全尺寸試驗(yàn)機(jī)移動(dòng)夾頭及鎖緊裝置的研制

李澤邦 ，曾宇陽(yáng) ，劉程程 ，劉太元

1.青島海洋工程水下設(shè)備檢測(cè)有限公司，山東青島 266101

2.海洋水下設(shè)備試驗(yàn)與檢測(cè)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266101

隨著我國(guó)對(duì)海洋油氣資源開(kāi)發(fā)力度的加大，油氣管道在石油天然氣開(kāi)采運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。疲勞損傷是油氣管道失效的主要原因之一，油氣管道由于受到交變應(yīng)力的作用，從而導(dǎo)致管道內(nèi)外缺陷發(fā)生擴(kuò)展，最終使管道產(chǎn)生疲勞斷裂[1-5]。

目前在重要的海工工程中，一些發(fā)達(dá)國(guó)家采用全尺寸油氣管道疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估和安全性校核。同時(shí)，隨著管道修復(fù)技術(shù)的日益發(fā)展，為了驗(yàn)證修復(fù)后管道的整體性能，需對(duì)其進(jìn)行全尺寸試驗(yàn)[6-11]。為此，在充分考慮油氣管道服役的情況及國(guó)內(nèi)外技術(shù)最新發(fā)展的基礎(chǔ)上，國(guó)家海洋設(shè)備質(zhì)量檢驗(yàn)中心研發(fā)了一臺(tái)管道全尺寸軸向疲勞試驗(yàn)機(jī)，如圖1所示。為解決該試驗(yàn)機(jī)夾具移動(dòng)和過(guò)零試驗(yàn)問(wèn)題，對(duì)設(shè)備能力進(jìn)行升級(jí)，設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)夾頭和鎖緊裝置，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，此套裝置運(yùn)行良好，能夠滿(mǎn)足試驗(yàn)需求。

圖1 改造前的全尺寸軸向疲勞試驗(yàn)機(jī)

1 移動(dòng)夾頭

移動(dòng)夾頭主要由穿銷(xiāo)裝置、銷(xiāo)軸、移動(dòng)橫梁、移動(dòng)橫梁支撐輪及導(dǎo)向輪組件、液壓控制模塊及液壓管路等組成，見(jiàn)圖2。移動(dòng)橫梁通過(guò)支撐輪組件坐落在承載梁上，液壓控制模塊的電磁換向閥控制液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)支撐輪，帶動(dòng)橫梁的移動(dòng)。導(dǎo)向輪主要起導(dǎo)向作用，保證移動(dòng)橫梁沿著試驗(yàn)機(jī)軸向移動(dòng)，避免發(fā)生偏轉(zhuǎn)。承載梁與移動(dòng)橫梁之間通過(guò)銷(xiāo)軸固定，而移動(dòng)夾頭將根據(jù)試件長(zhǎng)度的不同而發(fā)生位置變化，故銷(xiāo)軸需要經(jīng)常拔出和插入。為使操作更為便捷，所以配備了一套穿銷(xiāo)裝置，穿銷(xiāo)裝置的液壓馬達(dá)由電磁換向閥控制旋轉(zhuǎn)方向，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)絲杠，絲杠機(jī)構(gòu)帶動(dòng)銷(xiāo)軸插入和拔出[12]。

圖2 移動(dòng)夾頭示意

2 鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

移動(dòng)夾頭與承載梁通過(guò)銷(xiāo)軸連接，為方便銷(xiāo)軸穿過(guò)，銷(xiāo)軸直徑一般小于銷(xiāo)孔，因此銷(xiāo)孔與銷(xiāo)軸之間存在間隙。為了可以做過(guò)零試驗(yàn)，需要消除該間隙。

