一种新型Spar平台结构方案设计

李 骞，赵 淼，张 鹭

（南通理工学院，江苏南通 226002）

0 引言

由于近海资源的日益枯竭，人类将向更深更远的海洋进军。全球深海装备技术正在蓬勃发展，技术创新层出不穷，作业水深更加深远。我国积极推进深海开发技术，深海油气开发装备技术水平不断提高，自主设计建造新型深海油气开发装备的能力不断增强。我国南海蕴藏丰富的深海油气资源，发展适合南海油气资源开发的装配势在必行。Spar平台以其良好的自稳性等优势在深海油气开发中应用较多，且一直保持良好的作业记录，将来可作为南海油气开发的主力浮式结构［1］。

现有的Spar平台只能固定式地适应一种深度的油气开采，并在移动时需借助于拖船拖行，中间程序烦琐效率低，需消耗大量人力物力。为了充分利用我国南海油气开发的优势，保证开采的油气能够及时地存储及运转，需要克服以往Spar平台结构和功能上的局限性，设计一种新型Spar平台。该新型Spar平台不仅要具备已有Spar平台的优势，而且能够在海洋中不需要拖船拖动的情况下实现自航。所以，本文首先分析Spar平台的结构特点，取其精华，然后结合自航功能需求，设计出一种新型Spar平台结构方案。

1 Spar平台结构分析

国际上Spar平台已发展了三代，分别为：传统式Spar平台、桁架式Spar平台和多柱式Spar平台。

传统式Spar平台的结构由顶部模块、主体结构、立管及系泊系统组成。该种平台的主要特征是主体结构为封闭式单圆柱筒形结构，体型巨大［2］。主体结构分为硬舱、中段结构和软舱3个部分。硬舱位于主体的上部，是整个平台系统的主要浮力来源，中央位置有正方形的开口，贯穿整个平台主体，作为立管作业的中央井。中段结构具有储油功能。软舱内置压载可降低平台重心，使平台具有自稳性［1］。传统式Spar平台如图1所示。

桁架式Spar平台的硬舱结构与传统式Spar平台结构大致相同，是平台浮力的主要来源。但是，桁架式Spar平台中段结构采用空间桁架结构，代替原来的中段圆柱结构，桁架上下设置多层垂荡板［3］。桁架结构减小了水平方向的运动，垂荡板的设置减少了与波浪频率发生共振的可能性，改善了平台垂向运动性能［1］。桁架式Spar平台如图2所示。

图1 传统Spar平台

图2 桁架式Spar平台

多柱式Spar平台的特点是采用多个小直径圆柱组合的主体结构，代替了原先采用的大直径但圆柱的主体结构［1］。主要优点有：结构更轻，降低了运输和安装成本；降低了建造难度；结构更为简洁；具有更好的灵活性。多柱式Spar平台如图3所示。

2 新型Spar平台结构总体方案

2.1 新型Spar平台结构初步方案

图3 多柱式Spar平台

通过对Spar结构特点的分析，发现桁架式Spar平台和多柱式Spar平台的发展较为成熟，结构上的优势比较突出。如果将桁架式Spar平台的桁架结构与多柱式Spar平台多柱型主体结构结合起来，应用到新型Spar平台的结构中，那么新型Spar平台将会同时具备两种优势。所以，将新型Spar平台结构初步方案设计为：多柱-桁架式Spar平台。即从上至下依次为：工作甲板、中央井及其四周设置若干个立柱、桁架结构以及多层水平垂荡板、软舱。

工作甲板可为单层或多层的阶梯状结构以实现不同的工作情景需要。

中央井四周的若干柱体作为主要的浮体，提供平台所需的大部分浮力。

桁架结构中间穿插有垂荡板，其为空心结构，与立柱相垂，在遇到特殊海况时可尽量减小平台晃动。相邻垂荡板之间通过垂直撑杆支撑。垂荡板和垂直撑杆两者能够起到更好的阻尼作用，最大限度地减小平台的垂荡运动［4］。

