新型導(dǎo)管架吸能器疲勞性能試驗(yàn)研究

李懷亮，李新超，付雪軍

1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

2.濱德（天津）能源科技有限公司，天津 300392

海洋導(dǎo)管架平臺(tái)是海上油氣生產(chǎn)的重要設(shè)施。船舶停靠導(dǎo)管架平臺(tái)時(shí)，會(huì)對(duì)平臺(tái)造成一定的沖擊[1]。為了吸收船舶對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)的沖擊能量，通常在導(dǎo)管架平臺(tái)立柱上設(shè)置靠船件[2]?？看话惴譃橄鹉z護(hù)弦型和Shockcell 型[3]。Shockcell型靠船件的核心結(jié)構(gòu)是吸能器[4]。吸能器用于吸收船只與平臺(tái)之間的碰撞能量，使船只平穩(wěn)?？吭谄脚_(tái)側(cè)面，保護(hù)船只和導(dǎo)管架平臺(tái)的安全。現(xiàn)有的吸能器一般為圓臺(tái)狀橡膠體，一端連接平臺(tái)立柱，另一端接觸船只[5]。這種吸能器構(gòu)造簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)方便，但存在橡膠體整體剛性差、吸能效果差、易于損壞、使用壽命短等缺點(diǎn)。

1 新型吸能器概況

為了提高吸能器的吸能性能，針對(duì)吸能橡膠和整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，研發(fā)了YTA系列吸能器。該系列吸能器由同軸設(shè)置的剛性外筒、剛性內(nèi)筒以及位于二者之間的環(huán)形橡膠體組成。剛性外筒的后端通過法蘭盤固定在導(dǎo)管架立柱上；環(huán)形橡膠體分別與剛性外筒的內(nèi)壁和剛性內(nèi)筒的外壁固定連接，剛性內(nèi)筒的后端與法蘭盤前端面之間具有一定的間隔，如圖1所示。這種吸能器具有更高的剛度，非靠泊工況下吸能器前端位置能夠更加靠前，可在導(dǎo)管架平臺(tái)側(cè)面任意位置安裝，對(duì)船舶靠泊適應(yīng)性更強(qiáng)。

圖1 導(dǎo)管架吸能器

導(dǎo)管架吸能器在外荷載的不斷作用下，其疲勞性能是業(yè)界關(guān)注的首要問題。疲勞性能試驗(yàn)可以檢驗(yàn)構(gòu)件材料在循環(huán)荷載作用下的疲勞損傷破壞程度[6]，循環(huán)加載可以確定結(jié)構(gòu)在外力作用下的疲勞壽命、裂紋發(fā)展規(guī)律[7-8]，軸向壓縮可以確定結(jié)構(gòu)的變形模式和吸能特性[9-10]。本文通過疲勞試驗(yàn)研究了YTA 型吸能器疲勞性能，驗(yàn)證了在垂直荷載和側(cè)向荷載作用下吸能器的吸能效果。試驗(yàn)表明，YTA 型吸能器具有良好的抗沖擊吸能效果，能夠滿足海洋導(dǎo)管架平臺(tái)靠船工況要求。

2 試驗(yàn)設(shè)備及試件

試驗(yàn)采用2000T 護(hù)舷壓力試驗(yàn)機(jī)，如圖2 所示。該試驗(yàn)機(jī)具有壓力數(shù)字顯示功能，主要用于護(hù)舷例行檢查和用戶抽樣試驗(yàn)。試驗(yàn)對(duì)象高度可達(dá)到3 m，試驗(yàn)機(jī)壓力精度達(dá)到±1%，壓縮變形量精度達(dá)到±0.5 mm，符合ISO 7500-1:2018 標(biāo)準(zhǔn)要求。液壓缸推動(dòng)加壓速度為20～80 mm/min。

圖2 2000T護(hù)舷壓力試驗(yàn)機(jī)

選取6 種不同規(guī)格的吸能器進(jìn)行疲勞性能試驗(yàn)，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，關(guān)鍵尺寸列于表1中。

表1 試樣關(guān)鍵尺寸

圖3 吸能器結(jié)構(gòu)

吸能器試件使用的鋼材質(zhì)：板材滿足AH36、DH36、EH36、DH36-Z35 或EH36-Z35 級(jí)別，鋼管滿足API5L X52 或S360 級(jí)別。鋼管的外觀為普通的壓延面；鋼管表面的銹蝕程度不超過ISO 8501-1:1988 規(guī)定的A 級(jí)，即鋼材表面大部分被較硬的氧化皮覆蓋，幾乎沒有鐵銹。

