一种新型深海海洋平台--几何形Spar和集成浮力桶的试验研究
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（上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200030）
摘 要：介绍了一种新型深海海洋平台———几何形 Spar 壳体概念和集成浮力桶立管支撑概念，并与常规 Spar 和桁架式 Spar 进
行了比较。为测定多角形 Spar 和集成浮力桶在不同环境条件下运动响应的总体性能，设计并完成了在海洋工程水池中的模
模型试验在海洋工程水池中进行，水池长 50 m，宽 30 m，水深 6 m，可模拟各种海洋环境条件，水深可借 大面积升降假底按要求调节。用于本项目的测试仪器如下：
非接触式的光学六自由度运动测量仪：用来测量模型的六个自由度运动，即：纵荡，横荡，垂荡，横摇，纵 摇及首摇；
三个电阻式浪高仪：用来测量造波机所造的不规则波浪； 4 个拉力传感器：用来测量系泊缆绳的张力； 4 个拉力传感器：用来测量立管的张力； l2 个压力传感器：用来测量 IBC 与 Spar 壳体之间防护垫的接触力； l 个位移传感器：用来测量 IBC 与 Spar 壳体之间的相对垂荡运动； 一台摄像机：用于记录模型在海洋环境作用下的运动情况。 !.# 坐标系统 本次试验采用大地坐标系 0 - XYZ 和随船坐标系 G - xyz，如图 l 所示。随船坐标系的原点在 IBC 的中 心位置。图中还给出了方向及正负号的定义。 ! . $ Spar 和 IBC 模型 根据研究所要求的海洋环境条件以及实验室设备情况，原型和模型之间线性缩尺比选为! = 70。设计 水深为 l 2l9 m，模型水深为 4 . 3 m。 八角形 Spar 和 IBC 系统主要由 Spar 壳体，甲板，IBC 及防护垫系统，升降杆茎，系泊系统，立管系统和张力 杆组成，如图 2 所示。图 3 给出了八角形 Spar 和 IBC 的立体示意图，以便对新型海洋平台有一个整体的了解。 Spar 壳体由有机玻璃和塑料板制成。 在 Spar 壳体 4 角边上共有 52 块阻尼板以减小垂荡运动。在 Spar 壳体每角边上，由 l3 块水平的阻尼板 连成单独的一排并连接在 Spar 壳体上。在 Spar 壳体的上部有 8 根桩柱支撑甲板，水平阻尼板和桩柱模型由 塑料制成。 Spar 壳体底部在圆池末端开口，由两层格栅覆盖。降落杆茎由框架限制。 2 . 4 . l IBC 集成浮力桶包括 IBC 壳体和立管。IBC 壳体是一个独立的漂浮系统，它与 Spar 壳体的吃水变化和垂荡 运动是分离而不相连的。
第4期
杨建民，等：一种新型深海海洋平台———几何形 Spar 和集成浮力桶的试验研究
25
图 1 大地坐标和随船坐标系统 Fig. 1 Earth-fixed and vessel-fixed coordinate systems
图 2 Spar 和 IBC 系统 Fig. 2 Spar and IBC system
2.4.3 系泊系统 为了将 Spar 保持在规定的位置，用 4 根缆绳将 Spar 壳体系泊。从海底锚泊点到导缆器的水平距离是
322 . 00 m（模型是 4 . 600 m）。模型缆绳每米重量为 0 . 062 4 kg，刚度为 1 . 644 kg / m，导缆器在龙骨上方的位置 为 1.088 6 m。 2.4.4 立管系统
收稿日期：2003-05-12 作者简介：杨建民（1958 - ），男，浙江湖州人，教授，博导，主要从事船舶与海洋结构物设计制造研究。
24
海洋工程
第 2l 卷
l 几何形 Spar 与集成浮力桶
几何形 Spar 壳体是对常规 Spar 和桁架式 Spa［r 5］改进设计的结合体，可望提高在波浪中的运动和受力的 总体性能并能相当可观地节省制造和安装费用。改进设计的创新主要在于：l）将常规 Spar 的圆柱形壳体改 为正八角形；2）将桁架式 Spar 的垂荡阻尼板对称布置在八角形外壳的四个边上形成一个正方形。通过采用 常规 Spar 而设计的八角形壳体的深吃水特征可减少桁架式 Spar 的波浪周期垂荡运动，同时采用桁架式 Spar 设计的垂荡阻尼板特征可减少传统 Spar 的长周期垂荡运动，从而使本设计的深海平台具有优良的性能。
几何形 Spar 与 IBC 壳体之间的四侧布置了 24 个防护垫以保护两者因相对运动而可能引起的损伤。
2 模型试验
!." 试验目的 模型试验目的主要是：l）提供新型海洋生产平台在不同环境条件下运动响应的总体特征；2）提供新型深
海生产平台和现有的常规 Spar 和桁架式 Spar 的比较基础。 !.! 试验设备
YANG Jian-min，ZHANG Huo-ming，XIAO Long-fei，PENG Tao
