水下夾樁器夾持性能分析及實(shí)驗(yàn)研究

姜沛然，房曉明

(1.哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001;2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

水下夾樁器是一種廣泛應(yīng)用于較深海石油開采平臺(tái)安裝的液壓夾具.在海洋石油平臺(tái)施工中，國(guó)外廣泛采用的安裝方法是使用鋼樁將其固定于海底，經(jīng)過調(diào)平器調(diào)平后用夾樁器初步聯(lián)接導(dǎo)管樁和導(dǎo)管架，待灌漿過程結(jié)束［1-2］.導(dǎo)管架重上萬噸，體積龐大，因此對(duì)夾樁器的力學(xué)性能有特殊要求.要求夾樁器能夠承受導(dǎo)管架的重力，同時(shí)能夠保證夾持時(shí)間以待灌漿結(jié)束［3-7］.

1 夾樁器的工作原理

夾樁器焊接于導(dǎo)管架裙裾上，如圖1所示.圖2為水下夾樁器結(jié)構(gòu)示意圖.夾樁器的工作原理為:工作時(shí)，在周向均布的液壓缸作用下，與活塞桿聯(lián)接的壓塊受夾緊力垂直作用于導(dǎo)管樁表面，由于壓塊材料硬度遠(yuǎn)大于導(dǎo)管樁表面的屈服極限，導(dǎo)管樁表面產(chǎn)生塑性變形，壓塊齒部嵌入導(dǎo)管樁表面一定深度，利用壓塊齒部的抗剪切力承受導(dǎo)管架的重量進(jìn)行夾持，所需要的夾緊力將大大降低.圖3為壓塊及液壓缸結(jié)構(gòu)圖.

夾緊力的大小將決定壓塊齒部嵌入深度進(jìn)而影響壓塊齒部可承受的剪切力大小，同時(shí)夾緊力過大將破壞導(dǎo)管樁的整體性能，使其失穩(wěn)，因此根據(jù)需要確定合理的壓塊齒部參數(shù)及液壓缸夾緊力是保證夾樁器夾持性能的關(guān)鍵.

圖1 水下夾樁器安裝示意Fig.1 The installation of underwater skirt pile gripper

圖2 水下夾樁器結(jié)構(gòu)示意Fig.2 The structure of underwater skirt pile gripper

圖3 壓塊及液壓缸結(jié)構(gòu)Fig.3 Pressing block and hydraulic cylinder

2 壓塊材料

水下夾樁器壓塊用合金鋼是根據(jù)海洋石油平臺(tái)需要而研制的超高強(qiáng)度鋼，為降低硬度，改善切削加工性能，鑄造后的工件必須進(jìn)行退火［8-9］，但傳統(tǒng)工藝復(fù)雜，成本高.本文的壓塊用合金鋼加工工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)便捷、軟化時(shí)間短、效率高，且鋼的切削性能優(yōu)良，可以滿足使用要求.

鋼的化學(xué)成分主要由 C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、P、S、Fe，最佳配比見表1所示.

表1 壓塊用鋼的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of steel used by pressing block in skirt pile gripper %

圖4為鋼的鑄態(tài)組織.測(cè)定6個(gè)點(diǎn)的硬度，舍去偏差較大的數(shù)值，并對(duì)其他數(shù)據(jù)取其平均值求得最終的洛氏硬度值為52.為降低壓塊硬度，改善切削加工性能，鑄造后的工件進(jìn)行退火處理.將澆注后的夾樁器壓塊樣件在650℃保溫24 h后隨爐冷卻，達(dá)到軟化目的，滿足加工要求，而且控制起來比較簡(jiǎn)單，如圖5.經(jīng)測(cè)試最終夾樁器壓塊用鋼的抗拉強(qiáng)度達(dá)1 320 MPa，屈服強(qiáng)度可達(dá)600 MPa，壓塊的硬度達(dá)HRC62以上.

