桁架式SPAR平臺建造方案

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

目前世界上常用的深水生產(chǎn)裝備有FPSO、半潛式生產(chǎn)平臺、SPAR、TLP等[1-2]。相對于其他深水浮式生產(chǎn)平臺，SPAR平臺具有穩(wěn)性好、運動性能更優(yōu)的特點，在惡劣海洋環(huán)境條件下SPAR平臺的安全性具有無可比擬的優(yōu)勢[3-5]。到目前為止，我國的船廠都未開展過SPAR平臺的建造工作，在SPAR建造方案的研究上仍處于空白階段。SPAR平臺的建造研究必須結(jié)合船廠的具體情況來分析，不同的場地設(shè)施條件，決定了不同的建造方案[6]。為了突破SPAR平臺建造領(lǐng)域的技術(shù)難點，根據(jù)上海外高橋造船有限公司的場地設(shè)施條件，以一桁架式SPAR平臺為研究對象，針對SPAR平臺不同結(jié)構(gòu)的特點，依據(jù)平臺海上安裝的要求，將目標(biāo)平臺分為上部模塊和平臺主體進行建造，制定一套適合于外高橋船廠的桁架式SPAR合理建造方案。

1 基本參數(shù)信息

1.1 SPAR平臺參數(shù)

目標(biāo)SPAR平臺上部模塊設(shè)計為3層，最下層甲板與中間生產(chǎn)甲板間距10 m，而中間生產(chǎn)甲板與上層鉆井甲板的間距則為11 m。三層甲板中，中間生產(chǎn)甲板與上層鉆井甲板的形狀是較為規(guī)整的矩形，而最下層甲板的形狀非常不規(guī)則，并且長度方向和寬度方向的跨度很大。

目標(biāo)桁架式SPAR平臺主體分為硬艙、桁架區(qū)域和軟艙三部分，其中桁架區(qū)域一般包括由撐桿構(gòu)成的桁架結(jié)構(gòu)和垂蕩板[7]。硬艙為封閉式圓柱體鋼結(jié)構(gòu)，位于主體的上部，中間設(shè)有4層甲板。在硬艙的外殼上，還設(shè)有3列螺旋側(cè)板，螺旋側(cè)板沿硬艙長度方向以螺旋狀遍布。平臺主體在桁架以下的部分稱為軟艙，位于SPAR平臺的最底部。目標(biāo)平臺主尺度見表1。

表1 桁架式SPAR平臺主尺度

1.2 場地和設(shè)施參數(shù)

由于SPAR平臺需要在海上安裝，考慮運輸安裝的方式，以及上海外高橋造船有限公司的場地和設(shè)施條件，兼顧平臺主體和上部模塊同時施工，減少建造周期，減低建造成本，提高經(jīng)濟效益等目的，同時綜合考慮SPAR平臺主體長度，選擇2號平臺作為平臺主體的建造場地，選擇1號平臺作為上部模塊的建造場地，布置圖見圖1。2號平臺位于1號塢前側(cè)，1號平臺則在1號塢一側(cè)，2個平臺配置共用2臺600 t龍門吊。

圖1 建造場地布置示意

2 上部模塊建造方案

考慮到SPAR平臺上部模塊具有分塊吊裝和雙船浮托安裝兩種海上安裝方案，因此，所制定的上部模塊建造方案具有一定的適用性，能夠滿足兩種海上安裝方案的要求。

目標(biāo)平臺的上部模塊為傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，因此，采用傳統(tǒng)的分段建造，在平臺上進行合攏[8-9]。主要的建造順序為：采用自下而上的搭載順序，先最下層甲板，然后最下層甲板與中間生產(chǎn)甲板間的橫向和縱向桁架結(jié)構(gòu)、中間生產(chǎn)甲板、最中間生產(chǎn)甲板與上層鉆井甲板間的橫向和縱向桁架結(jié)構(gòu)、上層鉆井甲板、生活樓和直升機平臺依次進行搭載合攏，每個分段在搭載前達到最大的預(yù)舾裝效果，最終完成整個結(jié)構(gòu)建造過程。

