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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(guó)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(guó)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(zhǎng)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(cè)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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