圖4 鋼的鑄態(tài)組織Fig.4 The casting microstructure of steel

圖5 熱處理硬化后的組織Fig.5 The heat treatment and hardening microstructure of steel

3 壓塊及導(dǎo)管樁力學(xué)性能分析

3.1 壓塊齒部力學(xué)分析

在夾緊過程中，受液壓缸作用壓塊齒部壓入導(dǎo)管樁表面，由于導(dǎo)管樁壁厚遠(yuǎn)大于壓塊齒高，故可認(rèn)為導(dǎo)管樁為半空間物體，同時(shí)當(dāng)塑性變形遠(yuǎn)大于與彈性變形，可將彈性變形忽略不計(jì)，因此導(dǎo)管樁按理想剛塑性材料處理.壓塊硬度遠(yuǎn)大于導(dǎo)管樁硬度，則壓塊齒部可按剛性硬壓頭處理.利用LS-DYNA模塊建立接觸有限元模型，齒為剛體，樁為雙線性隨動(dòng)模型，單元采用三維顯示的結(jié)構(gòu)實(shí)體單元.施加載荷進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，嵌入應(yīng)力分布如圖6所示.

圖6 齒與樁接觸模型Fig.6 The contact mechanical model of pressing block tooth and steel pile

樁與齒頂接觸點(diǎn)的Y軸位移曲線如圖7，應(yīng)力曲線如圖8.由圖7、8可知，隨著載荷增加，導(dǎo)管樁從彈性變形進(jìn)入塑性變形階段，在進(jìn)入塑性變形階段后的一段范圍內(nèi)變化近似呈線性分布，由于壓塊齒的尖部小于2 mm范圍內(nèi)近似為楔形體，由此可知在此范圍內(nèi)導(dǎo)管樁變形近似呈線性分布.

圖7 齒位移曲線Fig.7 The curve of tooth displacement

圖8 樁接觸單元屈服曲線Fig.8 The yield curve of the contacted node on pile

法向載荷與齒嵌入深度關(guān)系曲線如圖9所示.壓塊齒部利用短懸臂梁力學(xué)模型進(jìn)行分析，當(dāng)載荷作用于懸臂梁端部時(shí)，根部截面的最大應(yīng)力為

式中:W為載荷，N;t為梁的厚度，m;e為梁根部至梁軸的垂直距離，m;f為梁根部圓角半徑，m;α為梁根部至當(dāng)量載荷的垂直距離，m;β為當(dāng)量載荷與梁軸的夾角;b為梁根部至當(dāng)量載荷作用點(diǎn)的直線距離，m.

圖9 法向載荷與齒嵌入深度關(guān)系曲線Fig.9 The curve of pressing force and insert depth

3.2 導(dǎo)管樁力學(xué)分析

彈性力學(xué)中所謂“殼體”是指由2個(gè)曲面所包住的物體，其曲面間的距離較物體之其他尺寸為小.距兩曲面等距的點(diǎn)的軌跡為殼體的中面.在中面上任意一點(diǎn)作垂線.垂線被曲面所截割的一段長(zhǎng)度被定義為殼的“厚度”，以δ表示.一般，厚度可以是變量，但實(shí)際中最常遇到的是等厚度殼體.殼體理論的任務(wù)就是研究殼體在已知載荷作用之下的變形.假定殼體的材料是各向同性的，并且服從胡克定律，而其中各點(diǎn)的位移較其厚度小很多.薄的殼體是指δ/R?1的殼體(其中R為中面曲率半徑).通常按工程計(jì)算所容許的相對(duì)誤差5%將max(δ/R)≤1/20的殼體稱為薄殼，而將不滿足上述不等式的殼體看作厚殼［10-12］.

殼體具有優(yōu)越的彈性性質(zhì)，如果設(shè)計(jì)得合理可以以最小的厚度承擔(dān)起相當(dāng)大的載荷.殼體的這種性質(zhì)使它被用來制造海洋石油平臺(tái)用導(dǎo)管樁.導(dǎo)管樁壁厚δ=50 mm;中面半徑1 041.8 mm，滿足薄殼結(jié)構(gòu)條件.導(dǎo)管樁受力如圖10所示.