2.1 分段劃分方案

根據(jù)上部模塊的主尺度、功能形式和總體布置結(jié)合船廠的實際情況，把SPAR平臺上部模塊結(jié)構(gòu)劃分為最下層甲板區(qū)域、中間生產(chǎn)甲板和上層鉆井甲板區(qū)域、生活樓區(qū)域和直升機平臺區(qū)域等3個區(qū)域，共分為3個總段，48個分段。

最下層甲板區(qū)域根據(jù)其上設(shè)備布置，考慮到公司分段流轉(zhuǎn)最大長度為20 m，結(jié)合結(jié)構(gòu)特點，此區(qū)域單獨作為一個總段，為80A，該總段包括20個分段，具體見圖2。最下層甲板分段為定位總段，其中與上部模塊跟平臺主體連接立柱相連的4個分段，即分段824、825、833、834，為定位分段。

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式特點，將上部模塊的中間生產(chǎn)甲板和上層鉆井甲板劃分為一個總段，為81A，該總段包括22個分段，具體劃分見圖3。

生活樓區(qū)域和直升機平臺分為總段90A，包含6個分段，其中906分段為直升機平臺，其余分段為生活樓區(qū)域，具體劃分見圖4。

圖2 最下層甲板分段總段劃分

圖3 中間生產(chǎn)甲板分段總段劃分

圖4 生活樓和直升機平臺區(qū)域分段總段劃分

2.2 搭載網(wǎng)絡(luò)圖

首先在平臺內(nèi)進行定位測量，在平臺底上繪制格子線，根據(jù)工裝件布置圖布置相應(yīng)滑軌和工裝件，將定位分段824、825和833、834吊放到指定的位置，保證上部模塊與船體支墩位置精度，完成定位檢驗后，逐次吊裝搭載其它分段/總段。

上部模塊各區(qū)域分段/總段的合攏、總組及搭載順序清晰地顯示在上部模塊搭載網(wǎng)絡(luò)示意圖中，見圖5。

圖5 上部模塊搭載網(wǎng)路

3 平臺主體建造方案

3.1 分段總段劃分方案

SPAR平臺總長195 m，其中硬艙長95 m，軟艙長10 m，桁架結(jié)構(gòu)長90 m。硬艙為圓筒形結(jié)構(gòu)，直接39.6 m，軟艙為常規(guī)多層方形結(jié)構(gòu)，為39.6 m×39.6 m的方形結(jié)構(gòu)。分段總段劃分時除了考慮平臺尺寸、結(jié)構(gòu)本身的限制外，還需考慮建造場地本身尺寸及其起重能力等的制約。

由于硬艙結(jié)構(gòu)為圓筒形，分為5層，以圓心基本成中心對稱，根據(jù)實際建造場地的起重能力及場地布置進行分段、總段劃分。整個硬艙分將為五個環(huán)段，依次為H1、H2、H3、H4和H5，其中H5的環(huán)段長度為17 m，其余H1至H4的環(huán)段長度均為19.5 m。每個環(huán)段再大約根據(jù)矩形中央井口對角線的位置，對稱的分為4個總段，共劃分為20個總段，每個總段再根據(jù)其對稱性劃分為2個建造用的分段，共40個分段。

目標(biāo)SPAR平臺的桁架結(jié)構(gòu)區(qū)域主要由3段管狀桁架結(jié)構(gòu)和兩層垂蕩板結(jié)構(gòu)組合而成。考慮到管子桁架結(jié)構(gòu)的建造特殊性及垂蕩板結(jié)構(gòu)的整體性，可考慮將其分成5大部分，包括三部分管架結(jié)構(gòu)和2個垂蕩板總段(32A和32B)。每個垂蕩板總段根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性，均分為4個分段，因此，垂蕩板總段共分為8個分段。上層垂蕩板總段采用反態(tài)建造，整體翻身后總組的模式，下層垂蕩板總段采用正態(tài)建造，有利于提高建造精度。而管狀桁架結(jié)構(gòu)可采用局部拼裝成大組立，最后散裝的形式。

