Spar平台硬舱建造用临时垫墩计算分析

王 阔

(海洋石油工程(青岛)有限公司，山东 青岛 266520)

Spar平台工程造价低，结构安全性好，是世界上深海油气开采的主力平台类型之一。目前，已有20余座Spar平台投入使用，安全运行多年，具有良好的可靠性[1-2]。到目前为止，Spar平台主要分为三种类型，分别为Classic Spar、Truss Spar和Cell Spar，其中Truss Spar平台是主流的Spar平台类型[3-4]。本文主要对Truss Spar的结构特点进行介绍，并对硬舱结构建造用临时垫墩进行设计和计算分析。

1 Truss Spar平台的结构特点

1.1 总体结构特点

Truss Spar平台主体分为硬舱、桁架结构和软舱三个部分，如图1所示。硬舱为封闭式圆柱体结构，主要用来提供平台所需浮力；中段为开放式桁架结构，提供主体稳性所需要的深度和减少上下运动的垂荡板；软舱为压载舱，用以提高平台稳定性。

图1 Truss Spar 模型图

1.2 硬舱结构特点及建造

图2 硬舱结构图

从图2中可以看出，硬舱部分为对称结构，可以将圆环总段划分为四个大型分段进行建造，然后在滑道上进行总装。每个圆环总段除了最下面的分段可以在滑道上进行建造外，其余部分都需要在滑道外场地进行建造，这就需要考虑到使用临时垫墩。在进行临时垫墩的设计时，既要考虑到硬舱结构的特点，又要结合硬舱的分段原则，在保证硬舱建造精度和临时垫墩结构不被破坏的基础上，尽量简化临时垫墩的结构形式。

2 临时垫墩结构设计

2.1 临时垫墩种类

以海洋工程中常用的垫墩形式为基础，确定Spar平台分段建造所需垫墩类型。目前国内主要有以下垫墩形式[4]。

(1)单板式垫墩，每档肋距或间隔一档肋距设置一面胎板，如图3所示。优点：刚性好，控制分段焊接性能好。缺点：耗费材料，修正曲面时间较长。

图3 单板式垫墩图

(2)桁架式垫墩，用桁架、横向角钢、纵向拉条角钢组成垫墩，如图4所示。大多数利用废旧角钢和边角料做成，在横向角钢上面间隔排列小块胎板以代替凹凸锯齿形胎板，使其焊接时具有自由伸缩的效果。优点：材料经济，修正曲面所花的时间短。缺点：刚性较弱，批量生产时需要复验尺寸。

图4 桁架式垫墩图

(3)支柱式垫墩，由角钢或管材组成，每档肋位竖角钢数根，再用纵横加强固定，如图5所示，做成一个整体，按放样提供各点坐标数据来进行制作，不需要样板进行划线。优点：结构简单、布置灵活、省工、省料。缺点：在保证分段线型方面较差。

图5 单板式垫墩图

(4)固定模板式垫墩，该类型主要根据结构形式制作出特定的外形模板用以支撑结构，采用型材焊接而成，如图6所示。

哈佛-史密松天体物理研究中心的射电天文学家谢泼德·杜勒曼（Sheperd Doeleman）称这项工作为“旷世杰作”。杜勒曼博士致力于银河系中心的研究，并且希望有朝一日能够借助“视界望远镜”这种行星级尺寸的工具绘制黑洞的真实图像。

(5)活动支柱式垫墩，一般依据产品的结构形式和受力特点由标准杆、连接接头及支座组合而成，形成了各种满足产品制作精度和刚度要求的结构形式，如图7所示。优点：具有简便易操作、装拆方便、运用灵活、功能强大等特点。缺点：刚性差。

