桁架式SPAR平台建造方案

(上海外高桥造船有限公司，上海 200137)

目前世界上常用的深水生产装备有FPSO、半潜式生产平台、SPAR、TLP等[1-2]。相对于其他深水浮式生产平台，SPAR平台具有稳性好、运动性能更优的特点，在恶劣海洋环境条件下SPAR平台的安全性具有无可比拟的优势[3-5]。到目前为止，我国的船厂都未开展过SPAR平台的建造工作，在SPAR建造方案的研究上仍处于空白阶段。SPAR平台的建造研究必须结合船厂的具体情况来分析，不同的场地设施条件，决定了不同的建造方案[6]。为了突破SPAR平台建造领域的技术难点，根据上海外高桥造船有限公司的场地设施条件，以一桁架式SPAR平台为研究对象，针对SPAR平台不同结构的特点，依据平台海上安装的要求，将目标平台分为上部模块和平台主体进行建造，制定一套适合于外高桥船厂的桁架式SPAR合理建造方案。

1 基本参数信息

1.1 SPAR平台参数

目标SPAR平台上部模块设计为3层，最下层甲板与中间生产甲板间距10 m，而中间生产甲板与上层钻井甲板的间距则为11 m。三层甲板中，中间生产甲板与上层钻井甲板的形状是较为规整的矩形，而最下层甲板的形状非常不规则，并且长度方向和宽度方向的跨度很大。

目标桁架式SPAR平台主体分为硬舱、桁架区域和软舱三部分，其中桁架区域一般包括由撑杆构成的桁架结构和垂荡板[7]。硬舱为封闭式圆柱体钢结构，位于主体的上部，中间设有4层甲板。在硬舱的外壳上，还设有3列螺旋侧板，螺旋侧板沿硬舱长度方向以螺旋状遍布。平台主体在桁架以下的部分称为软舱，位于SPAR平台的最底部。目标平台主尺度见表1。

表1 桁架式SPAR平台主尺度

1.2 场地和设施参数

由于SPAR平台需要在海上安装，考虑运输安装的方式，以及上海外高桥造船有限公司的场地和设施条件，兼顾平台主体和上部模块同时施工，减少建造周期，减低建造成本，提高经济效益等目的，同时综合考虑SPAR平台主体长度，选择2号平台作为平台主体的建造场地，选择1号平台作为上部模块的建造场地，布置图见图1。2号平台位于1号坞前侧，1号平台则在1号坞一侧，2个平台配置共用2台600 t龙门吊。

图1 建造场地布置示意

2 上部模块建造方案

考虑到SPAR平台上部模块具有分块吊装和双船浮托安装两种海上安装方案，因此，所制定的上部模块建造方案具有一定的适用性，能够满足两种海上安装方案的要求。

目标平台的上部模块为传统的结构形式，因此，采用传统的分段建造，在平台上进行合拢[8-9]。主要的建造顺序为：采用自下而上的搭载顺序，先最下层甲板，然后最下层甲板与中间生产甲板间的横向和纵向桁架结构、中间生产甲板、最中间生产甲板与上层钻井甲板间的横向和纵向桁架结构、上层钻井甲板、生活楼和直升机平台依次进行搭载合拢，每个分段在搭载前达到最大的预舾装效果，最终完成整个结构建造过程。

2.1 分段划分方案

根据上部模块的主尺度、功能形式和总体布置结合船厂的实际情况，把SPAR平台上部模块结构划分为最下层甲板区域、中间生产甲板和上层钻井甲板区域、生活楼区域和直升机平台区域等3个区域，共分为3个总段，48个分段。

最下层甲板区域根据其上设备布置，考虑到公司分段流转最大长度为20 m，结合结构特点，此区域单独作为一个总段，为80A，该总段包括20个分段，具体见图2。最下层甲板分段为定位总段，其中与上部模块跟平台主体连接立柱相连的4个分段，即分段824、825、833、834，为定位分段。

根据结构形式特点，将上部模块的中间生产甲板和上层钻井甲板划分为一个总段，为81A，该总段包括22个分段，具体划分见图3。

生活楼区域和直升机平台分为总段90A，包含6个分段，其中906分段为直升机平台，其余分段为生活楼区域，具体划分见图4。

图2 最下层甲板分段总段划分

图3 中间生产甲板分段总段划分

图4 生活楼和直升机平台区域分段总段划分

2.2 搭载网络图

首先在平台内进行定位测量，在平台底上绘制格子线，根据工装件布置图布置相应滑轨和工装件，将定位分段824、825和833、834吊放到指定的位置，保证上部模块与船体支墩位置精度，完成定位检验后，逐次吊装搭载其它分段/总段。