軟艙結(jié)構(gòu)屬于常規(guī)的箱體結(jié)構(gòu)。將其按水平高度劃分為2層，每層分為2個總段和2個分段，即軟艙共劃分4個總段和4個分段。由于軟艙中部為中央井口，因此，每個總段根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性，再劃分為3個分段，共計6個分段，也就是軟艙區(qū)域共劃分為16個分段。底層總段22A正態(tài)建造，上層總段22B反態(tài)建造，總組之后翻身。軟艙結(jié)構(gòu)重量為約1 500 t，劃分為分段后每個分段約100 t。尺寸在20 m以下，可以選擇的建造場地非常多，便于施工，同時也便于后期的總組。

3.2 硬艙建造方案

SPAR平臺硬艙外形為圓筒形，因此硬艙的外殼存在一定的弧度，由于硬艙外殼弧度為360°，所以硬艙分段曲率的大小完全取決于硬艙直徑的大小，目標(biāo)SPAR平臺由于直徑較大，因此硬艙外殼曲率相對較小，在制作硬艙分段時更易于建造[10]。

硬艙分段建造中，以模板胎架為建造基礎(chǔ)，將圓弧形外板作為基面進行側(cè)向建造，水平隔板及平臺分組立安裝至外板上，待裝焊完畢后，整體翻身，放置于普通胎架上，完成外板上舾裝件的安裝。然后，用平板車將分段運輸至二號平臺旁邊的開闊場地進行分段總組，總組后的總段將吊裝到2號平臺搭載為大型環(huán)段，為了保證總段的曲率精度要求，總組過程也是在模板胎架上完成。

分段建造完成后，將運輸至2號平臺旁的空曠場地進行總組，硬艙分段總組也需在胎架上進行，硬艙分段和部分軟艙分段都是在此時總組為總段，然后等待進行總段搭載，見圖6。

圖6 硬艙總段示意

在總組過程中，軟艙分段不僅完成了總段組裝，也對軟艙2層同一位置的分段、總段進行了總組，使得在最后的搭載過程中，軟艙只需進行1層搭載，減少了搭載次數(shù)，同時也減小了建造精度控制的難度。

3.3 桁架區(qū)域建造方案

桁架區(qū)域結(jié)構(gòu)包括垂蕩板和管子桁架結(jié)構(gòu)，這屬于兩種截然不同的結(jié)構(gòu)類型，因此，建造方案應(yīng)根據(jù)他們自身結(jié)構(gòu)的特點和建造的精度要求等情況而有所變化。

3.3.1 垂蕩板建造方案

垂蕩板分段為典型平面片體，與普通海工平臺的分段相比，并沒有什么更高的建造要求。垂蕩板分段以垂蕩板為基面建造，考慮到垂蕩板安裝在兩層管子桁架結(jié)構(gòu)中間，所以在分段建造時，垂蕩板上結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的一面向上。分段完成后，運輸至總組區(qū)域進行總組，最后總組成一個整體垂蕩板總段。

3.3.2 桁架結(jié)構(gòu)建造方案

桁架區(qū)域的支撐管均采用鋼板卷制后焊接而成的形式。將每層桁架結(jié)構(gòu)劃分為4個小型片體和4個垂直支撐管，每個片體由單個鋼管焊接而成。焊接過程中，需要控制鋼管的圓度及外徑尺寸，同時重點關(guān)注管子整體的直線度。

為了保證桁架區(qū)域的建造精度滿足要求，完成后的片體在分段階段不再進一步組合，待搭載階段再按照一定的搭載順序散裝，見圖7，以此方案完成每層桁架結(jié)構(gòu)的搭載。

圖7 管狀桁架拼接示意

3.4 軟艙建造方案

軟艙結(jié)構(gòu)分段、總段劃分方案充分考慮到根據(jù)外高橋起吊能力來制定的搭載方案，每個分段均為常規(guī)的板架結(jié)構(gòu)，建造及施工過程中并無特殊的難點。建造過程中，每個分段均以各自的地面平臺或者甲板平臺為基面進行建造，而后安裝相應(yīng)的舾裝件，分段建造完畢后，需要總組為總段的分段進行總組，為下一步的搭載做好準(zhǔn)備。