2.1 鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為適應(yīng)調(diào)整試驗(yàn)間隙，承載梁上加工了一排銷(xiāo)孔，再加工一套鎖緊機(jī)構(gòu)，利用這些銷(xiāo)孔和鎖緊機(jī)構(gòu)即可固定移動(dòng)夾頭。鎖緊機(jī)構(gòu)主要由鎖緊油缸、固定塊、擠壓塊、頂塊、拆卸活塞和其他輔助工裝組成。通過(guò)銷(xiāo)孔分別在承載梁上下兩端安裝頂塊，固定塊與承載梁利用銷(xiāo)孔連接，擠壓塊安裝在移動(dòng)橫梁和頂塊中間，擠壓塊與頂塊和固定塊之間接觸面為具有一定角度的斜面，上、下擠壓塊擠壓方向相反，中間穿過(guò)一個(gè)鎖緊缸，鎖緊缸活塞通過(guò)往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)擠壓塊擠壓頂塊和移動(dòng)橫梁，從而達(dá)到鎖緊的目的，如圖3所示。

為了消除主機(jī)承載柱尾端的連接間隙，擴(kuò)充鎖緊機(jī)構(gòu)，在主機(jī)承載柱尾端焊接一個(gè)足夠高強(qiáng)度和足夠厚度的承載板，再通過(guò)11個(gè)M56的螺桿向前頂支座，使銷(xiāo)軸的一半圓弧面貼合足夠面積的銷(xiāo)孔圓弧面。螺栓強(qiáng)度取12.9級(jí)，螺桿采用液壓扭矩扳手?jǐn)Q緊，在保證有足夠預(yù)緊力的同時(shí)，每個(gè)螺桿的預(yù)緊力也均相同。

圖3 鎖緊機(jī)構(gòu)示意

圖4 鎖緊裝置的頂塊機(jī)構(gòu)

2.2 高強(qiáng)度螺桿強(qiáng)度校核

單個(gè)螺桿載荷：

式中：F為單個(gè)螺栓載荷；FQ為螺栓最大載荷，20 000 kN；Z為螺桿總數(shù)，36個(gè)。

剩余預(yù)緊力（F無(wú)變化時(shí)）：

預(yù)緊力：

式中：C1、C2為常數(shù)，C1取0.3，C2取0.7。

相對(duì)剛度系數(shù)：

螺桿總拉力：

螺桿危險(xiǎn)截面面積：

螺桿應(yīng)力：

式中：σB為螺桿抗拉強(qiáng)度；σS為螺桿屈服強(qiáng)度。

螺桿許用應(yīng)力：

螺桿等級(jí)12.9級(jí)：

式中：SS為安全系數(shù)，取2.0。

由于σa≤ [σ]，由此可知M48螺栓的理論強(qiáng)度足夠。

2.3 螺桿材料疲勞壽命分析

螺桿材料采用50CrVa，其彈性模量為2.06×105MPa。根據(jù)50CrVa材料的疲勞極限值，對(duì)于簡(jiǎn)化的S-N曲線(xiàn)可以采用冪函數(shù)繪制：

式中：σ-1為對(duì)稱(chēng)循環(huán)載荷的彎曲疲勞強(qiáng)度應(yīng)力幅；

α、C為材料常數(shù)；N為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。兩端取對(duì)數(shù)：

另有：

則有：

由此可見(jiàn)，冪函數(shù)的S-N經(jīng)驗(yàn)公式在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖上為一直線(xiàn)。對(duì)于材料常數(shù)a、b，通過(guò)查手冊(cè)，取在存活率P=50%時(shí)中值S-N曲線(xiàn)上的值，得到aP=19.6、bP=-5.48，將其代入冪函數(shù)公式，則有：

依據(jù)上述方程，在有限元軟件中繪制擬合S-N曲線(xiàn)，得到如圖5所示的曲線(xiàn)。

圖5 S-N曲線(xiàn)圖

2.4 靜力分析計(jì)算

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)鎖緊機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度，采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析。在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，為提高運(yùn)算速度，對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，采用有限元分析軟件劃分網(wǎng)格后的模型如圖6所示。

