Spar平台简述分析

一、Spar的总体结构
• • • • 上部组块 主体结构 立管系统 系泊系统
Spar平台组件
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上部组块（顶部甲板模块） ——平台生产和生活的中心
Spar平台的上部组块通常有2~4层矩形甲板结构 组成，用来进行钻探、油井维修、产品处理或其他组 合作业。 Spar平台一般设有油气处理设备、生活区、直升 机甲板以及公共设施等，根据作业设计要求，也可以 在顶层甲板上安装重型或轻型钻塔以及完成平台的钻 探、完井和修井作业。
• 典型的Spar平台从上到下主要分为硬舱、中段、 软舱。
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• 平台主体从主体顶甲板至可变压载舱底部之间的部分为 硬舱，它是一个大直径的圆柱体结构，中央井贯穿其中， 设有固定浮舱和可变压载舱，为平台提供大部分浮力， 并对平台浮态进行调整。 • 中段是指平台主体从可变压载舱底部至临时浮舱定甲板 之间的部分，它是桁架结构，在桁架结构中设置2~4层 垂挡板，以增加平台的附加质量并附加阻尼，提高稳性。 • 平台主体中段以下的部分是软舱，软舱主要设置固定压 载舱，以此减低平台重心，同时为Spar平台自行竖立过 程提供扶正力矩。 • 此外，主体外壳上还安装2~3列螺旋侧板结构，以减少 平台的涡激振动，改善平台在涡流中的性能。
有较大的水平回复力，减小了平台的水平位移 。 具有较小的刚度，降低了缆绳的拉伸程度。 缆绳的轴向刚度随轴向张力及里的作用时间而 变化，容易偏移，分 析起来比较复杂。 缆绳容易打滑而产生蠕变，只能作为悬浮部分 ，而不能预放于海底，安装起来也很复杂。 常用的合成材料有聚酯材料，聚酰胺材料，高 模数聚乙烯材料三种。缆绳可以是螺旋状，平 行股式和六股式。
2、稳定性能
• 与TLP平台不同， Spar平台的稳定性不 是从系泊系统获得的，Spar平台的重心大 大低于浮心，即使横摇和纵摇到最大角度 ， Spar平台也是个稳定系统。而TLP平 台稳性主要由上部结构、张力腿和锚基等 决定。
3、操作性能
• Spar的分散系泊系统能使它直接移动到任 意一海底油井处，而不需要借助其他中间 设备来接近井口，同时也能根据需要方便 地改变系泊索预张力，相对TLP要由生产立管、钻探立 管、输出立管以及输送管线等部分组成。 • 由于Spar的垂荡运动很小，不仅可以支持顶部 张紧立管（Ten Tension Riser），还可以使每 个立管通过自带的浮力罐（buoyancy can）或 甲板上的张紧器提供张力支持。浮力罐从接近 水表面一直延伸到水下一定深度，甚至超出硬 舱底部。 • 在中央井内部，由弹簧导向承座提供这些浮罐 的横向支持。 • 柔性海底管线（包括柔性输出立管），可以附 着在Spar的硬舱和软舱的外部，也可以通过导 向管拉进桁架内部，继而进入到硬舱的中心井 中。
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系泊方式
• 悬链线式系泊方式
• 系泊线的外形是弯曲的悬链线 ，一般由锚链和钢缆多个部分 组成，锚链与海底水平相接。 • 系锚点只受水平方向的力。 • 系泊点的回复力由其自身的重 力而产生。 • 常用于相对较浅的海域。
• 张紧式系泊方式
• 系泊线与海底以一定的角度相 交系锚点处要同时受水平和铅 直方向的力。 • 系泊线的回复力主要由其自身 的弹性而产生。 • 张紧式系泊系统在海底占据范 围比悬链线系泊系统的小很多 • 为了降低系泊线的重量，系泊 线通常采用较轻的合成材料。 • 适应于深水和超深水水域。
补充
• • • • • Quarters：住处 Buoyancy Can：浮力罐 Top Tension Riser：顶部张紧立管 Keel Joint：龙骨接头 VIV：vortex-induced vibration解释为“ 涡激振动”; 流体绕过钝物体时; 物体表面 边界层流动在逆压梯度下分离或流动在角 点处分离形成向下游拖曳的剪切层。钝体 两侧的剪切层相互作用
Fiber Rope Construction
二、Spar平台的优点
• 与其他浮体结构相比，Spar平台具有很 好的稳定性和较好的运动特性。 • 与其他海洋采油平台相比，Spar平台具 有三大优势。
• 特别适宜于深水作业，在深水环境中运动稳定、安全性良好。在系 泊系统和主体浮力控制的作用下，Spar平台相应的六个自由度上的 运动固有周期都远离常见的海洋能量集中频带，显示了良好的运动 性能。以Classic Spar为例，其典型的固有周期纵横荡为300~500s ，纵横摇为50~100s，垂荡为30s。在Spar平台投入正式生产的十 六年间，六座在役平台经历了各种恶劣的海况，还从未发生过重大 的安全事故。例如，1998年9月，世界上的第一座Spar平台—— Neptune Spar就经历了两次台风的考验，其中最大的一次Georges 号台风引起的巨浪高达9.75米，稳定风速为78kn，结果，在台风中 对平台运动响应的实际记录比实现预计的响应还要稍小些，整个平 台安然无恙，表现出来很好的安全性。 • 灵活性好。由于采用了缆索系泊系统固定，使得Spar平台十分便于 拖航和安装，在原油田开发完后，可以拆除系泊系统，直接转移到 下一个工作地点继续使用，特别适宜于在分布面广，出油点较为分 散的海洋，区域进行石油探采工作。另外，Spar平台动态定位比较 方便，即便是处于下桩状态，也可以通过调节系泊索的长度，来使 水平面上的一定范围内移动，保证在设计位置上。 • 经济性好。与固定式平台相比，Spar平台由于采用了系泊索固定， 其造价不会随着水深的增加而急剧提高。
