关于Spar海洋平台的发展历史发展现状与未来展望

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                                          关于Spar海洋平台的发展历史发展现状与未来展望

摘要：本文将对海洋平台的发展历史，发展现状和未来发展趋势进行阐述。分析各个历史阶段平台的应用类型与各自的特点，详细描述现在最广泛使用的SPAR平台的结构系列，以及SPAR平台存在的问题，希望在不久的将来通过大家的共同努力解决当前问题，完善结构，提高平台的结构稳定性和安全性。


关键词：Spar海洋平台 张力腿海洋平台 涡激振动（VIV） 立管


一、海洋平台的发展史与使用现状

目前使用的海洋平台大致可以分为以下几类：导管平台、顺应式平台、张力腿平台、浮式采油系统、SPAR平台。
　　1.导管架平台是世界上使用最早的海洋平台，上个世纪30~60年代就率先开始英国和法国开始了研发与应用。它是大陆架海域使用的最广泛的平台之一，该平台的建造成本随着海水深度的增加而增加。一般多用于水深低于500米的情况。其结构是由位于海底的桩基支撑的钢管组成的垂直导管架组成。平台有上面由夹板构成，提供工作人员休息，勘探石油，采油设备和储存石油所需要的场所。
　　2.顺应式平台由的整体结构呈金子塔形，上方同样是有甲板组成。为提采油设备和储油设备提供一定的空间。较导管架平台，顺应式平台可以承受更大的侧向力，这意味着该平台可以应用到更深的海域，通常深度为500~900米深度的海域。国外在上个世纪50~80年代出现了顺应式平台的研究高潮，但是由于成本高，安装过程麻烦，应用情况没有其他平台那么广泛。
　　3.在顺应式平台研究达到高潮的同时，张力腿平台和SPAR平台也在迅猛发展。张力腿平台在上个世界70到90年代诞生后得到了快速发展与应用。张力腿平台由大型浮式结构和张力腿结构构成。通过充分利用浮力让张力腿受到预张力，使平台处于受拉状态，以控制平台在垂直方向的波动。张力腿平台应用水深可以达到2000米以上，具有优越整体性能和使用价值。
4.浮式采油系统由两大系统构成，一是钻探系统，二是采油系统。它是一种半潜式平台，有钢索或链锁提供拉力固定结构。通过采油提升管道将石油从海底输送到甲板上。浮式采油系统可以深达海域2000米以上。
　　5. 随着浮式采油系统和张力腿平台的诞生，在这些平台的基础上又进一步发展了一种新型平台———SPAR平台。这种平台从上上个世纪80~90年代提出后，通过近10年的实验和改进，终于在上世纪末大量的投入到海洋平台中。SPAR平台结构新颖，成本低，有大甲板和浮式圆筒容器构成。甲板上装有钻探设备、采油设备和储油设 。圆柱容器周围连接采油、钻探、输油设备。还有6~20根连接到海底用的锁链拉紧固定的钢架结构，可以深达海域3000米以上。
　　
二、综合比较各个平台的优势

在实际的应用中油气的开采成本不在于储藏位置的深浅，而是在于开采和输运的成本。导管架平台和重力平台随水深增加而迅速提高，所以对于深度大于800以上的深海领域应用的较少。顺应式平台可用于水深较小处，但是只有理论上的设计，没有实际的正式使用。张力腿平台可以很好的应用到油气开采和输运中。它的主要优点有以下几点：（1）.水平运动和垂直波动受到限制，可以采用干式完井。（2）.结构安装可以采用模块化。用船只输运到安装地后可以直接在安装地组装，安装方便。（3）.安装后平台维护更新方便，结构稳定。其中主要缺点：（1）.平台根基对于地形地质结构和土壤成分有很大依赖性。（2）.二次定位困难。（3）.平台收到海洋流力的冲击具有一定频率的振动特性，长期振动会导致疲劳寿命的降低。SPAR具有油井钻探、维护、油气输运、处理和储存的能力。结构简单、成本低。甲板支腿的间距小，SPAR顶层模块比张力腿平台效率更高，由于SPAR平台的特殊结构，它对水深不是很敏感。一般对于水深低于700米的，张力腿平台较为经济，700米以上的SPAR平台更为合理。综合以上特点，不难预测在未来20~50年内SPAR平台和张力腿平台的应用有很大的发展前景。简易张力腿平台作为多用途、卫星式的或前期采油平台也将有广阔的发展空间。