由以上分析可得，夾樁器承重與所需最小夾緊力之間的關(guān)系(見圖 11).夾緊力需滿足Pmin≤P≤Pmax，由此可見，同等夾樁囂承重條件下，嵌入式夾持方式所需夾堅(jiān)緊力遠(yuǎn)小于摩擦力夾持方式，可有效保護(hù)導(dǎo)管樁不能破壞.

圖10 導(dǎo)管樁徑向受力示意Fig.10 The pressing force on pile

圖11 夾樁器承重與所需最小夾緊力關(guān)系Fig.11 The curve of skirt pile gripper bearing capacity and necessary pressing force

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

夾樁器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)實(shí)際工況要求:夾持性能1 500T，樁徑2 134mm(84寸).

實(shí)驗(yàn)方案:實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括84寸鋼樁、夾樁器、備圈、喇叭口及液壓千斤頂.84寸鋼樁焊接在鋼板上并固定于操作平臺(tái)上;備圈焊接于夾樁器框圈下端，備圈厚度60 mm小于夾樁器框圈厚度80 mm，但外徑尺寸與夾樁器框圈外徑尺寸一致，焊接后外圈平齊;喇叭口結(jié)構(gòu)焊接在備圈下部，其內(nèi)側(cè)布置有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，喇叭口下端均布8個(gè)液壓千斤頂，如圖12所示.

實(shí)驗(yàn)過程:夾樁器每個(gè)夾爪用50 MPa壓力壓緊鋼樁，再由液壓千斤頂推動(dòng)受力塊，液壓千斤頂作用于均布四周的喇叭口上，千斤頂?shù)目偸┝? 500 T，通過備圈將力作用于夾樁器，可以使夾樁器獲得較好的受力狀態(tài)，從而測(cè)定夾樁器工作能力，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖13.

圖12 實(shí)驗(yàn)總裝示意Fig.12 Assembling drawing of experiment

圖13 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.13 The scene of experiment

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過12 h，1 500 T夾持力實(shí)驗(yàn)保持后，將夾樁器與導(dǎo)管樁分離，觀察導(dǎo)管樁和卡爪，如圖14所示.

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀察，經(jīng)過12 h，1 500 T夾持力實(shí)驗(yàn)后，夾樁器沒有松脫，導(dǎo)管樁表面留下壓塊壓痕，且沒有發(fā)生任何滑移現(xiàn)象，證明夾樁器完全滿足使用要求.

圖14 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.14 The result of experiment

5 結(jié)論

根據(jù)海洋石油平臺(tái)安裝的實(shí)際需要提出嵌入式夾樁器，對(duì)夾樁器的夾持性能進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)研制了試驗(yàn)樣機(jī)，進(jìn)行了實(shí)際工況條件下的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明:

1)導(dǎo)管樁表面壓痕平均深度與實(shí)驗(yàn)前計(jì)算結(jié)果符合;壓痕寬度比計(jì)算結(jié)果略寬，主要原因?yàn)閷?dǎo)管樁材料較軟，經(jīng)過12 h夾持試驗(yàn)后，產(chǎn)生疲勞變形，但變形結(jié)果不影響實(shí)際使用性能.

2)由于實(shí)際導(dǎo)管樁外壁圓度存在誤差，因此個(gè)別壓塊齒部嵌入深度不夠，無法滿足抗剪要求，出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象;斷裂現(xiàn)象出現(xiàn)的位置，與齒部下端結(jié)構(gòu)有關(guān)，可以通過優(yōu)化改進(jìn)壓塊齒部下端結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升夾樁器的夾持性能.

3)利用顯示動(dòng)力分析得出的夾緊力與夾持性能的關(guān)系，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，為進(jìn)一步研究嵌入式夾持方式提供了依據(jù).

4)夾樁器需要在水下環(huán)境中使用，由于水下環(huán)境更為復(fù)雜，因此夾樁器的穩(wěn)定性和抗干擾性將是后續(xù)工作的一個(gè)重要研究方向.

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