圖6 鎖緊機(jī)構(gòu)的網(wǎng)格劃分

施加邊界條件和載荷，如圖7所示，設(shè)置箱梁兩端固定，B側(cè)上下單邊擠壓塊總共施加10 000 kN水平推力，鎖緊缸活塞施加1 400 kN推力，向?qū)?yīng)缸蓋施加等值反力。

經(jīng)過(guò)加載、求解和后處理步驟后得到分析結(jié)果，如圖8～11所示。從圖8和圖9中可以看出，因形狀的非對(duì)稱(chēng)性，上擠壓塊會(huì)發(fā)生沿X軸的偏轉(zhuǎn)，邊緣處偏轉(zhuǎn)約±2 mm，擠壓塊中心Y向基本無(wú)位移，下擠壓塊幾乎不發(fā)生位移。圖10中各擠壓塊幾乎無(wú)位置變化，可判斷試驗(yàn)最大載荷時(shí)，壓塊Y向負(fù)載與鎖緊油缸加載力達(dá)到平衡，此時(shí)圖11中壓塊應(yīng)力整體不大于300 MPa，一處倒角尖端局部應(yīng)力達(dá)到668 MPa，對(duì)整體基本無(wú)影響。

圖7 施加邊界條件的鎖緊機(jī)構(gòu)模型

圖8 模型Y向位移云圖/mm

圖9 模型Y向位移云圖 （仰視）/mm

圖10 模型X向 （水平）位移云圖/mm

2.5 安裝方法

首先將移動(dòng)橫梁移動(dòng)到試驗(yàn)位置，利用起吊裝置安裝頂塊，上、下頂塊中間穿過(guò)螺桿背緊螺母使頂塊夾緊承載柱；安裝固定塊，固定塊銷(xiāo)軸臺(tái)肩插入承載柱銷(xiāo)孔，在中間穿過(guò)螺桿背緊螺母使頂塊夾緊承載柱；安裝上擠壓塊，按下擠壓塊，起吊裝置輔助支撐；安裝鎖緊缸，活塞穿過(guò)兩個(gè)擠壓塊，下端背緊螺母；連接液壓軟管，控制鎖緊缸活塞向后移動(dòng)，此時(shí)上、下兩個(gè)擠壓塊向承載柱移動(dòng)，擠壓兩端頂塊和固定塊，因固定塊處于固定狀態(tài)，所以頂塊會(huì)頂著移動(dòng)橫梁向后移動(dòng)，在稍微移動(dòng)橫梁銷(xiāo)軸使之貼合、擠住承載梁之后，鎖緊缸保持當(dāng)前壓力，即可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)橫梁消除間隙的目的。

圖11 模型整體應(yīng)力云圖/MPa

2.6 拆卸方法

試驗(yàn)結(jié)束后，需要拆卸鎖緊工裝，首先控制鎖緊缸活塞向前移動(dòng)，使之脫離縮進(jìn)狀態(tài)；電磁閥控制液壓油進(jìn)入拆卸活塞后端，活塞頂住承載柱，使擠壓塊擠出試驗(yàn)空間；拆卸各個(gè)背緊螺母，并回收各個(gè)固定塊、頂塊和擠壓塊。

3 升級(jí)改造后的設(shè)備

近幾年，高鋼級(jí)管道由于環(huán)焊縫開(kāi)裂而引起的事故時(shí)有發(fā)生，因此對(duì)焊縫缺陷的修復(fù)及焊縫質(zhì)量的控制受到人們的高度關(guān)注。目前無(wú)論對(duì)采用B型套筒進(jìn)行修復(fù)還是采用非焊接技術(shù)進(jìn)行修復(fù)的焊縫，都需要進(jìn)行一系列的驗(yàn)證試驗(yàn)。相對(duì)而言，對(duì)管道進(jìn)行疲勞測(cè)試分析一般使用小尺寸試件，其忽略了尺寸效應(yīng)，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)偏離，因此，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，需根據(jù)情況對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整與修正。近年來(lái)模擬海洋管道服役載荷條件下的全尺寸疲勞試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展很快，在國(guó)外，全尺寸疲勞試驗(yàn)已經(jīng)成為API（美國(guó)石油協(xié)會(huì)）的推薦做法，并得到全球各大海工裝備企業(yè)的高度重視。

