柔性立管的组成及限弯器和抗弯器的作用

柔性立管由柔性管和附属构件组成。附属构件主要包括端部接头、限弯器、抗弯器、浮块和浮拱，如图5-5所示。

1）柔性管

非粘结柔性管由金属和非金属材料组成，通常由骨架层、内压密封层、抗压铠装层、抗屈曲层、抗磨层、抗拉铠装层、中间包覆层、保温层、外包覆层等组成。柔性管最里层可以是骨架层，也可以是内压密封层。当以骨架层作为柔性管最内层时称为粗糙内壁柔性管，当以内压密封层作为柔性管最内层时称为光滑内壁柔性管。图5-6是典型的非粘结柔性管结构。骨架层为互锁结构，用于抵抗静水压溃和挤压荷载，可采用铁素体不锈钢（AISI 409、430）、奥氏体不锈钢（AISI 304、304L、316、316L）、双相不锈钢（UNS S31803）、镍基合金钢（N08825）等材料。内压密封层用来保证输送物流的密封性，由聚合物材料挤出成型，对于物流温度在－50～65℃时常选择高密度聚乙烯（HDPE），在－20～80℃时常选择尼龙11（PA-11），在－50～95℃时常选择交联聚乙烯（XLPE），在－20～130℃时常选择聚偏氟乙烯（PVDF）。抗压铠装层承受内压引起的环向应力，增强抵抗压溃及挤压能力，由与管轴成近似90°的异形钢互锁缠绕而成。抗拉铠装层承受轴向荷载和扭转荷载，以20°～60°成对反向缠绕。保温层为防止热量流失采用复合泡沫塑料（PP／PVCC）缠绕而成。外包覆层由聚合物挤塑而成，防止机械损坏后内部抗压铠装层、抗拉铠装层钢材浸入海水而被腐蚀失效，可选择HDPE、中密度聚乙烯（MDPE）或PA-11制成。

图5-5　柔性立管附属构件示意图

图5-6　典型的非粘结柔性管结构

1—骨架层；2—内压密封层；3—抗压铠装层；4、5、7—抗磨层；6—内抗拉铠装层；8—外抗拉铠装层；9—外包覆层

下面对柔性管各层结构进行介绍。

（1）骨架层

骨架层是互锁金属结构（图5-7），通常用作粗糙内壁柔性管最内层，用于防止因外压、内部压降、机械挤压造成柔性管压溃，也可用在柔性管外部以保护柔性管。骨架层材料可以是碳钢或不锈钢。

图5-7　骨架层互锁结构示意图

（2）内压密封层

内压密封层可作为光滑内壁柔性管的最内层，也可用于粗糙内壁柔性管骨架层外，用来密封管内流体。内压密封层由聚合物挤塑而成，常用的内压密封层材料有聚乙烯（PE）、XLPE、PA-11、PA-12和PVDF。内压密封层可以根据需要设置许多子层。

（3）抗压铠装层

抗压铠装层由互锁金属结构组成，接近90°缠绕在管子上，常见的抗压铠装层互锁结构有Z形、C形和T形，如图5-8所示。抗压铠装层能够增加柔性管抵抗内外压力和机械挤压荷载的能力。

图5-8　抗压铠装层互锁结构示意图

（a）Z形；（b）C形；（c）T形

（4）抗磨层

抗磨层是缠绕在金属结构层之间的热塑性材料，用于减小金属层间的磨损。常用的抗磨层材料有PA、PVDF和HDPE。

（5）抗拉铠装层

抗拉铠装层是由金属丝螺旋缠绕而成的结构层，缠绕角度通常在20°～55°，用于承受全部或部分的拉力和内压。抗拉铠装层通常成对反向缠绕，常用的材料有碳钢和不锈钢。

（6）中间包覆层

中间包覆层位于内压密封层和外包覆层之间的挤塑聚合物层，用于避免外包覆层破裂、外环空充水时，内环空充水。中间包覆层材料有HDPE、XLPE、PVDF和TPE。

（7）保温层

保温层通常位于外抗拉铠装层和外包覆层之间，用来提高柔性管的保温性能。保温层材料有PP、PVC和PU，被制成带状缠绕到管子上。

（8）外包覆层(www.xing528.com)