軟艙建造中，需重點關(guān)注軟艙與桁架區(qū)域支撐圓管相接的接頭結(jié)構(gòu)建造精度，此精度將影響后續(xù)的分段、總段搭載過程。

4 平臺主體合攏方案

硬艙環(huán)段由4個總段搭載而成，首先將最下方分段作為定位總段，然后吊裝左右兩側(cè)的總段，待搭載完成后，最后進行上部總段的吊裝。硬艙總段搭載為環(huán)段的過程根據(jù)龍門吊的使用情況，采用2個環(huán)段同時搭載方案，這樣可以最大限度的節(jié)省建造時間。待硬艙環(huán)段搭載完成后，通過滑靴滑動將2個環(huán)段合攏。環(huán)段滑移合攏過程中，垂蕩板便可在2平臺限制區(qū)域進行組裝。

硬艙合攏后，進行桁架區(qū)域結(jié)構(gòu)的安裝，垂蕩板采用整片吊裝，桁架結(jié)構(gòu)采用散裝的形式。為了保證桁架結(jié)構(gòu)管位置能夠較為精準(zhǔn)的對接到硬艙和垂蕩板的對應(yīng)位置。先將垂蕩板整片吊裝到相應(yīng)的位置；然后用工裝件固定，吊鉤不松開，保持吊裝狀態(tài)；其后進行第一節(jié)桁架結(jié)構(gòu)側(cè)方最下層2根主支撐管的安裝，第三步進行2根支撐管中間的交叉十字斜支撐管的安裝，第四步安裝兩側(cè)的交叉十字斜支撐管，第五步進行最上側(cè)的一根主支撐管的安裝，然后將最上側(cè)的交叉十字斜支撐管安裝就位，最后安裝最上側(cè)剩余的一根主支撐管，待這層所有的桁架結(jié)構(gòu)安裝完畢后，解開垂蕩板上的吊鉤。第二節(jié)和第三節(jié)桁架結(jié)構(gòu)和第二個垂蕩板的安裝方案與第一節(jié)桁架結(jié)構(gòu)和第一節(jié)垂蕩板的安裝方案相同。

在整個桁架結(jié)構(gòu)區(qū)域安裝完成后進行，首先進行大總段23A+23B的吊裝安裝，然后進行總段241+242和251+252的安裝，最后進行22A+22B的安裝。軟艙安裝的結(jié)束宣告整個SPAR平臺主體完成合攏，合攏方案見圖8。

圖8 平臺主體合攏方案

目標(biāo)SPAR平臺主體合攏后，進行螺旋側(cè)板的安裝。整條螺旋側(cè)板具有一定的曲率，整體建造施工十分困難，曲率精度和與硬艙相接位置的精度難以保證，因此建造時，將螺旋側(cè)板分為若干個小分段，小分段包括螺旋側(cè)板及其支撐結(jié)構(gòu)，這樣設(shè)計便于建造施工。由于在硬艙分段和總段建造過程中，分段和總段上螺旋側(cè)板安裝的精準(zhǔn)定位較為困難，所以整個硬艙上的螺旋側(cè)板小分段都在平臺主體合攏后進行安裝。由于螺旋側(cè)板遍布SPAR平臺硬艙，而SPAR平臺是側(cè)放在船臺上建造，因此，硬艙下方位置的螺旋側(cè)板因為工裝件原因并不進行安裝，該位置的螺旋側(cè)板將在海上進行安裝。

5 結(jié)論

1)根據(jù)上部模塊的結(jié)構(gòu)特點，梳理其建造的順序并確定了結(jié)構(gòu)分段劃分。本文中所制定的上部模塊分段劃分方案是在考慮上部模塊兩種海上安裝方案的基礎(chǔ)上完成的。因此，該分段劃分方案能夠兼顧上部模塊兩種海上安裝方案，具有較大的靈活性和適用性。

2)對SPAR平臺主體的建造方案和分段劃分等建造中的技術(shù)難點進行分析，形成了總體建造方案，雖然此建造方案是根據(jù)上海外高橋船廠場地設(shè)施條件制定的，但是仍具有一定的通用性。

3)針對SPAR平臺不同位置結(jié)構(gòu)的特性，相應(yīng)的建造方案也有所不同，建造方案應(yīng)適應(yīng)結(jié)構(gòu)型式的不同，最終確定適合于外高橋船廠的平臺主體合攏方案，該合攏方案具有一定的通用性，并可在最大限度上利用場地設(shè)施，將建造效率最大化。