混合立管系统及其组成结构简介

典型的混合立管系统主要由立管管体、跨接软管和顶部浮力筒三部分组成，此外还包括其他一些系统结构，如脐带系统和桩基等。

1）立管管体

混合立管的主管管体部分可为单管、管中管和集束管，具体选择哪种型式，需要考虑很多因素，例如设计者的经验、买家的要求、成本、海域的限制条件、海况、建造和安装厂家的条件等。立管管体根据输送流体成分可采用碳钢或不锈钢。

2）跨接软管

跨接软管连接着浮体和刚性立管，提供流体输送通道，主要由柔性管、端部接头、抗弯器构成。柔性管两端为采用法兰连接的端部接头，在柔性管与鹅颈装置、浮体的连接位置设有抗弯器，以防止柔性管过度弯曲。

柔性管的属性依赖于立管的用途、清管及绝缘要求。跨接软管的设计应满足在浮体发生最大慢漂工况下，柔性管弯曲半径和张力满足要求。

3）顶部浮力筒

浮力筒位于水下的深度根据油田区域波浪荷载作用的条件和最高海流速度来平衡选取，混合立管浮力筒的顶部一般位于水下50～200 m水深处，与浮式平台相距100～500 m。在条件允许的情况下，为了便于安装，浮力筒位于水下的深度以越接近水平面为宜。

浮力筒的主要作用是提供一定的张力使立管站立在水中，并处于张紧状态，以改善立管的动态响应，降低立管涡激振动，提高立管疲劳寿命，同时限制跨接软管的张力荷载及偏移角。

浮力筒的总体尺寸要考虑到立管管体、跨接软管及内部液体的重量，当然还要考虑生产和建造厂家的条件。浮力筒由多个具有脱水作用的舱室构成，每个舱室具有入水和出水部分，从而保证浮力筒内部的压力稳定。

根据立管和浮力筒的相对位置，浮力筒分为整体式浮力筒（即垂直立管穿过浮力筒）和分离式浮力筒（即垂直立管不穿过浮力筒），如图6-6所示。

图6-6　整体式浮力筒与分离式浮力筒

浮力筒一般由以下部分组成：外壳、中心管、眼板、舱壁、进出气通道等。浮力筒舱壁平板下侧布置有加强筋，以提供额外的加强作用。

浮力筒在位工作时，其内部充满氮气，设计为内外压平衡，以尽量减小壁厚，且一般内部压强略高于外部静水压强，以使浮力筒发生偏移而在深度上下降时，仍能尽量维持压力大致平衡。按照是否对浮力筒内部压强进行动态调整，可将浮力筒分为封闭式和开放式。目前一般采用的是封闭式浮力筒。

浮力筒一般划分为若干舱室（图6-7），当某一舱室破损进水后，使浮力筒能够不立即经受整体沉没的风险。同时，一般将浮力筒最底部的舱室设为永久压载舱，以便某一舱室破损后，能及时排除永久压载舱的压载水，维持浮力筒浮态。

图6-7　浮力筒的基本构造

4）桩基

桩基为混合立管在海底的基座系统，桩基一般深度是200 m或者更深。桩基由可以和立管高度完整连接的具有钻探和泥浆吸力功能的装置构成，桩基的直径和插入土壤的深度由立管所需的张力和土壤条件决定，在很多情况下其类型是标准化的。桩基顶部和混合立管的连接方式有两种，一种是铰接式连接，另一种是固定式连接。桩基和浮体的水平距离取决于跨接软管的长度、立管基座的偏置、浮力筒的深度和整个系统的方位角。

目前存在的桩基类型主要有重力式桩基、吸力式桩基、钻探和灌浆式桩基、喷吹式桩基和驱动式桩基。

目前在各油田开发项目中的混合立管多数采用的是吸力式桩基，主要是考虑生产、建造、安装，以及对应的吸力桩适合于FPSO和FPS等。吸力式桩基的直径不大，一般在30～40 in，插入深度为120 m，可提供较高的张力，其建造安装技术已经逐渐成熟，可以采用多种安装方式安装，且已经应用于很多领域。

5）连接系统(www.xing528.com)

混合立管的连接系统主要包括跨接软管、浮力筒、海底基座和立管的连接系统，以及立管管体之间的连接系统。

（1）跨接软管和立管的连接系统

鹅颈连接系统连接着跨接软管和立管管体，受到的弯矩较大，一般设定其曲率半径为3倍或5倍的直径。它的位置一般有两种，一种是位于浮力筒下方，与分离式浮力筒结构相对应。这样的连接简化了立管和浮力筒的接触，因为此时立管不必穿过浮力筒，而且跨接软管可以和鹅颈连接系统提前装配。但是连接相对困难，同时跨接软管的更换、修复比较麻烦，还需要安装复杂的跨接软管断开系统。另一种是鹅颈连接系统位于浮力筒上方，允许立管和跨接软管独立安装。该连接方式降低了跨接软管的连接费用，跨接软管安装较快，便于对其损伤进行检测、抗弯器等构件的安装，以及维修、更换和回收管线。但是立管需要穿过浮力筒与跨接软管连接，因而在浮力筒内部要设计适当的立管连接装置，在浮力筒的顶端要有一个专门的连接装置连接跨接软管和立管，这就增加了浮力筒的设计复杂性。这两种鹅颈连接系统如图6-8所示。

图6-8　两种鹅颈连接系统结构示意图

（2）浮力筒和立管的连接系统

柔性接头或锚链位于浮力筒的底端，是浮力筒和立管的连接系统，它控制着浮力筒和立管之间的相对运动。图6-9是典型的锚链连接系统。

（3）立管管体之间的连接系统

标准的混合立管管体可以采用焊接或者机械连接方式，焊接是目前通常采用的连接方式。

（4）海底基座和立管的连接系统

海底基座和立管的连接系统设计应考虑多方因素，如立管基础需能抵抗长期的垂向、水平及弯曲荷载。在立管刚刚完成安装时，一般处于垂直状态，但当其顶部安装跨接软管后，立管会与垂直方向形成3°～7°的夹角，且在外部环境荷载的作用下，立管会产生±5°的倾斜。这就会在立管底部形成一定的弯矩荷载，从而对海底基座和立管的连接系统提出了更高的强度要求。目前，海底基座和立管的连接主要有铰接式和固定式两种形式，如图6-10和图6-11所示。

图6-9　浮力筒和立管之间的锚链连接

图6-10　海底基座和立管的铰接式连接系统示意图

图6-11　海底基座和立管的固定式连接系统示意图

图6-12　跨接软管结构示意图

（5）海底管道和立管的连接系统

立管通过跨接软管与海底管道终端（PLET）进行连接。典型的跨接软管一般设计为M形（图6-12），其主要作用是实现流体在海底管道和立管之间的安全传递。

跨接软管的设计十分关键，因为除受管线延伸及内流热膨胀所带来的荷载外，还要承受立管运动所引起的荷载。跨接软管的设计优化可通过增加其长度和弯环数量实现，同时增加弯环数量可有效增大跨接软管的柔性并降低极限应力。但随之会带来一系列其他问题，如跨接软管自重增加、安装难度增大、绝缘保温困难、液体排放不便、疲劳响应加剧等。