Spar平臺硬艙建造用臨時墊墩計算分析

王 闊

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520)

Spar平臺工程造價低，結構安全性好，是世界上深海油氣開采的主力平臺類型之一。目前，已有20余座Spar平臺投入使用，安全運行多年，具有良好的可靠性[1-2]。到目前為止，Spar平臺主要分為三種類型，分別為Classic Spar、Truss Spar和Cell Spar，其中Truss Spar平臺是主流的Spar平臺類型[3-4]。本文主要對Truss Spar的結構特點進行介紹，并對硬艙結構建造用臨時墊墩進行設計和計算分析。

1 Truss Spar平臺的結構特點

1.1 總體結構特點

Truss Spar平臺主體分為硬艙、桁架結構和軟艙三個部分，如圖1所示。硬艙為封閉式圓柱體結構，主要用來提供平臺所需浮力；中段為開放式桁架結構，提供主體穩性所需要的深度和減少上下運動的垂蕩板；軟艙為壓載艙，用以提高平臺穩定性。

圖1 Truss Spar 模型圖

1.2 硬艙結構特點及建造

圖2 硬艙結構圖

從圖2中可以看出，硬艙部分為對稱結構，可以將圓環總段劃分為四個大型分段進行建造，然后在滑道上進行總裝。每個圓環總段除了最下面的分段可以在滑道上進行建造外，其余部分都需要在滑道外場地進行建造，這就需要考慮到使用臨時墊墩。在進行臨時墊墩的設計時，既要考慮到硬艙結構的特點，又要結合硬艙的分段原則，在保證硬艙建造精度和臨時墊墩結構不被破壞的基礎上，盡量簡化臨時墊墩的結構形式。

2 臨時墊墩結構設計

2.1 臨時墊墩種類

以海洋工程中常用的墊墩形式為基礎，確定Spar平臺分段建造所需墊墩類型。目前國內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置一面胎板，如圖3所示。優點：剛性好，控制分段焊接性能好。缺點：耗費材料，修正曲面時間較長。

圖3 單板式墊墩圖

(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，使其焊接時具有自由伸縮的效果。優點：材料經濟，修正曲面所花的時間短。缺點：剛性較弱，批量生產時需要復驗尺寸。

圖4 桁架式墊墩圖

(3)支柱式墊墩，由角鋼或管材組成，每檔肋位豎角鋼數根，再用縱橫加強固定，如圖5所示，做成一個整體，按放樣提供各點坐標數據來進行制作，不需要樣板進行劃線。優點：結構簡單、布置靈活、省工、省料。缺點：在保證分段線型方面較差。

圖5 單板式墊墩圖

(4)固定模板式墊墩，該類型主要根據結構形式制作出特定的外形模板用以支撐結構，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家謝潑德·杜勒曼（Sheperd Doeleman）稱這項工作為“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“視界望遠鏡”這種行星級尺寸的工具繪制黑洞的真實圖像。

(5)活動支柱式墊墩，一般依據產品的結構形式和受力特點由標準桿、連接接頭及支座組合而成，形成了各種滿足產品制作精度和剛度要求的結構形式，如圖7所示。優點：具有簡便易操作、裝拆方便、運用靈活、功能強大等特點。缺點：剛性差。

圖6 固定式墊墩圖

圖7 活動支柱式墊墩圖

2.2 硬艙分段臨時墊墩的設計要求

由于Spar平臺硬艙結構為圓柱體結構，建造時采用分段組裝形式建造，對焊接精度要求較高。在設計時應考慮以下原則：安全性、適用性、經濟性。

(1)尺寸滿足使用要求，精度控制好，能保證硬艙分段結構外型的幾何精度。

(2)在硬艙分段進行裝配和焊接時，方便結構建造，并能有效防止結構變形。

(3)不影響施工進度，能有效適應場地、設備、人力等要求。

(4)具有一定通用性，經濟科學。

(5)墊墩結構設計安全可靠，應能承受正常施工和使用時可能出現的各種載荷及偶然載荷，并保持整體穩定性而不倒塌。

(6)設計滿足相關規范要求；。

(7)在滿足結構安全適用的情況下，合理設計墊墩結構形式。

2.3 硬艙分段臨時墊墩的設計思路

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

(2)各個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，不會出現大面積變形。

(4)設計墊墩形式符合場地承載能力要求。

2.4 硬艙分段臨時墊墩的設計實例

本文根據Spar平臺分段的外形圓弧尺寸及其環形框架結構的位置，采用單板式墊墩和固定式墊墩相結合的形式，對Spar硬艙分段臨時墊墩的結構形式進行設計，三維模型如圖8所示。該設計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，可重復利用，為分段總裝和焊接創造了較好的施工條件。

本文以某15000噸Truss Spar平臺硬艙結構的某一分段為例，對臨時墊墩結構進行計算分析。該分段重量約400噸，其中臨時墊墩結構長度為30m，寬度為11m，高6.5m；混凝土結構長31m，寬度為12m，高500mm。

該設計主要優點如下：(1)結構外形光順；(2)拼板，焊后變形較小，施工安全；(3)降低生產成本，降低工藝難度，擁有更高的承載能力；(4)對于環向橫梁位置，對應設計支撐；(5)預留間隙，用于臨時吊點焊接，方便吊裝使用；(6)該設計能有效保證硬艙外板外型尺寸，保證螺旋形側板的安裝精度。

圖8 臨時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

臨時墊墩結構采用有限元軟件ANSYS進行建模。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。其中臨時墊墩結構用到的所有鋼材應滿足GB712-2000 D36，墊塊混凝土應滿足YB9082-97 C40。

載荷主要考慮垂向載荷，分別為分段重量、臨時墊墩結構重量和混凝土重量；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 計算結果與分析

3.2.1 硬艙分段結構應力及位移

圖10 硬艙分段有限元分析結構

從圖10中可以看出，硬艙分段結構的最大位移為11.42mm，最大應力為102.604MPa。單元應力比UC=σmax[σ]=102.604/141=0.73<1.0，滿足強度要求。

3.2.2 臨時墊墩結構應力及位移

圖11 臨時墊墩結構有限元分析結果

從圖11中可以看出臨時墊墩結構最大位移出現在結構的最邊緣處，最大值為0.8mm；臨時墊墩結構的應力最大值位置同樣出現在邊緣處，為73.376MPa。單元應力比UC=σmax/[σ]=73.376/141=0.52<1.0，滿足強度要求。

3.2.3 混凝土應力及位移

圖12 混凝土結構有限元分析結果

從圖12中可以看出混凝土結構的最大位移出現在混凝土結構的最右側，最大位移值為0.037mm；混凝土結構的應力分布較均勻，最大應力位置出現在混凝土結構邊緣處，且出現應力集中的現象，最大應力值為0.356MPa。單元應力比UC=σmax/[σ]=0.356/19.5=0.02<1.0，滿足強度要求。

4 結語

由于我國尚沒有Spar平臺建造的相關經驗，本文以某15000噸Truss Spar平臺硬艙結構的某一分段為例，對其建造所需臨時墊墩進行了設計分析，通過計算結果可知，該臨時墊墩可以滿足400噸硬艙分段的建造需要。

我們南海深水油氣田開發已經拉開序幕，深水平臺建造技術有待開發。Spar平臺的建造是一項復雜的工程，很多關鍵技術亟需進行深入研究，用以滿足未來實際工程建造的需要，推進我國深海油氣開發的發展。