三、关于SPAR平台的发展状况

SPAR平台技术在上个世纪80~90年代已在海洋工程中得到应用，那时SPAR只是一种储油和卸油的浮式筒。在中国该平台尚处于刚刚起步的基础研发阶段。1987年Edward E.Horton在柱形浮标和张力腿平台的基础上提出了一种用于深水的生产平台：单柱平台（SPAR PLATFORM），于1996年在墨西哥海湾得到了应用。迄今为止SPAR平台经历了传统SPAR平台，桁架式SPAR平台和多柱式Cell Spar三代。 由于SPAR平台水深试用范围广，对水深不敏感，结构简单，成本低廉这些优点使得SPAR越来收到人们重视，其发展速度迅猛。
传统SPAR平台有顶部模块、壳体、系泊系统和立管四部分构成。顶部是一个桁架系统，用来钻探、油井维护、产品处理和其他组合作业。其主体结构是一个大直径、大吃水的圆柱型浮式柱状结构。这种中空结构为平台提供浮力。柱体的储油能力是该平台一个显著的优点。它通过张紧锁链来定位。
桁架式SPAR平台不具有传统SPAR平台的储油能力，因为桁架SPAR平台的壳体吃水浅、中空的圆筒与桁架构成一个组合，圆筒主要用来提供浮力，所以不能用来储油。但是，桁架式平台更轻，更节约成本，两者的运动系能基本一致。它通过在柱体侧面增加垂荡板带动大量附水质量，以增加垂荡阻尼。同时为立管提供了侧向撑体。由于桁架式底部的压力仓，整个SPAR平台在旋转时，桁架部分受到很大的扭矩，垂荡板会增加整个桁架的扭转刚度。作业时，桁架式平台的结构和垂荡板受到波浪力的连续冲击，但是垂荡板的作用会消弱整体冲击载荷。
传统SPAR和桁架式SPAR的主体机构都是大直径的圆柱筒体，对建造的工艺要求很高。因此一种新型的多柱式SPAR平台CELL SPAR被设计出来。已经在Texas建造成功。新型的CELL SPAR是由多根小筒体组成，代替以前的单根大柱体，故称为Cell Spar。垂荡板装在圆柱筒体上，能提供较大的垂荡附加质量的附加阻尼，因此Cell Spar也是低垂荡平台。该平台没有干集油树，不需要中心井，由中空圆柱体提供浮力。建造工艺过程圆柱体有辊压机压制，通过自动焊接机焊接在一起。同时，内部的环形加强构件也有自动焊机焊接到圆柱体上。

四、SPAR平台存在的问题

　　SPAR平台和平台上的立管受到的力有重力、浮力、波浪力、摇摆过程中与导框的碰撞力、内部流场的作用力、外部流场的作用力（涡激振动VIV）。重力与浮力是不变的，可以把两者合成一起，求其合力，在最后疲劳分析中加以考虑。波浪力通过液面升高的方式加以考虑。Leria BJ,Remseth S N早在80年代就研究了波浪载荷作用下立管的受力情况。外部流场主要受到涡激振动（VIV）的作用，VIV已经成为目前研究的重点和难点。Matteo Luca Facchinetti等分析了流场中管道受力的涡激振动的情况。C.Le Cunnff,E.Fontaine and F.Biolleyy尝试分析了在波浪和洋流联合作用下的立管响应，证实了涡激振动(VIV)是主要的载荷，并远远大于波浪的作用力。但涡激振动涉及到流体力学和相关复杂理论。计算涡激振动载荷以进行平台和立管疲劳分析是目前疲劳分析的难点和重点。

五、总结

　　海洋石油管线是海洋油气资源开发和利用的生命线，其安全直接影响着海洋工程的发展与海洋生物的安全。随着深海计算的发展，浮动生产系统(FPSO)，新型的Spar平台结构将会得到更广泛的应用。在海洋平台中Spar平台在国际上有着30年的历史，平均每10年更新一代，可见发展势头迅猛。但是我国还尚处于对Spar平台基础起步阶段，对平台的结构分析和开发力度不够。本文对海洋平台的发展历史和现在进行了一定的介绍，并对该r平台做了重点和详尽的描述。分析了各个平台的特点和适用范围，并提出了服役平台所存在的问题。海样品台的结构设计对平台结构稳定性和立管的稳定性和安全性有着重大的影响。涡激振动是平台影响稳定性也是影响立管疲劳的的一个重大因素。由于VIV的激荡作用将会使整个平台处于动荡的状态，同时由于输油输气立管安装在平台上，所以平台的震荡作用直接影响到立管的稳定性和疲劳寿命。因此，VIV振动将是未来海洋平台立管研究的重点，处理好VIV问题是提高平台立管疲劳寿命的一个关键因素。

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