上部模块各区域分段/总段的合拢、总组及搭载顺序清晰地显示在上部模块搭载网络示意图中，见图5。

图5 上部模块搭载网路

3 平台主体建造方案

3.1 分段总段划分方案

SPAR平台总长195 m，其中硬舱长95 m，软舱长10 m，桁架结构长90 m。硬舱为圆筒形结构，直接39.6 m，软舱为常规多层方形结构，为39.6 m×39.6 m的方形结构。分段总段划分时除了考虑平台尺寸、结构本身的限制外，还需考虑建造场地本身尺寸及其起重能力等的制约。

由于硬舱结构为圆筒形，分为5层，以圆心基本成中心对称，根据实际建造场地的起重能力及场地布置进行分段、总段划分。整个硬舱分将为五个环段，依次为H1、H2、H3、H4和H5，其中H5的环段长度为17 m，其余H1至H4的环段长度均为19.5 m。每个环段再大约根据矩形中央井口对角线的位置，对称的分为4个总段，共划分为20个总段，每个总段再根据其对称性划分为2个建造用的分段，共40个分段。

目标SPAR平台的桁架结构区域主要由3段管状桁架结构和两层垂荡板结构组合而成。考虑到管子桁架结构的建造特殊性及垂荡板结构的整体性，可考虑将其分成5大部分，包括三部分管架结构和2个垂荡板总段(32A和32B)。每个垂荡板总段根据结构的对称性，均分为4个分段，因此，垂荡板总段共分为8个分段。上层垂荡板总段采用反态建造，整体翻身后总组的模式，下层垂荡板总段采用正态建造，有利于提高建造精度。而管状桁架结构可采用局部拼装成大组立，最后散装的形式。

软舱结构属于常规的箱体结构。将其按水平高度划分为2层，每层分为2个总段和2个分段，即软舱共划分4个总段和4个分段。由于软舱中部为中央井口，因此，每个总段根据结构的对称性，再划分为3个分段，共计6个分段，也就是软舱区域共划分为16个分段。底层总段22A正态建造，上层总段22B反态建造，总组之后翻身。软舱结构重量为约1 500 t，划分为分段后每个分段约100 t。尺寸在20 m以下，可以选择的建造场地非常多，便于施工，同时也便于后期的总组。

3.2 硬舱建造方案

SPAR平台硬舱外形为圆筒形，因此硬舱的外壳存在一定的弧度，由于硬舱外壳弧度为360°，所以硬舱分段曲率的大小完全取决于硬舱直径的大小，目标SPAR平台由于直径较大，因此硬舱外壳曲率相对较小，在制作硬舱分段时更易于建造[10]。

硬舱分段建造中，以模板胎架为建造基础，将圆弧形外板作为基面进行侧向建造，水平隔板及平台分组立安装至外板上，待装焊完毕后，整体翻身，放置于普通胎架上，完成外板上舾装件的安装。然后，用平板车将分段运输至二号平台旁边的开阔场地进行分段总组，总组后的总段将吊装到2号平台搭载为大型环段，为了保证总段的曲率精度要求，总组过程也是在模板胎架上完成。

分段建造完成后，将运输至2号平台旁的空旷场地进行总组，硬舱分段总组也需在胎架上进行，硬舱分段和部分软舱分段都是在此时总组为总段，然后等待进行总段搭载，见图6。

图6 硬舱总段示意

在总组过程中，软舱分段不仅完成了总段组装，也对软舱2层同一位置的分段、总段进行了总组，使得在最后的搭载过程中，软舱只需进行1层搭载，减少了搭载次数，同时也减小了建造精度控制的难度。

3.3 桁架区域建造方案

桁架区域结构包括垂荡板和管子桁架结构，这属于两种截然不同的结构类型，因此，建造方案应根据他们自身结构的特点和建造的精度要求等情况而有所变化。

3.3.1 垂荡板建造方案

垂荡板分段为典型平面片体，与普通海工平台的分段相比，并没有什么更高的建造要求。垂荡板分段以垂荡板为基面建造，考虑到垂荡板安装在两层管子桁架结构中间，所以在分段建造时，垂荡板上结构较复杂的一面向上。分段完成后，运输至总组区域进行总组，最后总组成一个整体垂荡板总段。

