壓載時刻下的浮態(tài)，將每個壓載情況下的縱傾角連接起來，即得到扶正過程中平臺縱搖角的變化曲線[9]。扶正分析以濕拖載況為初始條件。然后開始對軟艙和硬艙進(jìn)行壓載。在每一步，對壓載艙壓一定的壓載，然后計算主體的平衡位置，由程序計算得到主體的彎距及剪力。SPAR平臺主體的運動及穩(wěn)性分析模型見圖7。平臺主體在扶正過程當(dāng)中的運動軌跡見圖8。

圖7 SPAR平臺主體的MOSES計算模型

對于SPAR平臺主體的扶正過程，具體分析步驟數(shù)目可根據(jù)實際過程進(jìn)行選擇，通常15～20步可較好涵蓋和體現(xiàn)主體的扶正過程，本文中，將主體扶正過程分為20步進(jìn)行分析。

圖8 SPAR平臺主體扶正過程運動軌跡

圖9至圖10給出了SPAR平臺主體扶正過程中所受到的剪力和彎矩，從表中可以清晰看出，主體由水平到豎直過程中，步驟1～9，剪力和彎矩的變化不明顯，步驟10～14主體受到的彎矩和剪力在所有步驟當(dāng)中最大，其中最大剪力發(fā)生在步驟13，最大彎矩發(fā)生在步驟12，因為此時SPAR平臺縱傾角較大，由于壓載的原因硬艙受到的重力和浮力分配不均。從步驟15～20，主體逐漸進(jìn)入垂直狀態(tài)，主體收到的彎矩和剪力逐漸減小直至可以忽略。

圖9 SPAR主體扶正過程中所受的剪力

圖10 SPAR主體扶正過程中所受的彎矩

4 結(jié)論

1)對于浮卸方案，目標(biāo)平臺最適合的方案是加壓載箱，對于不同平臺的浮卸方案還要進(jìn)行具體分析。

2)在剛開始扶正的9個步驟和快要結(jié)束扶正過程的5個步驟中，彎矩和剪力非常小，平臺主體安全；但是中間的5個步驟彎矩和剪力較大，需要時刻關(guān)注其變化是否在平臺主體可承受范圍內(nèi)，如有需要，應(yīng)對最大剪力和最大彎矩情進(jìn)行進(jìn)一步分析。