TLP平台与Spar平台
• 系泊：Spar平台采用半张紧悬链系泊系统，TLP虽然也 属于多点系泊，但是它用张力筋腱（Tendon）代替系泊 线。 • SPAR 与TLP的设计理念是不一样的，SPAR平台重心 高于浮心，位于水里是一种绝对稳定的结构，spar平台 目前是常用的深海采油平台。TLP是利用下面张力腿的 张力才能平衡平台的浮力（重力+系泊索力=浮力），属 于一种不稳定结构，在墨西哥湾发生几次台风后，TLP 的事故比较多，现在已经逐渐开始不采用了（TLP的张 力腿腿断后会导致倾覆）。 • Spar的摇荡周期很大，纵摇能几百秒，垂荡也几十秒， 而TLP振动周期就很短，是因为张力腿很紧的缘故，它 的共振区在高频区，Spring ring Vibration（弹簧圈隔振 器）就是个很显著的特征，而Spar较关注的是慢漂力（ 差频）和VIV。
常见的钢缆结构形式：六股式，螺旋股式，多股式。螺旋 股式结构具有较强的纵向刚度和扭转平衡，旋转损耗低 ，对于深水系泊系统，常采用此种结构。 钢缆破坏的主要原因是腐蚀，常采用镀锌和润滑并配合阳 极保护的方法来防止腐蚀的发生。对于螺旋股式钢缆， 还通常采用高密度的聚乙烯外壳来防止海水腐蚀钢缆。
3）合成材料（Synthetic Wire Rope）
VIV：vortex-induced vibration解释为“涡激振动”
Spar与TLP性能对比
1、运动性能
• 相对TLP来说，Spar平台具有更好的运动性能。由于 Spar平台的垂荡板质量相对较大，同时，其水线面积相 对较小，因此有更小的垂荡运动，运动性能更好。而 TLP平台由于其张力腿钢束的约束作用，垂荡刚度很大 ，垂荡周期很小，因此在海浪能量作用下，TLP基本没 有垂荡运动。 • Spar平台的半张紧系泊装置使其水平刚度比TLP平台大 ，因此Spar纵荡、横荡运动性能都小于TLP平台，水平 位置漂移更小，同时Spar平台的纵荡/横荡运动性能相 对于TLP平台也具有很大的不同，主要是立管与顶层模 块。而TLP平台的纵荡/横荡运动性能与垂荡性能类似， 有张力腿刚度决定。
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立管系统
Spar平台的中央井自下而上贯 穿整个主体，其中充满了海 水。Spar的立管系统就位于 中央井内，在主体的屏障作 用下不受表面波和海流的影 响。SPAR平台的立管系统 向上与平台上体的生产设备 相连，向下则深入海底，可 实现采油（气）、注水、外 输等功能。立管系统根据设 计需要可以在顶部张紧式立 管(TTR)和钢制悬链线立管 （SCR）间进行选择。
4、经济成本
• Spar平台相对于TLP平台来说更具经济性。Spar平台对 水深并不敏感，水深的增加对Spar的影响只是增加系泊 系统的长度和质量，而这一部分相对于整个Spar来说只 是很小的一部分载荷。因此Spar平台能适应更深的海域 （在2000m以内）。而水深对TLP平台的张力腿系统影 响较大，目前较经济适用的水深是1300m以内。 • Spar平台的造价要远低于鲜有的张力腿平台，以目前在 役的Horn Mountain Truss Spar和在建的Mad Dog Truss Spar为例，工作水深前者为1646米，后者为 1372米，总体预算（包括平台及海底管线的建造和安装 、钻探和完井等费用）前者大约在6亿美元，后者则大 约为3.35亿美元。再看Shell石油公司在1994年872m水 深中建成的Auger TLP项目和2001年在910米水深中建 成的Brutus TLP项目，前者耗资达到了11亿美元，后者 也有7.5亿美元，与之相比，Spar平台的价格优势明显 。
系泊链材料
1）链条（Chain）
有横挡链：横档可能导致局部疲劳，如失去一个横档将会在链接处产 生较高的弯曲力矩。 无横档链：使用较多 链的等级很多，屈服强度不同，等级不同。链比其他材料的疲劳寿命 要短。 链的破坏形式：塑性破断，脆性断裂（破坏的主要形式），疲劳断裂 ，应力腐蚀。
2）钢缆（Wire Rope）
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系泊系统（链-缆-链）
——采用半张紧悬链线系泊系统
• 系泊系统一般分为系泊缆索、导缆器、起链机和海底基础四部分。Spar 平台采用半张紧悬链线系泊系统，下桩点在水平距离上远离主体平台， 有多条系泊索组成的缆索系统覆盖了很宽广的区域。系泊缆索是整个系 泊系统最重要的部分，分为海底桩链和锚链，锚链由钢缆或聚酯纤维组 成。导缆器安装在平台主体重心附近的外壁上，目的是减少系泊索的动 力载荷。起链机是对系泊系统进行操控的重要设备，成为数组，其分布 在主体顶甲板边缘的各个方向上，锚所承受的上拔载荷由打桩或负压法 安装的吸力锚来承担。