李 騫，趙 淼，張 鷺

（南通理工學(xué)院，江蘇南通 226002）

0 引言

由于近海資源的日益枯竭，人類將向更深更遠(yuǎn)的海洋進(jìn)軍。全球深海裝備技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，技術(shù)創(chuàng)新層出不窮，作業(yè)水深更加深遠(yuǎn)。我國積極推進(jìn)深海開發(fā)技術(shù)，深海油氣開發(fā)裝備技術(shù)水平不斷提高，自主設(shè)計(jì)建造新型深海油氣開發(fā)裝備的能力不斷增強(qiáng)。我國南海蘊(yùn)藏豐富的深海油氣資源，發(fā)展適合南海油氣資源開發(fā)的裝配勢在必行。Spar平臺以其良好的自穩(wěn)性等優(yōu)勢在深海油氣開發(fā)中應(yīng)用較多，且一直保持良好的作業(yè)記錄，將來可作為南海油氣開發(fā)的主力浮式結(jié)構(gòu)［1］。

現(xiàn)有的Spar平臺只能固定式地適應(yīng)一種深度的油氣開采，并在移動時(shí)需借助于拖船拖行，中間程序煩瑣效率低，需消耗大量人力物力。為了充分利用我國南海油氣開發(fā)的優(yōu)勢，保證開采的油氣能夠及時(shí)地存儲及運(yùn)轉(zhuǎn)，需要克服以往Spar平臺結(jié)構(gòu)和功能上的局限性，設(shè)計(jì)一種新型Spar平臺。該新型Spar平臺不僅要具備已有Spar平臺的優(yōu)勢，而且能夠在海洋中不需要拖船拖動的情況下實(shí)現(xiàn)自航。所以，本文首先分析Spar平臺的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，取其精華，然后結(jié)合自航功能需求，設(shè)計(jì)出一種新型Spar平臺結(jié)構(gòu)方案。

1 Spar平臺結(jié)構(gòu)分析

國際上Spar平臺已發(fā)展了三代，分別為：傳統(tǒng)式Spar平臺、桁架式Spar平臺和多柱式Spar平臺。

傳統(tǒng)式Spar平臺的結(jié)構(gòu)由頂部模塊、主體結(jié)構(gòu)、立管及系泊系統(tǒng)組成。該種平臺的主要特征是主體結(jié)構(gòu)為封閉式單圓柱筒形結(jié)構(gòu)，體型巨大［2］。主體結(jié)構(gòu)分為硬艙、中段結(jié)構(gòu)和軟艙3個部分。硬艙位于主體的上部，是整個平臺系統(tǒng)的主要浮力來源，中央位置有正方形的開口，貫穿整個平臺主體，作為立管作業(yè)的中央井。中段結(jié)構(gòu)具有儲油功能。軟艙內(nèi)置壓載可降低平臺重心，使平臺具有自穩(wěn)性［1］。傳統(tǒng)式Spar平臺如圖1所示。

桁架式Spar平臺的硬艙結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)式Spar平臺結(jié)構(gòu)大致相同，是平臺浮力的主要來源。但是，桁架式Spar平臺中段結(jié)構(gòu)采用空間桁架結(jié)構(gòu)，代替原來的中段圓柱結(jié)構(gòu)，桁架上下設(shè)置多層垂蕩板［3］。桁架結(jié)構(gòu)減小了水平方向的運(yùn)動，垂蕩板的設(shè)置減少了與波浪頻率發(fā)生共振的可能性，改善了平臺垂向運(yùn)動性能［1］。桁架式Spar平臺如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)Spar平臺

圖2 桁架式Spar平臺

多柱式Spar平臺的特點(diǎn)是采用多個小直徑圓柱組合的主體結(jié)構(gòu)，代替了原先采用的大直徑但圓柱的主體結(jié)構(gòu)［1］。主要優(yōu)點(diǎn)有：結(jié)構(gòu)更輕，降低了運(yùn)輸和安裝成本；降低了建造難度；結(jié)構(gòu)更為簡潔；具有更好的靈活性。多柱式Spar平臺如圖3所示。

2 新型Spar平臺結(jié)構(gòu)總體方案

2.1 新型Spar平臺結(jié)構(gòu)初步方案

圖3 多柱式Spar平臺

通過對Spar結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析，發(fā)現(xiàn)桁架式Spar平臺和多柱式Spar平臺的發(fā)展較為成熟，結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢比較突出。如果將桁架式Spar平臺的桁架結(jié)構(gòu)與多柱式Spar平臺多柱型主體結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，應(yīng)用到新型Spar平臺的結(jié)構(gòu)中，那么新型Spar平臺將會同時(shí)具備兩種優(yōu)勢。所以，將新型Spar平臺結(jié)構(gòu)初步方案設(shè)計(jì)為：多柱-桁架式Spar平臺。即從上至下依次為：工作甲板、中央井及其四周設(shè)置若干個立柱、桁架結(jié)構(gòu)以及多層水平垂蕩板、軟艙。

工作甲板可為單層或多層的階梯狀結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)不同的工作情景需要。

中央井四周的若干柱體作為主要的浮體，提供平臺所需的大部分浮力。

桁架結(jié)構(gòu)中間穿插有垂蕩板，其為空心結(jié)構(gòu)，與立柱相垂，在遇到特殊海況時(shí)可盡量減小平臺晃動。相鄰垂蕩板之間通過垂直撐桿支撐。垂蕩板和垂直撐桿兩者能夠起到更好的阻尼作用，最大限度地減小平臺的垂蕩運(yùn)動［4］。

