自由站立式立管是一种新概念的立管结构类型,其主体部分是与海底垂直的刚性立管,顶部由浮力筒提供浮力,跨接软管连接于浮式生产系统和浮力筒底部,它将刚性立管与船体连接起来。这种立管结构能够使刚性立管与船体的运动相分离,很大程度上减小了立管的偏移。自由站立式立管是在深水和超深水应用中非常具有竞争力的一项技术,它可以应用于多种生产船,并且能够在多种环境条件下使用。在安装过程中使用全焊接设计以及拖曳方法,可以减少材料和安装费用,并且能够提高动态响应。本文针对自由站立式立管顶部的浮力筒结构展开了广泛的调研,对浮力筒基本类型、功能、结构型式、应用现状、安装方案以及发展趋势等进行了细致研究,对典型工程案例和相关科研项目进行归纳总结,提炼出了若干规律性参数,并对自由站立式立管顶部浮力筒结构的其他相关情况进行了细致的归纳总结。本文还对自由站立式立管顶部浮力筒的设计流程及方法进行了试探性研究,探索出一套行之有效的浮力筒主尺度和内部构型的确定方法,并阐述了自由站立式立管顶部浮力筒分析的主要内容与分析方式,对在位工况和吊装工况的浮力筒总体强度及屈曲性能进行了校核分析。浮力筒的设计是一个循环验证并逐步优化的过程,其设计的主要要素为长度、外径、舱室数目及中心管尺度。通过研究各主要要素对浮力筒主要指标的影响规律,确定了浮力筒主要要素的最优解,实现了浮力筒阻力的最小化和净浮力的最大化、舱室及中心管的功能最优化和无冗余化。