图6 固定式垫墩图

图7 活动支柱式垫墩图

2.2 硬舱分段临时垫墩的设计要求

由于Spar平台硬舱结构为圆柱体结构，建造时采用分段组装形式建造，对焊接精度要求较高。在设计时应考虑以下原则：安全性、适用性、经济性。

(1)尺寸满足使用要求，精度控制好，能保证硬舱分段结构外型的几何精度。

(2)在硬舱分段进行装配和焊接时，方便结构建造，并能有效防止结构变形。

(3)不影响施工进度，能有效适应场地、设备、人力等要求。

(4)具有一定通用性，经济科学。

(5)垫墩结构设计安全可靠，应能承受正常施工和使用时可能出现的各种载荷及偶然载荷，并保持整体稳定性而不倒塌。

(6)设计满足相关规范要求；。

(7)在满足结构安全适用的情况下，合理设计垫墩结构形式。

2.3 硬舱分段临时垫墩的设计思路

(1)根据所造分段线型，预先切割好完全符合分段曲线的线型，然后进行分段的建造。

(2)各个垫墩的顶端所形成的形状满足所造分段的线型形状。

(3)垫墩能够承载所建分段的重量，不会出现大面积变形。

(4)设计垫墩形式符合场地承载能力要求。

2.4 硬舱分段临时垫墩的设计实例

本文根据Spar平台分段的外形圆弧尺寸及其环形框架结构的位置，采用单板式垫墩和固定式垫墩相结合的形式，对Spar硬舱分段临时垫墩的结构形式进行设计，三维模型如图8所示。该设计的好处是支撑钢板曲面与Spar硬舱曲面很好的吻合，可以提高硬舱分段的外板建造尺寸精度，拼板、焊接后变形较小，可重复利用，为分段总装和焊接创造了较好的施工条件。

本文以某15000吨Truss Spar平台硬舱结构的某一分段为例，对临时垫墩结构进行计算分析。该分段重量约400吨，其中临时垫墩结构长度为30m，宽度为11m，高6.5m；混凝土结构长31m，宽度为12m，高500mm。

该设计主要优点如下：(1)结构外形光顺；(2)拼板，焊后变形较小，施工安全；(3)降低生产成本，降低工艺难度，拥有更高的承载能力；(4)对于环向横梁位置，对应设计支撑；(5)预留间隙，用于临时吊点焊接，方便吊装使用；(6)该设计能有效保证硬舱外板外型尺寸，保证螺旋形侧板的安装精度。

图8 临时垫墩三维模型示意图

3 有限元分析

3.1 有限元单元选取及加载

临时垫墩结构采用有限元软件ANSYS进行建模。钢板采用SHELL63单元模拟，混凝土块采用SOLID45单元模拟，钢管采用PIPE16单元模拟，有限元模型如图9所示。其中临时垫墩结构用到的所有钢材应满足GB712-2000 D36，垫块混凝土应满足YB9082-97 C40。

载荷主要考虑垂向载荷，分别为分段重量、临时垫墩结构重量和混凝土重量；边界条件为：在混凝土的下底面施加Y方向的约束，在混凝土的下底面X=0处施加X方向的约束，Z=0处施加Z方向的约束。

图9 有限元模型示意图

3.2 计算结果与分析

3.2.1 硬舱分段结构应力及位移

图10 硬舱分段有限元分析结构

从图10中可以看出，硬舱分段结构的最大位移为11.42mm，最大应力为102.604MPa。单元应力比UC=σmax[σ]=102.604/141=0.73<1.0，满足强度要求。

3.2.2 临时垫墩结构应力及位移

图11 临时垫墩结构有限元分析结果

从图11中可以看出临时垫墩结构最大位移出现在结构的最边缘处，最大值为0.8mm；临时垫墩结构的应力最大值位置同样出现在边缘处，为73.376MPa。单元应力比UC=σmax/[σ]=73.376/141=0.52<1.0，满足强度要求。

3.2.3 混凝土应力及位移

图12 混凝土结构有限元分析结果

从图12中可以看出混凝土结构的最大位移出现在混凝土结构的最右侧，最大位移值为0.037mm；混凝土结构的应力分布较均匀，最大应力位置出现在混凝土结构边缘处，且出现应力集中的现象，最大应力值为0.356MPa。单元应力比UC=σmax/[σ]=0.356/19.5=0.02<1.0，满足强度要求。

4 结语

由于我国尚没有Spar平台建造的相关经验，本文以某15000吨Truss Spar平台硬舱结构的某一分段为例，对其建造所需临时垫墩进行了设计分析，通过计算结果可知，该临时垫墩可以满足400吨硬舱分段的建造需要。

我们南海深水油气田开发已经拉开序幕，深水平台建造技术有待开发。Spar平台的建造是一项复杂的工程，很多关键技术亟需进行深入研究，用以满足未来实际工程建造的需要，推进我国深海油气开发的发展。