（State Key Laboratory of Ocean Eng. ，Shanghai Jiaotong Univ. ，Shanghai 200030，China）
Abstract：In this paper，a new type of deep sea pIatform———the Geometric Spar huII concept and an Integrated Buoyancy Can（IBC）riser support concept———is briefIy introduced and compared with the CIassic Spar concept and the Truss Spar concept. In order to determine the Geometric Spar and Integrated Buoyancy Can's generaI characteristics of the in - pIace motion response in different environmentaI conditions，a creative ocean engineering experiment is designed and impIemented. The resuIts show that the experiment is very successfuI. Key words：deep sea pIatform；Spar；Integrated Buoyancy Can（IBC）；experimentaI study
墨西哥湾
百年一遇
原型
模型
1 219
4.3
12 . 59 14 . 5
0 . 179 9 1 . 733 1
西
极限波浪
原型
模型
1 219
4.3
JONSWAP
5.1
0 来自百度文库 072 9
18 . 8
2 . 247 0
非
极限涌
原型
立管从 IBC 壳体底部的杆茎穿过套管，和位于 IBC 壳体顶部的 TLP 型张力管连接在一起，立管的下端则 固接于海底。立管采用钢缆和绳索模拟。IBC 中套管的内径为 0 . 864 m，模型为 0 . 012 3 m。杆茎由钢材制 成。IBC 中每根立管的张力 0 . 008 424 I，刚度为 0 . 124 2 I / m。
26
海洋工程
m（模型 0.013 m）。杆茎底端和 IBC 龙骨之间长度为 99 . 06 m（模型 1 . 415 m）。
第 21 卷
图 3 八角形 Spar 和 IBC 立体示意图 Fig. 3 Overview Of Spar and IBC
2 . 4 . 2 防护垫系统（Fendering SysIem） IBC 位于 Spar 壳体内部的中间位置，IBC 壳体与 Spar 壳体之间有 24 个防护垫，其布置如图 2 所示。
型试验，此类试验在国内尚属首次。
关键词：海洋平台；Spar；集成浮力桶（IBC）；实验研究
中图分类号：U641
文献标识码：A
ExperimentaI study on a new type of deep sea pIatform———Geometric Spar and Integrated Buoyancy Can
自 20 世纪 80 年代起，海洋油气开发逐渐向深海发展，各类深海海洋平台结构［1 - 4］不断涌现。据不完全 统计，国外迄今已有近 20 座张力腿平台（TLP）投入使用，最大工作水深约 1 250 m，8 座单柱式生产平台 （Spar）投入使用，最大工作水深约 1 800 m，多功能半潜式平台近 20 座，多数工作水深在 2 000 m 以上。单柱 式平台由于其圆柱形浮力体在水面以下相当深度处，水面波浪对其作用的影响小，因而运动性能、稳性及受 力情况较好。常规 Spar 的外壳全部为圆柱形桶体，稍后发展的桁架式平台（Truss Spar）则将圆柱形桶体的一 部分改成桁架结构。美国 NoveIIent LLC 公式对常规 Spar 与桁架式 Spar 进行改进，设计了一种新的深海海洋 平台，称为几何形 Spar 和集成浮力桶概念（Geometric Spar and Integrated Buoyancy Can Concepts）。
集成浮力桶（IBC）的设计创新主要在于：改变了传统 Spar 和桁架式 Spar 众多立管是由许多单个浮力桶 所支撑的缺点，采用整体的浮力壳体，形成一个独立的浮式结构，所有立管都包含在浮力壳体内，因而遮蔽了 浪流对立管的作用并为立管支撑提供浮力。同时用桁架式或箱式结构支持水线上的干树及一个 TLP 类型的 张力系统［6］以弥补 IBC 和立管之间小量的相对位移。采用整体的浮力壳体以替代许多单个浮力桶，不仅使 功能简化，有利于改善运动性能，而且在运行期间便于检测、维护和修理。
中白噪声波浪主要用于分析与波频对应的响应因子。
第4期
