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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式海洋平臺，SPAR平臺就是其中之一。SPAR平臺屬于順應(yīng)式平臺(CompliantPlatform)的范疇，被很多石油公司視為下一代深水平臺的發(fā)展方向。中船重工船舶設(shè)計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，該平臺定位服務(wù)于中國南海區(qū)域的浮式生產(chǎn)平臺，有鉆修井、完井功能。平臺主體結(jié)構(gòu)硬艙選用對稱的四圓柱形式，兩層垂蕩板，設(shè)置不對稱結(jié)構(gòu)的軟艙，有中央井，11根生產(chǎn)立管，平臺的主尺度見表。新型多立柱Spar平臺在進(jìn)行結(jié)構(gòu)安裝之前，需要經(jīng)歷一個扶正過程，即將其由水平狀態(tài)變?yōu)樨Q直狀態(tài)的過程。在Spar平臺拖航至海上安裝點后，按照一定的設(shè)計順序向軟艙中相應(yīng)的壓載艙注水，整個主體會在力矩作用下由水平自行扶正，需要合理設(shè)計加載有限元分析方案以保證扶正過程順利進(jìn)行。
Spar平臺扶正是一個結(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，平臺硬艙與析架的連接處會產(chǎn)生較大的總縱彎矩，并且平臺上部的出水處附近也會產(chǎn)生較大剪力，需要在平臺的結(jié)構(gòu)分析過程中予以驗證。此外，平臺在扶正過程中可能會繞縱向軸線發(fā)生橫搖轉(zhuǎn)動，這也是安裝扶正設(shè)計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，建立多立柱平臺的水動力分析模型，設(shè)計合理的扶正加載方案，并對扶正過程的關(guān)鍵截面進(jìn)行強(qiáng)度計算，為工程實踐提供參考。
由于Spar平臺扶正過程較為緩慢，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，模擬整個扶正的準(zhǔn)靜態(tài)運(yùn)動歷程。Spar平臺的強(qiáng)度分析通過靜力分析實現(xiàn)，根據(jù)扶正過程的典型傾斜工況，通過模擬平臺的重量分布情況計算結(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平臺的重量重心位置對于平臺安裝扶正分析至關(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的穩(wěn)性、以及縱搖和橫搖運(yùn)動，因此模擬時需要對平臺的重量重心進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。
Spar平臺由于其結(jié)構(gòu)主要分成三部分，主要為平臺提供壓載的底部部分稱為軟艙，為平臺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平臺艙室的滲透率為0.95，水的密度為1.025t/m3。由于Spar平臺硬艙艙室數(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平臺的CAD設(shè)計圖紙建立平臺的結(jié)構(gòu)及艙室模型如圖2所示。Spar平臺初始浮態(tài)的調(diào)整通過改變硬艙、軟艙(圖為軟艙艙室布置圖)中的壓載重量實現(xiàn)，通過分析可知，當(dāng)平臺的初始排水量達(dá)到一定重量時，扶正過程才能順利實現(xiàn)。通過一系列不同初始浮態(tài)的扶正設(shè)計分析，確定平臺扶正的初始排水量為51705.7t。定義平臺局部坐標(biāo)原點在平臺硬艙頂部的中心處，X軸正向沿軟艙不對稱凸起方向，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平臺扶正加載過程分為4步：第一步：壓載艙LC104,LC109,LC114,LC119同時加載直至滿載；第二步：壓載艙LC101,LC103,LC105,LC107,LC110,LC112,LC116,LC118同時加載直至滿載；第三步：壓載艙LC100,LC108,LC111,LC117同時加載直至滿載；第四步：壓載艙LC102,LC106,LC113,LC115同時加載直至滿載。加載完成后，平衡狀態(tài)下平臺的縱傾已達(dá)89.520，已經(jīng)滿足Spar平臺扶正的要求此時Spar平臺排水量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)整吃水及重心價置，改善結(jié)構(gòu)穩(wěn)性。平臺扶正過程的運(yùn)動預(yù)測是通過迭代計算實現(xiàn)的，其運(yùn)動變化并非連續(xù)，只有當(dāng)?shù)嬎愫蟮钠脚_處于新的平衡狀態(tài)下時，平臺的運(yùn)動發(fā)生改變，扶正。
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