浮筒

浮筒因為其良好的抗衝擊性，性能和合理的價格開始慢慢在國內流行起來，最重要的是它對環境無害，而且基本不用維護。不管是深水淺水，動水靜水，鹹水淡水，凍水熱水，淨水污水，幾乎只要是有水的地方，浮筒都可以物盡其用。浮筒組成的各類產品具有變化無窮、自由組合成各式形狀，簡單且快速的安裝和拆卸，對環境無害，輕巧、穩定和安全，100%免維護等特點。

漂浮在水面上的密閉金屬筒，下部用鐵錨固定，用來系船或做航標等。另外有一種新型浮筒，採用強韌高分子聚乙烯等材料製成，具有良好的抗侯性及抗衝擊破壞性，能防紫外線、防凍、抗海水化學劑油漬等侵蝕。可隨着水潮漲落而自動升降。普遍應用於浮橋、浮碼頭等水上浮動平台項目的建設 ^[1]  。

海洋石油及天然氣系統中，剛性立管在深海環境中的應用越來越廣泛，浮筒材料通常安裝在深水海洋立管外部，主要是為在深海中的剛性立管減輕重量；此外，由於立管長期工作于海洋惡劣環境中，固定在其外表面的這些浮筒也能很好地起列保護作用。高温高壓(HP/HT)的油藏，如歐洲北海、北美墨西哥灣的油藏以及中國渤海灣海域，對海洋立管提出更高的絕熱要求，以防產品沿管道冷卻時蠟狀物和水合物的形成。除了對海洋立管進行設計外外部的浮簡也能起到很好的絕熱保護作用。因此，根據深水技術海洋立管的性能、使用條件，其外部浮筒材料必須滿足如下要求：

1.浮筒材料的密度儘可能的小，使其單位體積提供儘可能大的浮力，從而提高海洋立管的工作性能；

2.能承受所要求的靜水壓力(海洋立管每潛深100m，水壓增加1MPa)，不會在規定的使用深度內造成破壞，即抗壓條件；

3.低的吸水率和體積彈性模量，使它在較大的水壓下能提供穩定的浮力，保證海洋立管安全可靠的工作。同時需考慮到立管和浮簡材料整體的處理、負載和使用，浮簡材料在使用過程中能發生裂紋、裂開、失去浮力等安全可靠問題。增強後的浮簡材料能相當強硬，如在浮簡材料表面包覆兩層凱夫拉玻璃鋼和在內部對材料進行增強，能使浮簡材料的強度增高，可以更安全的使用。

浮筒材料的選擇對於整個水下作業系統至關重要，通常情況下主要有三種聚氨酯泡沫材料、共聚物泡沫材料、複合泡沫材料。

聚氨酯泡沫由聚氨酯泡沫材料製作的浮筒材料，成本可以得到很好的控制，但其主要應用在水面及水面下深度小於米水中。

在水下用這種泡沫材料必須由其他材料完全包覆以保證其與水完全隔離，因為這種泡沫具有吸水性，如果長時間直接與海水接觸，在水壓作用下，材料會吸水。

共聚物泡沫交聯式共聚泡沫體是堅硬的閉孔泡沫體，能在無需完全外殼封閉的情況下承受海水靜壓力。這種泡沫體通常被加工成塊狀或者片狀，但在加工及測試之前，必須考慮很多關鍵因素。

此種材料的低密度泡沫適合於短期應用。如果長期應用於連續的水靜壓力載荷環境中，這種材料將會發生塑性蠕變，變形以及體積縮小。因此，會降低浮力。該材料的密度範圍在40一400kg/m3，工作最大水深可達600米。

複合泡沫材料複合泡沫材料是最新一代的浮筒材料，這種材料優點是在極低密度的情況下能保持足夠的強度，具有高壓縮強度重量比，低蠕變和低吸水率的特性。從而為深海中的設備提供浮力、提供保護成為可能。立管浮筒核心基本採用該種材料。

這種材料的密度很低，主要是因為在基體材料中均勻分散着大量的空心玻璃微體。這些微球體的表面經過優化處理，經過先進的化學加工工藝，與材料有機地融合在一起，進一步地強化了整個材料性能。空心玻璃微珠是一種外觀為灰白或灰色具有堅硬外殼的球形中空顆粒，其主要成分是SiO₂和Al₂O₃，壁厚為其直徑的8%一10%。對基體材料的要求是粘接力強、吸水率低、熱性能及電性能優良，環氧樹脂是首選對象。因為其具有良好的粘接強度，熱穩定性、尺寸穩定性和加工性能比較突出。材料的合成過程中還要添加稀釋劑、固化劑、表面改性劑。在基體引入了大量直徑在20一150微米的空心玻璃微體之後，整個材料的密度會降低到0.46一0.65之間。這時的材料稱之為純複合泡沫材料。