鋼管端面采用機(jī)加工方式處理，加工（切削、打孔、攻絲等）過程中不使用切削油，可使用事先認(rèn)證過的水溶性機(jī)械油（使用后必須用抹布將其擦掉）。另外，鋼管表面有污垢時(shí)，必須擦干凈。鋼材切斷及加工時(shí)產(chǎn)生的毛刺、焊接時(shí)產(chǎn)生的明顯焊痘和飛濺必須除去?；鞜捘z物理性能應(yīng)滿足表2所示要求。

表2 混煉膠物理性能

3 疲勞性能試驗(yàn)

3.1 吸能器0°壓縮力學(xué)性能測(cè)試

1）將吸能器按使用時(shí)的壓縮方向固定在試驗(yàn)機(jī)平臺(tái)上，如圖4所示。

圖4 吸能器0°壓縮測(cè)試

2）測(cè)量吸能器的高度。

3）開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，按20～80 mm/min 的加壓速度壓縮吸能器至最大變形量，如圖5所示，并記錄對(duì)應(yīng)的反力值。

圖5 吸能器0°壓縮測(cè)試前后變化

4）按第三步規(guī)定再重復(fù)壓縮兩次，每次間隔5 min。

5）放置1 h 以上，按第三步規(guī)定進(jìn)行第4 次壓縮，取第4次數(shù)據(jù)進(jìn)行判定，繪制出變形量與反力及吸收能量的曲線。

吸收能量是以反力變形曲線為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，反力為f(x)，變形為x，則吸收能量為：

式中：E為吸能器吸收的能量，kJ；f(x)為吸能器反力，kN；x為吸能器的變形，mm。

3.2 吸能器α°扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能測(cè)試

1）將吸能器水平固定在試驗(yàn)機(jī)的橫梁上，如圖6所示。

圖6 吸能器α°扭轉(zhuǎn)測(cè)試

2）測(cè)量吸能器液壓缸推動(dòng)位置的高度。

3）開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，按20～80 mm/min 的速度由液壓缸推動(dòng)吸能器至規(guī)定角度α°變形指定位置，并記錄對(duì)應(yīng)的反力值。

4）根據(jù)測(cè)定的反力值、力臂及位移值，計(jì)算出力矩及吸收能量值。

4 試驗(yàn)結(jié)果討論

選取6 種不同型號(hào)的新型吸能器進(jìn)行了吸能效果試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。試驗(yàn)結(jié)果可以接受。

表3 6種型號(hào)吸能器壓縮試驗(yàn)結(jié)果

以型號(hào)為YTA9146 的吸能器為例，根據(jù)試驗(yàn)要求，開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)首次壓縮時(shí)，將吸能器壓至最大變形量后再重復(fù)壓縮2 次，放置1 h 后再進(jìn)行第4 次壓縮，取第4 次壓縮數(shù)據(jù)進(jìn)行判定。其壓縮測(cè)試結(jié)果如表4 所示，其壓縮反力曲線如圖7所示。

表4 YTA9146型吸能器壓縮測(cè)試結(jié)果

圖7 YTA9146型吸能器壓縮吸能曲線

針對(duì)YTA9146 型吸能器進(jìn)行了側(cè)向壓縮試驗(yàn)，壓縮過程中吸能器剛性內(nèi)筒在0°～23.2°范圍內(nèi)發(fā)生偏轉(zhuǎn)變形，最大反力為835.9 kN，最大吸收能量達(dá)到135.1 kJ，剪切壓縮試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示，壓縮曲線如圖8所示。

表5 YTA9146型吸能器側(cè)向壓縮試驗(yàn)結(jié)果

圖8 YTA9146型吸能器側(cè)向壓縮試驗(yàn)曲線

5 結(jié)論

針對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)的靠船技術(shù)需求，開發(fā)了新型導(dǎo)管架專用靠船件吸能器。通過試驗(yàn)，分別研究了6 種不同型號(hào)靠船吸能器的吸能效果，得到了軸向壓縮和側(cè)向壓縮兩種工況下的試驗(yàn)曲線，其主要結(jié)論如下。

1）在軸向壓縮過程中，吸能器剛性內(nèi)筒沿軸向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生壓縮變形。當(dāng)產(chǎn)生工程所需壓縮量時(shí)，6 種不同型號(hào)的吸能器產(chǎn)生的反力和吸收的能量均符合設(shè)計(jì)要求。

2）在側(cè)向荷載碰撞試驗(yàn)過程中，吸能器剛性內(nèi)筒在軸線0°到15°范圍內(nèi)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)變形。最大反力為835.9 kN，最大吸收能量達(dá)到135.1 kJ，均符合設(shè)計(jì)要求。

3）通過對(duì)6 組不同型號(hào)的新型吸能器進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，驗(yàn)證了吸能效果。

目前這幾種吸能器已經(jīng)成功應(yīng)用于海上導(dǎo)管架油氣平臺(tái)，經(jīng)歷了大小船舶的靠船檢驗(yàn)，在性能上滿足工程要求。