外包覆层位于柔性管外面，是用来保护管子以防止海水和其他外部环境物质渗入、腐蚀、磨损和机械破坏的聚合物层。外包覆层材料有HDPE、PA和TPE。

2）端部接头

端部接头是柔性管必不可少的一部分，安装在柔性管两端，由金属件、密封件和环氧树脂组成。端部接头的作用是密封柔性管各层以免发生泄漏，并将柔性管所受荷载传递到端部连接器上。

端部连接器是端部接头不可分割的一部分，端部连接器有螺栓法兰、管夹、专用连接器、焊接接头（两个接头焊接在一起），端部连接器的选择依赖于操作及使用要求。

一般用于端部接头的材料为AISI 4130钢或者合金不锈钢（双相不锈钢或6钼不锈钢）。端部接头材质和防腐蚀涂层的选择根据是应用功能，特别是内部、外部环境。端部接头材质和防腐蚀涂层应符合ISO 13628-2的要求。图5-9是端部接头结构图，图5-10是端部接头与柔性管的连接图。

图5-9　端部接头结构图

1—法兰盘；2—端部接头罩（内套管）；3—端部接头罩（外套管）；4—抗拉铠装层（埋在环氧树脂中）；5—抗压铠装层；6—外包覆层；7—内压密封层；8—端部接头颈部；9—绝缘体；10—骨架层端部环；11—密封环；12—骨架层

3）限弯器

当静态柔性管连接到水下井口、水下管汇等结构物上时，为了防止柔性管与水下结构物连接处发生过大变形，通常设置限弯器。限弯器通过机械的方式控制柔性管弯曲不超过允许的最小弯曲半径。限弯器由一些安装在管周围的紧扣在一起的联锁半环组成，当弯曲半径大于一定值之前，其对管不产生作用，当弯曲半径小于限值时，这些联锁半环将会扣紧。限弯器构件可由金属材料、抗蠕变弹性体或玻璃纤维增强塑料制成。所用材料都应根据特定环境选定，且确保具有足够的抗腐蚀性能。

图5-10　端部接头与柔性管的连接图

限弯器由聚氨酯互锁元件、元件紧固件和接口钢结构件组成，主要用于与刚性结构连接的柔性管上，防止柔性管过度弯曲，用于静态应用。图5-11是限弯器示意图。

图5-11　限弯器示意图

（a）安装有限弯器的柔性管；（b）限弯器处于锁扣位置；（c）侧视图1—端部接头；2—端部卡环；3—限弯器；4—海底管线

4）抗弯器

抗弯器一般为倒锥形，由聚氨酯浇注成型（图5-12），主要用于柔性立管与刚性连接端的连接处，增加立管的局部刚度，从而减小立管局部端部应力，防止柔性管过度弯曲，保护柔性管。主要用于动态应用。

图5-12　抗弯器实物图

限弯器是机械地防止管道过弯，而抗弯器用于局部加强挠性管的刚度。

5）浮块

浮块能提供均布的浮力荷载，使立管保持设计的形状。浮块由内部夹具及浮力件两部分组成（图5-13），浮力件提供浮力，内部夹具将浮力件固定在立管上，内部夹具通过螺栓连接到立管上，将浮块与立管的轴向移动锁住。浮力件通常由两个完全相同的复合泡沫塑料半块组成。国际上浮块主要供应商有特瑞堡公司、巴尔莫公司和Matrix公司。

图5-13　浮块结构实物图

6）浮拱

浮拱包括拱结构、系泊系统、海底锚基础。拱结构是一钢框架，框架里布置一个浮力元件，如图5-14所示。立管通过夹紧系统固定在拱结构的沟内，防止变形小于立管的最小弯曲半径。系泊系统将浮拱连接到海底锚基础上，通常由端部连接的钢链、各种钩链、平板组成。海底锚基础将浮拱固定在海底，可以是重力基础、吸力桩结构。

图5-14　浮拱结构示意图