水下夾樁器夾持性能分析及實驗研究

姜沛然，房曉明

(1.哈爾濱工程大學 機電工程學院，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用于較深海石油開采平臺安裝的液壓夾具.在海洋石油平臺施工中，國外廣泛采用的安裝方法是使用鋼樁將其固定于海底，經過調平器調平后用夾樁器初步聯接導管樁和導管架，待灌漿過程結束［1-2］.導管架重上萬噸，體積龐大，因此對夾樁器的力學性能有特殊要求.要求夾樁器能夠承受導管架的重力，同時能夠保證夾持時間以待灌漿結束［3-7］.

1 夾樁器的工作原理

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

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

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

圖2 水下夾樁器結構示意Fig.2 The structure of underwater skirt pile gripper

圖3 壓塊及液壓缸結構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海洋石油平臺需要而研制的超高強度鋼，為降低硬度，改善切削加工性能，鑄造后的工件必須進行退火［8-9］，但傳統工藝復雜，成本高.本文的壓塊用合金鋼加工工藝簡單、生產便捷、軟化時間短、效率高，且鋼的切削性能優良，可以滿足使用要求.

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

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

圖4為鋼的鑄態組織.測定6個點的硬度，舍去偏差較大的數值，并對其他數據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，達到軟化目的，滿足加工要求，而且控制起來比較簡單，如圖5.經測試最終夾樁器壓塊用鋼的抗拉強度達1 320 MPa，屈服強度可達600 MPa，壓塊的硬度達HRC62以上.

圖4 鋼的鑄態組織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 壓塊及導管樁力學性能分析

3.1 壓塊齒部力學分析

在夾緊過程中，受液壓缸作用壓塊齒部壓入導管樁表面，由于導管樁壁厚遠大于壓塊齒高，故可認為導管樁為半空間物體，同時當塑性變形遠大于與彈性變形，可將彈性變形忽略不計，因此導管樁按理想剛塑性材料處理.壓塊硬度遠大于導管樁硬度，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，樁為雙線性隨動模型，單元采用三維顯示的結構實體單元.施加載荷進行動力學分析，嵌入應力分布如圖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

樁與齒頂接觸點的Y軸位移曲線如圖7，應力曲線如圖8.由圖7、8可知，隨著載荷增加，導管樁從彈性變形進入塑性變形階段，在進入塑性變形階段后的一段范圍內變化近似呈線性分布，由于壓塊齒的尖部小于2 mm范圍內近似為楔形體，由此可知在此范圍內導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系曲線如圖9所示.壓塊齒部利用短懸臂梁力學模型進行分析，當載荷作用于懸臂梁端部時，根部截面的最大應力為

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為梁根部至當量載荷的垂直距離，m;β為當量載荷與梁軸的夾角;b為梁根部至當量載荷作用點的直線距離，m.

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

3.2 導管樁力學分析

彈性力學中所謂“殼體”是指由2個曲面所包住的物體，其曲面間的距離較物體之其他尺寸為小.距兩曲面等距的點的軌跡為殼體的中面.在中面上任意一點作垂線.垂線被曲面所截割的一段長度被定義為殼的“厚度”，以δ表示.一般，厚度可以是變量，但實際中最常遇到的是等厚度殼體.殼體理論的任務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).通常按工程計算所容許的相對誤差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］.

殼體具有優越的彈性性質，如果設計得合理可以以最小的厚度承擔起相當大的載荷.殼體的這種性質使它被用來制造海洋石油平臺用導管樁.導管樁壁厚δ=50 mm;中面半徑1 041.8 mm，滿足薄殼結構條件.導管樁受力如圖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緊力遠小于摩擦力夾持方式，可有效保護導管樁不能破壞.

圖10 導管樁徑向受力示意Fig.10 The pressing force on pile

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

4 實驗

4.1 實驗環境

夾樁器實驗樣機實際工況要求:夾持性能1 500T，樁徑2 134mm(84寸).

實驗方案:實驗設備包括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;喇叭口結構焊接在備圈下部，其內側布置有加強結構，喇叭口下端均布8個液壓千斤頂，如圖12所示.

實驗過程:夾樁器每個夾爪用50 MPa壓力壓緊鋼樁，再由液壓千斤頂推動受力塊，液壓千斤頂作用于均布四周的喇叭口上，千斤頂的總施力為1 500 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，從而測定夾樁器工作能力，實驗現場如圖13.

圖12 實驗總裝示意Fig.12 Assembling drawing of experiment

圖13 實驗現場Fig.13 The scene of experiment

4.2 實驗結果

經過12 h，1 500 T夾持力實驗保持后，將夾樁器與導管樁分離，觀察導管樁和卡爪，如圖14所示.

從實驗結果觀察，經過12 h，1 500 T夾持力實驗后，夾樁器沒有松脫，導管樁表面留下壓塊壓痕，且沒有發生任何滑移現象，證明夾樁器完全滿足使用要求.

圖14 實驗結果Fig.14 The result of experiment

5 結論

根據海洋石油平臺安裝的實際需要提出嵌入式夾樁器，對夾樁器的夾持性能進行分析，設計研制了試驗樣機，進行了實際工況條件下的實驗，結果表明:

1)導管樁表面壓痕平均深度與實驗前計算結果符合;壓痕寬度比計算結果略寬，主要原因為導管樁材料較軟，經過12 h夾持試驗后，產生疲勞變形，但變形結果不影響實際使用性能.

2)由于實際導管樁外壁圓度存在誤差，因此個別壓塊齒部嵌入深度不夠，無法滿足抗剪要求，出現斷裂現象;斷裂現象出現的位置，與齒部下端結構有關，可以通過優化改進壓塊齒部下端結構，進一步提升夾樁器的夾持性能.

3)利用顯示動力分析得出的夾緊力與夾持性能的關系，與實驗結果吻合，為進一步研究嵌入式夾持方式提供了依據.

4)夾樁器需要在水下環境中使用，由于水下環境更為復雜，因此夾樁器的穩定性和抗干擾性將是后續工作的一個重要研究方向.

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