3.3.2 桁架结构建造方案

桁架区域的支撑管均采用钢板卷制后焊接而成的形式。将每层桁架结构划分为4个小型片体和4个垂直支撑管，每个片体由单个钢管焊接而成。焊接过程中，需要控制钢管的圆度及外径尺寸，同时重点关注管子整体的直线度。

为了保证桁架区域的建造精度满足要求，完成后的片体在分段阶段不再进一步组合，待搭载阶段再按照一定的搭载顺序散装，见图7，以此方案完成每层桁架结构的搭载。

图7 管状桁架拼接示意

3.4 软舱建造方案

软舱结构分段、总段划分方案充分考虑到根据外高桥起吊能力来制定的搭载方案，每个分段均为常规的板架结构，建造及施工过程中并无特殊的难点。建造过程中，每个分段均以各自的地面平台或者甲板平台为基面进行建造，而后安装相应的舾装件，分段建造完毕后，需要总组为总段的分段进行总组，为下一步的搭载做好准备。

软舱建造中，需重点关注软舱与桁架区域支撑圆管相接的接头结构建造精度，此精度将影响后续的分段、总段搭载过程。

4 平台主体合拢方案

硬舱环段由4个总段搭载而成，首先将最下方分段作为定位总段，然后吊装左右两侧的总段，待搭载完成后，最后进行上部总段的吊装。硬舱总段搭载为环段的过程根据龙门吊的使用情况，采用2个环段同时搭载方案，这样可以最大限度的节省建造时间。待硬舱环段搭载完成后，通过滑靴滑动将2个环段合拢。环段滑移合拢过程中，垂荡板便可在2平台限制区域进行组装。

硬舱合拢后，进行桁架区域结构的安装，垂荡板采用整片吊装，桁架结构采用散装的形式。为了保证桁架结构管位置能够较为精准的对接到硬舱和垂荡板的对应位置。先将垂荡板整片吊装到相应的位置；然后用工装件固定，吊钩不松开，保持吊装状态；其后进行第一节桁架结构侧方最下层2根主支撑管的安装，第三步进行2根支撑管中间的交叉十字斜支撑管的安装，第四步安装两侧的交叉十字斜支撑管，第五步进行最上侧的一根主支撑管的安装，然后将最上侧的交叉十字斜支撑管安装就位，最后安装最上侧剩余的一根主支撑管，待这层所有的桁架结构安装完毕后，解开垂荡板上的吊钩。第二节和第三节桁架结构和第二个垂荡板的安装方案与第一节桁架结构和第一节垂荡板的安装方案相同。

在整个桁架结构区域安装完成后进行，首先进行大总段23A+23B的吊装安装，然后进行总段241+242和251+252的安装，最后进行22A+22B的安装。软舱安装的结束宣告整个SPAR平台主体完成合拢，合拢方案见图8。

图8 平台主体合拢方案

目标SPAR平台主体合拢后，进行螺旋侧板的安装。整条螺旋侧板具有一定的曲率，整体建造施工十分困难，曲率精度和与硬舱相接位置的精度难以保证，因此建造时，将螺旋侧板分为若干个小分段，小分段包括螺旋侧板及其支撑结构，这样设计便于建造施工。由于在硬舱分段和总段建造过程中，分段和总段上螺旋侧板安装的精准定位较为困难，所以整个硬舱上的螺旋侧板小分段都在平台主体合拢后进行安装。由于螺旋侧板遍布SPAR平台硬舱，而SPAR平台是侧放在船台上建造，因此，硬舱下方位置的螺旋侧板因为工装件原因并不进行安装，该位置的螺旋侧板将在海上进行安装。

5 结论

1)根据上部模块的结构特点，梳理其建造的顺序并确定了结构分段划分。本文中所制定的上部模块分段划分方案是在考虑上部模块两种海上安装方案的基础上完成的。因此，该分段划分方案能够兼顾上部模块两种海上安装方案，具有较大的灵活性和适用性。

2)对SPAR平台主体的建造方案和分段划分等建造中的技术难点进行分析，形成了总体建造方案，虽然此建造方案是根据上海外高桥船厂场地设施条件制定的，但是仍具有一定的通用性。

3)针对SPAR平台不同位置结构的特性，相应的建造方案也有所不同，建造方案应适应结构型式的不同，最终确定适合于外高桥船厂的平台主体合拢方案，该合拢方案具有一定的通用性，并可在最大限度上利用场地设施，将建造效率最大化。