单立柱平台（Spar）的发展历程
本文摘要（由AI生成）：
本文介绍了不同类型的Spar平台，包括桁架式Spar、多立柱式Spar和MinDoc Spar。这些平台在结构、建造难度、经济性和性能方面各有特点。桁架式Spar使用较少的钢材，降低了建造和运输难度，同时通过阻尼板减小垂荡运动。多立柱式Spar则通过降低建造难度和提高经济性来优化传统Spar设计。MinDoc Spar是半潜式平台与桁架式Spar的结合产物，具有优良的运动性能和稳性。随着设计和建造经验的积累，Spar平台的投产时间逐渐缩短，同时也有越来越多的公司开始涉足Spar设计领域。
与其他平台形式相比,Spar平台具有以下特点：
·可以应用于深达3000m水深处的石油生产;
·具有较大的有效载荷;
·刚性生产立管(Rigidsteel production risers)位于中心井内部;
·由于其浮心高于重心,因此能保证无条件稳定;
·与其它浮体结构相比,具有更好的运动特性;
·壳体可以为钢结构或是水泥结构;
·可以低成本储藏石油;
·系泊系统的建造、操纵和定位较为容易;
·立管等钻井设备能装置在Spar内部,从而得到有效的保护。
因为Spar平台具有上述特点,它能够很好地满足深度为500m至3000m水域中石油的生产和储存,已经逐渐变成最具有吸引力和发展潜力的平台形式之一,被很多石油公司列为新一代的海洋石油开采平台。
图1 Spar平台名称及应用水深（Offshore Magazine Spar Poster）
Spar近30年的发展主要有四种产品诞生：
1）经典Spar（Classic Spar）
2）桁架式Spar（Truss Spar）
3）多立柱式Spar（Cell Spar）
4）MinDoc Spar
1.经典Spar（Classic Spar）
l987年,Edward E. Horton在柱形浮标(Spar)和张力腿平台概念的基础上提出一种用于深水的生产平台,即单柱平台(Spar Plat-form),并于1996年应用于墨西哥的Neptune(水深588m)。
传统Spar的主体是一个大直径、大吃水的具有规则外形的浮式柱状结构。水线以下部分为密封空心体,以提供浮力,称为浮力舱,舱底部一般装压载水或用以储油(柱内可储油也成为Spar的显著优点),中部由锚链呈悬链线状锚泊于海底。
主体中有四种形式的舱。第一种是硬舱,位于壳体的上部,它们的作用是提供平台的浮力。中间部分是储存舱。在平台建造时,底部为平衡/稳定舱(Trim/stabilitytank),当平台已经系泊并准备开始生产时,这些舱则转化为固定压载舱,它们主要用来降低重心高度。最后,还有一些压载舱,用于吃水控制。
Spar通过半张紧的钢悬索系泊系统来定位。系泊索包括海底桩链,锚链和钢缆组成。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。导缆孔通常位于硬舱的下部。系泊结构不仅与载荷大小有关,还与水深有关。在设计Spar的系泊系统时,通常使其在一根系泊索断开的情况下可以抵御百年一遇恶劣海况。系泊系统可以预先安装好,在壳体就位后进行连接。
Spar的立管系统主要由生产立管、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,因此它可以支持顶端张紧立管(Top tensioned riser, TTR)和干集油树(Drytrees)。由于每个立管通过自带的浮力罐提供张力支持,因此立管的轴向载荷与壳体运动解耦,同时使得平台对水深也不是很敏感。Spar底部接头(Keel joint)的设计,使得Spar和立管之间可以有相对运动。浮力罐从接近水表面一直延伸到水下一定深度。在一些情况下,浮力罐超出硬舱底部。在中心井内部,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。
2.桁架式Spar（Truss Spar）
第二代的桁架式Spar的概念是Deep Oil Technology (DOT)公司和SparInternational公司从1996年起经过大量的工作,历时5年后提出的,并于2000年2月份第一次应用于Nansen/Boomvang油田。
与传统Spar相比,桁架式Spar的最大优势在于其建造时对钢材的用量大大降低,从而能有效的控制建造费用,因此得到广泛的应用。