软舱部分处于平台的最下方，上方开孔，供采油井及运输管道穿过。同时，设置有固定压载舱，增加平台重量，为平台增加稳性，增强高平台的抗浪性能，使平台可以更加平稳地悬浮于海水中［3］。

立柱底端垂荡板上设有系泊缆，该系泊缆的另一端与海底的锚基连接。

2.2 新型Spar平台结构方案完善

再考虑到该新型Spar平台还需要满足自航功能需求，众多周知，自航功能需要依靠推进系统来实现，那么推进系统的设置将是首先需要突破的难关。首先，推进系统需要承载装置，考虑在若干立柱的四周套设一个移动平台，移动平台上设置可转动的螺旋桨，以实现航行功能。另外，为了适应不同海域水深的变化，该移动平台需要具备上下移动的功能，以实现高度的调节，也能提供稳定性。所以，考虑在移动平台与立柱的接触面间设有驱动该移动平台上下移动的行走机构。设有升降推进系统的新型Spar平台三维结构如图4所示。

图4 新型Spar平台三维结构

为了实现移动平台上下移动功能而设置的行走机构，结构比较复杂，主要由滑轨、行走齿条、电机等组合成。各个装置的设置初步方案如下：首先，考虑在每个立柱的侧面设置滑轨，并以该滑轨为对称轴在移动平台上设置行走齿轮和为行走齿轮的运行提供动力的电机。并且，滑轨上设置与行走齿轮相咬合的齿条，通过电机的正向和反向运作，行走齿轮和滑轨配个，实现行走齿轮的上下移动，从而带动移动平台的上下移动。移动平台及其行走装置如图5所示。

3 新型Spar平台结构特点

新型Spar平台是一种适用于多种深度的推进且能够在海洋中实现自航的Spar平台，在结构上具有许多特点。

3.1 总体特点

该新型Spar平台是一种设有升降推进系统的全回转自航式Spar平台，从上至下依次包括工作甲板、推进系统平台及软舱，推进系统平台与软舱通过中央井进行连接，且该中央井贯穿推进系统平台延伸至工作甲板；所述推进系统平台包括沿中央井周向设置的若干立柱及套设于该若干立柱外的移动平台，移动平台与立柱的接触面间设有驱动该移动平台上下移动的行走机构。

图5 移动平台及其行走装置

3.2 突出特点

（1）该平台设置的行走机构包括设于立柱上的滑轨及以该滑轨为对称轴对称设于移动平台上的行走齿轮，所述滑轨上设有与该行走齿轮相咬合的齿条。滑轨为“工”字形结构，滑轨“工”字的顶部沿立柱的表面连接固定，“工”字的中间凹槽部内设有与行走齿轮相咬合的齿条。凹槽部内设有中间轨道及两侧的边翼，行走齿轮与中间轨道相咬合并被两侧的边翼所包裹。

（2）中央井贯穿软舱和工作甲板，为采油立管提供通道。中央井外纵向设有多层水平设置的垂荡板，相邻垂荡板之间通过垂直撑杆支撑［4］。中央井为中空的圆柱形结构，移动平台为方形结构，该方形结构的移动平台四面均设有螺旋桨。

（3）该Spar平台还包括设于移动平台上为行走机构提供动力的电机。推进系统平台底端垂荡板上设有系泊缆，该系泊缆的另一端与海底的锚基连接。

3.3 有益效果

该新型Spar平台能在海洋中不需要拖船拖动的情况下实现自航，提高了海上Spar平台的利用率，且可适用于多种深度时的推进，结构稳固、简单，使用方便。

4 结语

新型Spar平台在如今这个油气资源短缺的时代，无疑是雪中送炭，现在开发新型的海洋平台已是当务之急，冷静分析当前需求及结构合理性，设计出新型Spar平台是当下的主要研究方向。本文设计的新型Spar平台结构方案不仅尽量减少了施工的复杂程度，而且在自航性、灵活性等方面取得了很大的突破。但是，面对南海的特殊情况，新型Spar平台结构方案能否真正得到应用与实施，还需进一步研究。