杨建民，等：一种新型深海海洋平台———几何形 Spar 和集成浮力桶的试验研究
27
表 1 模型试验环境条件 Tab. 1 Environment conditions for model test
环境条件
水深 / m 波浪谱模型 有义波高 / m 谱峰周期 / s
第 21 卷第 4 期 2003 年 11 月
文章编号：1005-986（5 2003）04-0023-06
海洋工程 THE OCEAN ENGINEERING
VoI.21 No.4 Nov. 2003
一种新型深海海洋平台———几何形 Spar 和集成 浮力桶的试验研究
杨建民，张火明，肖龙飞，彭 涛
Spar、IBC 模型都按缩尺比精心加工制作，模型尺度的加工误差小于 1% 。在校验台上调节的重量和重 心位置的误差小于 1% ，纵向和横向惯性半径的误差小于 3% ，防护垫、系泊系统及立管系统除按几何相似要 求进行模拟外，还对其力学特性（如弹性模数、刚度等）进行了正确的模拟。
!." 环境条件模拟 模型试验的环境条件如表 1 所示。包括墨西哥湾内百年一遇海况，西非海域的极限波浪和极限涌浪，其
上海交通大学海洋工程国家重点实验室与美国 NoveIIent LLC 公司最近进行合作研究，主要针对该公司 设计的新型海洋平台———几何形 Spar 概念和集成浮力桶立管支撑概念进行模型试验研究，测定几何形 Spar 和集成浮力桶在不同环境条件下运动响应和受力的总体性能。目前我国的海洋石油生产虽然主要在浅海水 域，但最近将拓展至深海水域。因此，对于与深海石油开采密切相关的技术进行研究具有重大的现实意义。 在国内进行此类模型试验尚属首次，其难度不仅在于模型制作相当复杂，而且对于整体重量、重心及惯量的 调节乃至在水池中的布置等都有相当的困难。
IBC 模型壳体由有机玻璃制成。下置高为 16 . 764 m（模型 0 . 239 5 m）的补偿水柜，这些水柜的底部在水 线下 1 . 524 m（模型 0 . 022 m）。封闭式底部水柜高度为 36 . 58 m（模型 0 . 523 m）。开式底部水柜高度为 12.192 m（模型 0 . 174 m），其上有两个小孔用来抽气。IBC 有一个中心孔，其内径为 4 . 267 m（模型 0 . 061 m）。 IBC 上有 8 个套管。这些套管内径为 0 . 864 m（模型 0 . 012 m）。在 IBC 两端有一些升降杆茎，其外径为 0 . 914
摘 要：介绍了一种新型深海海洋平台———几何形 Spar 壳体概念和集成浮力桶立管支撑概念，并与常规 Spar 和桁架式 Spar 进
行了比较。为测定多角形 Spar 和集成浮力桶在不同环境条件下运动响应的总体性能，设计并完成了在海洋工程水池中的模
模型试验在海洋工程水池中进行，水池长 50 m，宽 30 m，水深 6 m，可模拟各种海洋环境条件，水深可借 大面积升降假底按要求调节。用于本项目的测试仪器如下：
非接触式的光学六自由度运动测量仪：用来测量模型的六个自由度运动，即：纵荡，横荡，垂荡，横摇，纵 摇及首摇；
三个电阻式浪高仪：用来测量造波机所造的不规则波浪； 4 个拉力传感器：用来测量系泊缆绳的张力； 4 个拉力传感器：用来测量立管的张力； l2 个压力传感器：用来测量 IBC 与 Spar 壳体之间防护垫的接触力； l 个位移传感器：用来测量 IBC 与 Spar 壳体之间的相对垂荡运动； 一台摄像机：用于记录模型在海洋环境作用下的运动情况。 !.# 坐标系统 本次试验采用大地坐标系 0 - XYZ 和随船坐标系 G - xyz，如图 l 所示。随船坐标系的原点在 IBC 的中 心位置。图中还给出了方向及正负号的定义。 ! . $ Spar 和 IBC 模型 根据研究所要求的海洋环境条件以及实验室设备情况，原型和模型之间线性缩尺比选为! = 70。设计 水深为 l 2l9 m，模型水深为 4 . 3 m。 八角形 Spar 和 IBC 系统主要由 Spar 壳体，甲板，IBC 及防护垫系统，升降杆茎，系泊系统，立管系统和张力 杆组成，如图 2 所示。图 3 给出了八角形 Spar 和 IBC 的立体示意图，以便对新型海洋平台有一个整体的了解。 Spar 壳体由有机玻璃和塑料板制成。 在 Spar 壳体 4 角边上共有 52 块阻尼板以减小垂荡运动。在 Spar 壳体每角边上，由 l3 块水平的阻尼板 连成单独的一排并连接在 Spar 壳体上。在 Spar 壳体的上部有 8 根桩柱支撑甲板，水平阻尼板和桩柱模型由 塑料制成。 Spar 壳体底部在圆池末端开口，由两层格栅覆盖。降落杆茎由框架限制。 2 . 4 . l IBC 集成浮力桶包括 IBC 壳体和立管。IBC 壳体是一个独立的漂浮系统，它与 Spar 壳体的吃水变化和垂荡 运动是分离而不相连的。
第4期
杨建民，等：一种新型深海海洋平台———几何形 Spar 和集成浮力桶的试验研究