桁架式Spar的设计概念是应用桁架结构代替传统Spar柱体的中部结构(Midsection)。作为连接顶部硬舱和底部软舱的结构,这个桁架部分是一个类似于导管架(jacket)结构的空间钢架,同传统Spar的金属圆柱中部结构相比,可以节省50%的钢材。桁架式Spar通常由无内倾立腿,水平撑杆,斜杆和垂荡板(Heave plate)组成。桁架中的管状部件在整个Spar的使用过程中均产生浮力。垂荡板通常由带支架(Girders)的刚性金属结构组成,通过水平撑杆支撑,它的设计已成为桁架设计的一部分。通过增加垂直和正交的撑杆来减小垂荡板之间的跨距。垂荡板的主要作用是增加Spar平台垂直运动的附加质量和阻尼,同时也为顶端张紧立管和刚性立管(Steel Catenary Risers,SCRs)提供侧向支撑。通过将桁架腿柱构件伸长至顶部硬舱壳体结构中,来连接桁架和硬舱。硬舱和桁架结构通常是分开建造的,通过焊接交叉部分的腿柱连接在一起。在作业时,桁架结构、垂荡板和结点均受到波浪和Spar运动的连续动力载荷。因此,在结构分析和设计的过程中,必须充分考虑桁架和结点的结构强度和疲劳。其特点如下:
图2 Truss Spar 和Cell Spar平台
·中部结构和软舱部分使用较少的钢材料,建造较为便宜;
·总体吃水减小,使得单部分的建造和运输变得可行(降低了建造和运输的难度);
·通过阻尼板减小了垂荡运动,在长周期涌中都具有较好的响应;
·由于中部结构为开放式(open)的撑杆,降低了环流造成的拖曳载荷;
·壳体的涡激振荡(VortexInduced Vibration, VIV)响应减小了;
·刚性立管可以从开放式的桁架中间穿过而无需穿过硬的壳体。
3.多立柱式Spar（Cell Spar）
由于传统Spar和桁架式Spar的主体部分都包含大直径的圆柱体,对建造工艺的要求很高。一种被称作多柱式Spar的平台被设计出来。多柱式Spar的最大优点在于,同现有的Spar平台相比,它降低了建造难度,经济性较好。这种新型Spar平台的壳体由一束圆柱体组成,称为Cell,由很多处在它们空隙间的水平的和垂直的结构单元连接起来。多柱式Spar的上部结构由六个外圆柱围绕一个中心圆柱组成。这些上部圆柱提供整体所需浮力。Spar的下部通过将外圆柱中的三个延伸到底部(延长的部分称为圆柱腿)来构成。压载舱包含在这些圆柱腿的底部,从而确保平台具有足够的稳性。同大多数已经投入使用的Spar平台一样,由于浮心高于重心,多柱式Spar同样是无条件稳定的。
垂荡板装圆柱腿上,能提供较大的垂荡附加质量和附加阻尼。因此,多柱式Spar也是一种低垂荡的平台,适合刚性立管。由于多柱式Spar没有干集油树,因此,并不需要中心井,在这种情况下,中心圆柱体提供浮力。
在建造过程中,圆柱体由滚压机制成,并通过自动焊接机焊接在一起,同时,内部的环形加强构件也由相同的自动焊接机焊接到圆柱体部件上。而这种工艺在压力舱和固定平台的制造过程中已经使用多年。当需要更大直径的中心井时,可以考虑更多的外圆柱,例如8根或者更多。
多立柱式Spar迄今为止仅建造了一座（Red Hawk），2004年在美国墨西哥湾服役。这座被誉为“海洋工程界艺术品”的平台设计独特，性能优越，造价低廉。后续还没有继续建造的报道。该平台的缺点是多个立柱的组装较为复杂，外侧螺旋侧板安装困难，甲板载荷较小。
4.MinDoc Spar
MinDoc Spar是Bennett & Associates的专利产品，该概念平台Titan于2010年投产，运营的油公司为ATP。
MinDoc Spar严格意义上来讲属于半潜式平台与桁架式Spar的结合产物。该平台具有三个垂直的立柱，下端与浮箱连接，整体看起来与半潜式平台相似，但其运动性能和稳性特点更接近与Spar。
该平台使用干树生产，共六个立管，组块重量9091t，船干重16723t。平台安装与传统的Spar安装方式一致，分为湿拖-扶正-吊装三大部分。
MinDoc Spar迄今为止只建造了一座。该平台也是近年来为数不多的真正投入实际应用的新概念平台。该平台真正能投入运营主要有两方面因素促成：一方面由于该平台建造简单，成本相比于其他类型Spar要低廉，运动性能优良，安装采用成熟技术；另一方面也是由于ATP公司规模有限，该公司敢于创新，一直以来都倾向于使用新概念平台。不幸的是ATP已于2012年破产。
图3 MinDoC Spar
5.投产时间及设计公司
早期的Spar设计建造由于经验缺乏，设计和投产周期较长，第一座Spar的投产时间达到了124.6个月。随着业界对Spar的设计、建造、安装不断熟悉，Spar的投产时间逐渐缩短。Nansen Spar仅用了28个月就实现了投产。现今，Spar的投产时间平均不到64个月。
图4 Spar设计建造投产周期
具备Spar设计能力的公司不多，Truss Spar的专利为Technip所有，现今所有的Truss Spar均为Technip设计。Bennett设计的MinDOC Spar投产了一艘。当前，经典Spar专利已过期，又有诸多公司将目光投到经典Spar的设计上。