采用本文所研究的移動(dòng)夾頭及鎖緊裝置，可以方便地進(jìn)行全尺寸管道試樣的安裝和鎖緊，并可應(yīng)用疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉壓疲勞測(cè)試，符合實(shí)際工況，如圖12所示。例如某公司需要對(duì)某型號(hào)的管道進(jìn)行全尺寸疲勞測(cè)試，以研究管道焊縫裂紋在載荷下的擴(kuò)展情況，該試驗(yàn)采用正弦波，力值為8 000 kN，該測(cè)試力值達(dá)到了整臺(tái)試驗(yàn)機(jī)疲勞設(shè)計(jì)的80%，但設(shè)備始終運(yùn)行正常，這說(shuō)明移動(dòng)夾頭和鎖緊裝置能夠滿(mǎn)足試驗(yàn)的需求。

圖12 升級(jí)改造后的設(shè)備

該設(shè)備在對(duì)管道進(jìn)行全尺寸疲勞測(cè)試時(shí)，可根據(jù)試驗(yàn)需求進(jìn)行內(nèi)壓加載或者進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)采集。一般情況下，在管道服役運(yùn)行期間，管道的焊縫最易出現(xiàn)問(wèn)題，所以全尺寸疲勞試驗(yàn)通常是對(duì)含缺陷的管道進(jìn)行疲勞斷裂模擬測(cè)試，試驗(yàn)時(shí)可對(duì)所需研究的試驗(yàn)管道的焊縫裂紋缺陷進(jìn)行預(yù)計(jì)，以保證測(cè)試效果。另外，在測(cè)試前可根據(jù)測(cè)試需求進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以便與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果可以為以后的疲勞測(cè)試提供數(shù)據(jù)參考，也可為管道疲勞壽命的評(píng)價(jià)和服役期間的運(yùn)行提供參考。

4 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)內(nèi)在管道全尺寸疲勞試驗(yàn)研究方面起步較晚，研究力量薄弱，試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累少，全尺寸疲勞試驗(yàn)設(shè)備以及全尺寸疲勞試驗(yàn)理論研究匱乏。因此，需要進(jìn)一步加強(qiáng)基于全尺寸效應(yīng)的多種載荷綜合作用的管道疲勞損傷研究與分析：一是結(jié)合國(guó)內(nèi)海工裝備檢測(cè)試驗(yàn)，總結(jié)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)；二是研究全尺寸效應(yīng)下單一載荷作用和多重載荷作用的疲勞損傷機(jī)理；三是建立疲勞損傷仿真模型，將三維仿真技術(shù)與試驗(yàn)相結(jié)合，為海洋管道的設(shè)計(jì)、鋪設(shè)、運(yùn)營(yíng)提供技術(shù)支撐。

本文針對(duì)管道全尺寸軸向疲勞試驗(yàn)機(jī)的夾具移動(dòng)和過(guò)零試驗(yàn)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套移動(dòng)夾具和鎖緊機(jī)構(gòu)，升級(jí)了設(shè)備，增加了功能，解決了使用過(guò)程中遇到的問(wèn)題。通過(guò)使用有限元軟件對(duì)鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，確認(rèn)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，此外介紹了鎖緊機(jī)構(gòu)的安裝和拆卸方法，為鎖緊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，此套裝置運(yùn)行良好，能夠滿(mǎn)足試驗(yàn)需求。