25
图 1 大地坐标和随船坐标系统 Fig. 1 Earth-fixed and vessel-fixed coordinate systems
图 2 Spar 和 IBC 系统 Fig. 2 Spar and IBC system
2.4.3 系泊系统 为了将 Spar 保持在规定的位置，用 4 根缆绳将 Spar 壳体系泊。从海底锚泊点到导缆器的水平距离是
322 . 00 m（模型是 4 . 600 m）。模型缆绳每米重量为 0 . 062 4 kg，刚度为 1 . 644 kg / m，导缆器在龙骨上方的位置 为 1.088 6 m。 2.4.4 立管系统
收稿日期：2003-05-12 作者简介：杨建民（1958 - ），男，浙江湖州人，教授，博导，主要从事船舶与海洋结构物设计制造研究。
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海洋工程
第 2l 卷
l 几何形 Spar 与集成浮力桶
几何形 Spar 壳体是对常规 Spar 和桁架式 Spa［r 5］改进设计的结合体，可望提高在波浪中的运动和受力的 总体性能并能相当可观地节省制造和安装费用。改进设计的创新主要在于：l）将常规 Spar 的圆柱形壳体改 为正八角形；2）将桁架式 Spar 的垂荡阻尼板对称布置在八角形外壳的四个边上形成一个正方形。通过采用 常规 Spar 而设计的八角形壳体的深吃水特征可减少桁架式 Spar 的波浪周期垂荡运动，同时采用桁架式 Spar 设计的垂荡阻尼板特征可减少传统 Spar 的长周期垂荡运动，从而使本设计的深海平台具有优良的性能。
几何形 Spar 与 IBC 壳体之间的四侧布置了 24 个防护垫以保护两者因相对运动而可能引起的损伤。
2 模型试验
!." 试验目的 模型试验目的主要是：l）提供新型海洋生产平台在不同环境条件下运动响应的总体特征；2）提供新型深
海生产平台和现有的常规 Spar 和桁架式 Spar 的比较基础。 !.! 试验设备
YANG Jian-min，ZHANG Huo-ming，XIAO Long-fei，PENG Tao
（State Key Laboratory of Ocean Eng. ，Shanghai Jiaotong Univ. ，Shanghai 200030，China）
Abstract：In this paper，a new type of deep sea pIatform———the Geometric Spar huII concept and an Integrated Buoyancy Can（IBC）riser support concept———is briefIy introduced and compared with the CIassic Spar concept and the Truss Spar concept. In order to determine the Geometric Spar and Integrated Buoyancy Can's generaI characteristics of the in - pIace motion response in different environmentaI conditions，a creative ocean engineering experiment is designed and impIemented. The resuIts show that the experiment is very successfuI. Key words：deep sea pIatform；Spar；Integrated Buoyancy Can（IBC）；experimentaI study
墨西哥湾
百年一遇
原型
模型
1 219
4.3
12 . 59 14 . 5
0 . 179 9 1 . 733 1
西
极限波浪
原型
模型
1 219
4.3
JONSWAP
5.1
0 来自百度文库 072 9
18 . 8
2 . 247 0
非
极限涌
原型
立管从 IBC 壳体底部的杆茎穿过套管，和位于 IBC 壳体顶部的 TLP 型张力管连接在一起，立管的下端则 固接于海底。立管采用钢缆和绳索模拟。IBC 中套管的内径为 0 . 864 m，模型为 0 . 012 3 m。杆茎由钢材制 成。IBC 中每根立管的张力 0 . 008 424 I，刚度为 0 . 124 2 I / m。
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海洋工程
m（模型 0.013 m）。杆茎底端和 IBC 龙骨之间长度为 99 . 06 m（模型 1 . 415 m）。
第 21 卷