軟艙部分處于平臺的最下方，上方開孔，供采油井及運(yùn)輸管道穿過。同時(shí)，設(shè)置有固定壓載艙，增加平臺重量，為平臺增加穩(wěn)性，增強(qiáng)高平臺的抗浪性能，使平臺可以更加平穩(wěn)地懸浮于海水中［3］。

立柱底端垂蕩板上設(shè)有系泊纜，該系泊纜的另一端與海底的錨基連接。

2.2 新型Spar平臺結(jié)構(gòu)方案完善

再考慮到該新型Spar平臺還需要滿足自航功能需求，眾多周知，自航功能需要依靠推進(jìn)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，那么推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)置將是首先需要突破的難關(guān)。首先，推進(jìn)系統(tǒng)需要承載裝置，考慮在若干立柱的四周套設(shè)一個移動平臺，移動平臺上設(shè)置可轉(zhuǎn)動的螺旋槳，以實(shí)現(xiàn)航行功能。另外，為了適應(yīng)不同海域水深的變化，該移動平臺需要具備上下移動的功能，以實(shí)現(xiàn)高度的調(diào)節(jié)，也能提供穩(wěn)定性。所以，考慮在移動平臺與立柱的接觸面間設(shè)有驅(qū)動該移動平臺上下移動的行走機(jī)構(gòu)。設(shè)有升降推進(jìn)系統(tǒng)的新型Spar平臺三維結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 新型Spar平臺三維結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)移動平臺上下移動功能而設(shè)置的行走機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要由滑軌、行走齒條、電機(jī)等組合成。各個裝置的設(shè)置初步方案如下：首先，考慮在每個立柱的側(cè)面設(shè)置滑軌，并以該滑軌為對稱軸在移動平臺上設(shè)置行走齒輪和為行走齒輪的運(yùn)行提供動力的電機(jī)。并且，滑軌上設(shè)置與行走齒輪相咬合的齒條，通過電機(jī)的正向和反向運(yùn)作，行走齒輪和滑軌配個，實(shí)現(xiàn)行走齒輪的上下移動，從而帶動移動平臺的上下移動。移動平臺及其行走裝置如圖5所示。

3 新型Spar平臺結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

新型Spar平臺是一種適用于多種深度的推進(jìn)且能夠在海洋中實(shí)現(xiàn)自航的Spar平臺，在結(jié)構(gòu)上具有許多特點(diǎn)。

3.1 總體特點(diǎn)

該新型Spar平臺是一種設(shè)有升降推進(jìn)系統(tǒng)的全回轉(zhuǎn)自航式Spar平臺，從上至下依次包括工作甲板、推進(jìn)系統(tǒng)平臺及軟艙，推進(jìn)系統(tǒng)平臺與軟艙通過中央井進(jìn)行連接，且該中央井貫穿推進(jìn)系統(tǒng)平臺延伸至工作甲板；所述推進(jìn)系統(tǒng)平臺包括沿中央井周向設(shè)置的若干立柱及套設(shè)于該若干立柱外的移動平臺，移動平臺與立柱的接觸面間設(shè)有驅(qū)動該移動平臺上下移動的行走機(jī)構(gòu)。

圖5 移動平臺及其行走裝置

3.2 突出特點(diǎn)

（1）該平臺設(shè)置的行走機(jī)構(gòu)包括設(shè)于立柱上的滑軌及以該滑軌為對稱軸對稱設(shè)于移動平臺上的行走齒輪，所述滑軌上設(shè)有與該行走齒輪相咬合的齒條。滑軌為“工”字形結(jié)構(gòu)，滑軌“工”字的頂部沿立柱的表面連接固定，“工”字的中間凹槽部內(nèi)設(shè)有與行走齒輪相咬合的齒條。凹槽部內(nèi)設(shè)有中間軌道及兩側(cè)的邊翼，行走齒輪與中間軌道相咬合并被兩側(cè)的邊翼所包裹。

（2）中央井貫穿軟艙和工作甲板，為采油立管提供通道。中央井外縱向設(shè)有多層水平設(shè)置的垂蕩板，相鄰垂蕩板之間通過垂直撐桿支撐［4］。中央井為中空的圓柱形結(jié)構(gòu)，移動平臺為方形結(jié)構(gòu)，該方形結(jié)構(gòu)的移動平臺四面均設(shè)有螺旋槳。

（3）該Spar平臺還包括設(shè)于移動平臺上為行走機(jī)構(gòu)提供動力的電機(jī)。推進(jìn)系統(tǒng)平臺底端垂蕩板上設(shè)有系泊纜，該系泊纜的另一端與海底的錨基連接。

3.3 有益效果

該新型Spar平臺能在海洋中不需要拖船拖動的情況下實(shí)現(xiàn)自航，提高了海上Spar平臺的利用率，且可適用于多種深度時(shí)的推進(jìn)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、簡單，使用方便。

4 結(jié)語

新型Spar平臺在如今這個油氣資源短缺的時(shí)代，無疑是雪中送炭，現(xiàn)在開發(fā)新型的海洋平臺已是當(dāng)務(wù)之急，冷靜分析當(dāng)前需求及結(jié)構(gòu)合理性，設(shè)計(jì)出新型Spar平臺是當(dāng)下的主要研究方向。本文設(shè)計(jì)的新型Spar平臺結(jié)構(gòu)方案不僅盡量減少了施工的復(fù)雜程度，而且在自航性、靈活性等方面取得了很大的突破。但是，面對南海的特殊情況，新型Spar平臺結(jié)構(gòu)方案能否真正得到應(yīng)用與實(shí)施，還需進(jìn)一步研究。