塔式立管浮力筒的设计优化

根据塔式立管总体布置设计及以往的设计经验，同时考虑其功能要求、建造约束及安装的可行性，来确定浮力筒的设计要求，并确定其主尺度。

浮力筒设计的主要内容是确定主尺度，包括长度及直径、典型的舱室布置、界面设计及应急预案设计。

1）功能要求

塔式立管要完全依靠充入氮气的浮力筒所提供的浮力保持其在位后的特性。浮力筒本身是圆形结构，其包含彼此独立的舱室，舱室之间是采用隔舱壁分隔开。隔舱壁采用了加强筋来提供额外的加强作用，抵抗由于压力所引起的荷载作用。

浮力筒的设计考虑到塔式立管在正常位置时基本上是保证每个舱室的内外压力平衡，也就是说每个舱室的压力略有不同，其压力差主要是每个舱室的高度。这样可以保证浮力筒壳板的厚度比较小，同时考虑到建造及吊升的要求。

浮力筒的建造将采用钢板卷成筒形来形成浮力筒。为抵抗静水压力的作用，浮力筒的舱室内部采用了环形加强筋。同时在其顶部及底部，浮力筒采用了局部加强，尤其是底部和应力节点的界面部分。

为减少立管管线对浮力筒建造及性能的影响，所有的管线均沿着浮力筒壳的外表面布置，中间增加了支持结构。

浮力筒在安装过程中需要部分充水，为了在位后把水清除，每个舱室安置了进出口，最后可以采用ROV进行密封。

各舱室的氮气是通过进口的管线来提供的，该管线从壳体表面进入舱室内部，直达上部的隔舱壁，同时提供加压的氮气把舱室里的海水排出。为保证海水被彻底清除，打入该舱室的氮气一般要稍稍过压。一旦将来需要进行塔式立管的回收，则需要通过出口注入海水把舱室的氮气排出。所注入的海水要求比氮气的压力高。

为防止偶发事件导致浮力筒的浮力损失，浮力筒的设计必须进行分舱，同时其中的一个舱室必须是开始时就进行注水。如果将来浮力筒的另外一个舱室出现破损，则对该舱室进行排水来达到恢复所设计的浮力要求。一般需要将该注水的舱室尽量放置在浮力筒的下部，来保证其稳定性。

由于在材料的采购及浮力筒的建造过程中，总体的重量有可能增加，因此设计时必须充分考虑其影响，预留一定的储备浮力。根据可能的误差，浮力筒的浮力在设计中必须得到保证。

2）主尺度的确定

根据浮力筒的功能要求，第一步就是要确定浮力筒的主尺度，包括长度及直径。

根据塔式立管的总体布置设计结果，塔式立管系统的水中重量基本是中性的，这主要是由于浮力块的作用。否则，对于集束的立管，其水中重量会很大，对浮力筒的要求可能过高。(www.xing528.com)

在确定浮力筒所需提供的浮力时需要顶部张力系数，根据成功的塔式立管的实际工程经验，顶部张力系数可取1.5，浮力筒需要考虑15%的浮力预备，并考虑到塔式立管在位水动力特性，尤其是偏移的影响。

表6-5是某浮力筒的设计结果。

表6-5　某浮力筒设计结果

3）舱室布置

塔式立管浮力筒的设计需要考虑到意外情况，这也意味着浮力筒必须进行舱室划分。那么如果某一个舱室意外受损，不会导致塔式立管系统的失效。

如果某一个舱室意外进水的话，应该能够恢复所损失的浮力。因此，从一开始就对其中的一个舱室灌水，该舱室将可以用排水来恢复所损失的浮力。

4）局部设计

在确定浮力筒的总体尺寸后，就要进行浮力筒的局部设计，包括舱室高度、隔舱壁设计、底部连接设计、顶部连接设计、ROV界面设计、阳极块设计等。

5）材料选择

在70 m的水深位置，浮力筒的材料要求采用低合金钢来提供较高的设计强度，同时抵抗内外压力。

6）腐蚀控制

塔式立管浮力筒的外表面要进行热喷铝（TSA）涂层处理来控制外表面的腐蚀，由于舱室内采用高压氮气，本身具备防腐蚀作用，同时舱室内没有氧气，因此不存在腐蚀问题。对于事先充水的舱室，可以采用少量的阳极块进行防腐蚀处理。