图 3 八角形 Spar 和 IBC 立体示意图 Fig. 3 Overview Of Spar and IBC
2 . 4 . 2 防护垫系统（Fendering SysIem） IBC 位于 Spar 壳体内部的中间位置，IBC 壳体与 Spar 壳体之间有 24 个防护垫，其布置如图 2 所示。
型试验，此类试验在国内尚属首次。
关键词：海洋平台；Spar；集成浮力桶（IBC）；实验研究
中图分类号：U641
文献标识码：A
ExperimentaI study on a new type of deep sea pIatform———Geometric Spar and Integrated Buoyancy Can
自 20 世纪 80 年代起，海洋油气开发逐渐向深海发展，各类深海海洋平台结构［1 - 4］不断涌现。据不完全 统计，国外迄今已有近 20 座张力腿平台（TLP）投入使用，最大工作水深约 1 250 m，8 座单柱式生产平台 （Spar）投入使用，最大工作水深约 1 800 m，多功能半潜式平台近 20 座，多数工作水深在 2 000 m 以上。单柱 式平台由于其圆柱形浮力体在水面以下相当深度处，水面波浪对其作用的影响小，因而运动性能、稳性及受 力情况较好。常规 Spar 的外壳全部为圆柱形桶体，稍后发展的桁架式平台（Truss Spar）则将圆柱形桶体的一 部分改成桁架结构。美国 NoveIIent LLC 公式对常规 Spar 与桁架式 Spar 进行改进，设计了一种新的深海海洋 平台，称为几何形 Spar 和集成浮力桶概念（Geometric Spar and Integrated Buoyancy Can Concepts）。
集成浮力桶（IBC）的设计创新主要在于：改变了传统 Spar 和桁架式 Spar 众多立管是由许多单个浮力桶 所支撑的缺点，采用整体的浮力壳体，形成一个独立的浮式结构，所有立管都包含在浮力壳体内，因而遮蔽了 浪流对立管的作用并为立管支撑提供浮力。同时用桁架式或箱式结构支持水线上的干树及一个 TLP 类型的 张力系统［6］以弥补 IBC 和立管之间小量的相对位移。采用整体的浮力壳体以替代许多单个浮力桶，不仅使 功能简化，有利于改善运动性能，而且在运行期间便于检测、维护和修理。
中白噪声波浪主要用于分析与波频对应的响应因子。
第4期
杨建民，等：一种新型深海海洋平台———几何形 Spar 和集成浮力桶的试验研究
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表 1 模型试验环境条件 Tab. 1 Environment conditions for model test
环境条件
水深 / m 波浪谱模型 有义波高 / m 谱峰周期 / s
第 21 卷第 4 期 2003 年 11 月
文章编号：1005-986（5 2003）04-0023-06
海洋工程 THE OCEAN ENGINEERING
VoI.21 No.4 Nov. 2003
一种新型深海海洋平台———几何形 Spar 和集成 浮力桶的试验研究
杨建民，张火明，肖龙飞，彭 涛
Spar、IBC 模型都按缩尺比精心加工制作，模型尺度的加工误差小于 1% 。在校验台上调节的重量和重 心位置的误差小于 1% ，纵向和横向惯性半径的误差小于 3% ，防护垫、系泊系统及立管系统除按几何相似要 求进行模拟外，还对其力学特性（如弹性模数、刚度等）进行了正确的模拟。
!." 环境条件模拟 模型试验的环境条件如表 1 所示。包括墨西哥湾内百年一遇海况，西非海域的极限波浪和极限涌浪，其
上海交通大学海洋工程国家重点实验室与美国 NoveIIent LLC 公司最近进行合作研究，主要针对该公司 设计的新型海洋平台———几何形 Spar 概念和集成浮力桶立管支撑概念进行模型试验研究，测定几何形 Spar 和集成浮力桶在不同环境条件下运动响应和受力的总体性能。目前我国的海洋石油生产虽然主要在浅海水 域，但最近将拓展至深海水域。因此，对于与深海石油开采密切相关的技术进行研究具有重大的现实意义。 在国内进行此类模型试验尚属首次，其难度不仅在于模型制作相当复杂，而且对于整体重量、重心及惯量的 调节乃至在水池中的布置等都有相当的困难。
IBC 模型壳体由有机玻璃制成。下置高为 16 . 764 m（模型 0 . 239 5 m）的补偿水柜，这些水柜的底部在水 线下 1 . 524 m（模型 0 . 022 m）。封闭式底部水柜高度为 36 . 58 m（模型 0 . 523 m）。开式底部水柜高度为 12.192 m（模型 0 . 174 m），其上有两个小孔用来抽气。IBC 有一个中心孔，其内径为 4 . 267 m（模型 0 . 061 m）。 IBC 上有 8 个套管。这些套管内径为 0 . 864 m（模型 0 . 012 m）。在 IBC 两端有一些升降杆茎，其外径为 0 . 914