為進一步降低材料的比重，一些較大的空心球體添加進來，這些微球體材料不同於上面所述的玻璃微球體，它們是一種高強度的纖維合成球體。它們的尺寸相比較更大一些，外徑從10mm到110mm。包含三種成分之後的複合泡沫材料的比重可以達到275到560kg/m³之間，這時包含了三種成分的材料稱之為合成複合泡沫材料。

純複合泡沫材料的密度範圍從380kg/m³到650kg/m³，可以應用於任意海水深度。

合成複合泡沫材料的密度範圍從275kg/m³到560kg/m³，一般被用在水下4000米的海水中。複合泡沫材料被最廣泛的應用在深水的作業環境中。典型複合泡沫材料屬性如圖1。

相同材料由於應用條件不同而有所差異，為達到浮筒材料的最佳性能，可根據浮筒材料的使用深度不同，並結合實際應用，最終設計並選用不同類型的浮筒材料。通常情況下，這三種材料用在不同水深的產品應用情況如圖2所示。

大水深石油勘探的開發導致海洋輕質高強立管浮筒材料的需求。複合泡浮筒材料能應用於全海深，能滿足深水石油勘探的要求 ^[2]  。

每組浮筒都被製成長的田控體結構一般一組浮筒被均分成2個浮筒塊（有時也分成3個），每個浮筒塊內側形狀與立管外徑及輔助管相配合。

浮筒結構在設計階段需要考慮一些情況，主要有以下幾點：

1．浮筒外殼一般採用整體模具成型，然後泡沫材料注入封裝的方法。表面材料一般選用纖維增強材料，這種材科具有極強的防磨損和衝擊的能力。以這種材料構成的浮筒堅硬的表面，可以在深水中承受水壓力。

2．一些情況下，為進一步增加浮筒塊的強度，在浮桶塊外殼與合成泡沫材科之間加入—層加固網。

3．為了避免立管在安裝或吊運過程中，在水平面內由重力產生的彎曲裁荷過多地傳遞給浮筒，在浮筒塊的內圓周中，有意識地設計2個柔性墊腳。

4．大部分的浮筒的上下兩端面設計成套筒式，每組套筒一端設計成凹端，一端設計成凸端，以便於套筒安裝後，各自獨立的每組浮筒形成一個浮筒串，這祥進行一些操作時有利於均布浮力。

5．浮筒塊加工完成後，為了便於堆比常將浮筒塊的外圓周面設計成一平面。

6．浮筒最主要的作用就是為立管在水中提供浮力，每個浮筒塊要安裝固定在特定的立管段，其內部凹槽形狀必須與立管實際結構相對應。

7．為區分不同水深段的浮筒，將浮筒以不同顏色加以區分 ^[2]  。

將浮簡固定在立管上有兩種方法：內部鎖緊繫統或者是外部圓周帶系統。

內部鎖緊繫統由4個螺栓連接系統組成，每個單獨的系統包括一個雙頭螺柱螺栓或者單頭螺柱螺栓(該螺栓根據實際需要可以是不鏽鋼制，也可以是鈦金屬造)，墊圈、防松對開螺母，以及加強筋板。

外部圓周帶系統主要由高強纖維帶以及不鏽鋼架和雙頭螺栓連接結構組成。根據實際立管及浮簡結構的不同，夾緊結構有所差異 ^[2]  。

浮筒式液位計由四個基本部分組成：浮筒、彈簧、磁鋼室和指示器。

浸在液體中的浮筒受到向下的重力，向上的浮力和彈簧彈力的複合作用。當這三個力達到平衡時，浮筒就靜止在某一位置。當液位發生變化時，浮筒所受浮力相應改變，平衡狀態被打破，從而引起彈力變化即彈簧的伸縮，以達到新的平衡。彈簧的伸縮使其與剛性連接的磁鋼產生位移。這樣，通過指示器內磁感應元件和傳動裝置使其指示出液位。限位開關的儀表即可實現液位信號的報警功能 ^[3]  。