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隨著人類開發(fā)海洋的步伐逐漸邁向深海海域，涌現(xiàn)出了很多新型的浮動(dòng)式海洋平臺(tái)，SPAR平臺(tái)就是其中之一。SPAR平臺(tái)屬于順應(yīng)式平臺(tái)(CompliantPlatform)的范疇，被很多石油公司視為下一代深水平臺(tái)的發(fā)展方向。中船重工船舶設(shè)計(jì)研究中心參照中國南海水深條件和油藏條件提出了一種新型的四柱型Spar平臺(tái)，該平臺(tái)定位服務(wù)于中國南海區(qū)域的浮式生產(chǎn)平臺(tái)，有鉆修井、完井功能。平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)硬艙選用對(duì)稱的四圓柱形式，兩層垂蕩板，設(shè)置不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的軟艙，有中央井，11根生產(chǎn)立管，平臺(tái)的主尺度見表。新型多立柱Spar平臺(tái)在進(jìn)行結(jié)構(gòu)安裝之前，需要經(jīng)歷一個(gè)扶正過程，即將其由水平狀態(tài)變?yōu)樨Q直狀態(tài)的過程。在Spar平臺(tái)拖航至海上安裝點(diǎn)后，按照一定的設(shè)計(jì)順序向軟艙中相應(yīng)的壓載艙注水，整個(gè)主體會(huì)在力矩作用下由水平自行扶正，需要合理設(shè)計(jì)加載有限元分析方案以保證扶正過程順利進(jìn)行。
Spar平臺(tái)扶正是一個(gè)結(jié)構(gòu)大變位過程，在此過程中承受載荷與服役期完全不同，平臺(tái)硬艙與析架的連接處會(huì)產(chǎn)生較大的總縱彎矩，并且平臺(tái)上部的出水處附近也會(huì)產(chǎn)生較大剪力，需要在平臺(tái)的結(jié)構(gòu)分析過程中予以驗(yàn)證。此外，平臺(tái)在扶正過程中可能會(huì)繞縱向軸線發(fā)生橫搖轉(zhuǎn)動(dòng)，這也是安裝扶正設(shè)計(jì)過程中需要特別注意的地方。本研究采用Moses軟件進(jìn)行扶正分析，建立多立柱平臺(tái)的水動(dòng)力分析模型，設(shè)計(jì)合理的扶正加載方案，并對(duì)扶正過程的關(guān)鍵截面進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，為工程實(shí)踐提供參考。
由于Spar平臺(tái)扶正過程較為緩慢，可視為準(zhǔn)靜態(tài)過程，因此采用準(zhǔn)靜態(tài)分析法進(jìn)行模擬計(jì)算：主要通過改變軟艙中壓載水的重量，求解壓載改變后Spar整體的重量重心位置，通過迭代計(jì)算調(diào)整結(jié)構(gòu)的浮態(tài)，求得新的平衡位置，將一系列平衡位置組合，模擬整個(gè)扶正的準(zhǔn)靜態(tài)運(yùn)動(dòng)歷程。Spar平臺(tái)的強(qiáng)度分析通過靜力分析實(shí)現(xiàn)，根據(jù)扶正過程的典型傾斜工況，通過模擬平臺(tái)的重量分布情況計(jì)算結(jié)構(gòu)沿高度方向上的剪力及彎矩曲線，進(jìn)行截面強(qiáng)度分析。Spar平臺(tái)的重量重心位置對(duì)于平臺(tái)安裝扶正分析至關(guān)重要，由于軟艙加載過程中重量重心存在不確定性，這種不確定性直接影響平臺(tái)的穩(wěn)性、以及縱搖和橫搖運(yùn)動(dòng)，因此模擬時(shí)需要對(duì)平臺(tái)的重量重心進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。
Spar平臺(tái)由于其結(jié)構(gòu)主要分成三部分，主要為平臺(tái)提供壓載的底部部分稱為軟艙，為平臺(tái)提供浮力的上部部分稱為硬艙，連接軟艙和硬艙的中間結(jié)構(gòu)部分稱為析架段。定義Spar平臺(tái)艙室的滲透率為0.95，水的密度為1.025t/m3。由于Spar平臺(tái)硬艙艙室數(shù)目較多，故按照長度劃分組合相應(yīng)艙室，軟艙艙審分布如圖所示，裝載量見表。根據(jù)Spar平臺(tái)的CAD設(shè)計(jì)圖紙建立平臺(tái)的結(jié)構(gòu)及艙室模型如圖2所示。Spar平臺(tái)初始浮態(tài)的調(diào)整通過改變硬艙、軟艙(圖為軟艙艙室布置圖)中的壓載重量實(shí)現(xiàn)，通過分析可知，當(dāng)平臺(tái)的初始排水量達(dá)到一定重量時(shí)，扶正過程才能順利實(shí)現(xiàn)。通過一系列不同初始浮態(tài)的扶正設(shè)計(jì)分析，確定平臺(tái)扶正的初始排水量為51705.7t。定義平臺(tái)局部坐標(biāo)原點(diǎn)在平臺(tái)硬艙頂部的中心處，X軸正向沿軟艙不對(duì)稱凸起方向，Z軸正向豎直向下，Y軸正向由右手定則確定，如圖所示。重心的坐標(biāo)為(0.5m,0,71.276m)，平臺(tái)頂部中心位于水下13.53m處，縱傾為0.980(頂部下沉)，基本接近正浮狀態(tài)，見圖。Spar平臺(tái)扶正加載過程分為4步：第一步：壓載艙LC104,LC109,LC114,LC119同時(shí)加載直至滿載；第二步：壓載艙LC101,LC103,LC105,LC107,LC110,LC112,LC116,LC118同時(shí)加載直至滿載；第三步：壓載艙LC100,LC108,LC111,LC117同時(shí)加載直至滿載；第四步：壓載艙LC102,LC106,LC113,LC115同時(shí)加載直至滿載。加載完成后，平衡狀態(tài)下平臺(tái)的縱傾已達(dá)89.520，已經(jīng)滿足Spar平臺(tái)扶正的要求此時(shí)Spar平臺(tái)排水量62167.6t，重心Z向坐標(biāo)為84.61m，位于浮心之下3.02m處，已處于直立狀態(tài)。在具體的安裝過程中，吊裝之前可以通過調(diào)整軟艙中的壓載物來調(diào)整吃水及重心價(jià)置，改善結(jié)構(gòu)穩(wěn)性。平臺(tái)扶正過程的運(yùn)動(dòng)預(yù)測是通過迭代計(jì)算實(shí)現(xiàn)的，其運(yùn)動(dòng)變化并非連續(xù)，只有當(dāng)?shù)?jì)算后的平臺(tái)處于新的平衡狀態(tài)下時(shí)，平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)發(fā)生改變，扶正。
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