一種自升式平臺樁腿與固樁圍阱間的減摩裝置

徐正榮

（中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300450）

0 引言

自升式平臺圓柱形樁腿外壁與固樁圍阱防摩板在升降平臺過程中接觸導致滑動摩擦，直接危害有：

1）樁腿的外表防腐涂層大面積破壞；

2）樁腿外表層結構切削破壞；

3）引起劇烈的船體晃動，不僅會影響升降系統的使用安全，還會直接影響電氣設備的工作穩定性；

4）加劇樁腿結構與固樁區結構的疲勞損害。

基于此問題，有針對性地研制一套減摩裝置，將圓柱形樁腿與固樁圍阱之間的滑動摩擦副轉化成滾動摩擦副，屬于國內首例，國際市場上也沒有同類型的成熟產品。

1 概述

研究平臺的樁腿外徑3 200 mm，總長73 000 mm，固樁圍阱防磨板處內徑3 238 mm，環空平均間隙19 mm。根據海上作業任務，自升式平臺需要頻繁升降操作，進行拖航移位，過程中導致樁腿外表與固樁圍阱防磨板擠壓摩擦[1]的主要因素如下：

1）升降過程中，各樁之間同步差異；

2）各樁入泥過程中，受風浪流等綜合因素影響，樁腿橫向偏移，與固樁圍阱結構圓心出現偏心；

3）各樁入泥過程中，受就位區域地層特性影響[2]，某單樁入泥垂度偏差；

4）固樁區結構服役時間長久，結構變形。

2 優化研究

2.1 樁腿與固樁圍阱的當前狀態

平臺樁腿為圓柱形雙列齒條結構，固樁圍阱為楔面圓環形結構[3]，結構示意圖見圖1。

圖1 自升式平臺樁腿與固樁圍阱示意圖

2.2 減摩裝置結構型式研究

研究采用一種特制的楔形滾動結構作為減摩裝置，符合樁腿與導向臺之間的空間要求。滾動結構工作面設計有2組高強度滾輪組，來實現樁腿與固樁圍阱之間接觸型式由滑動摩擦轉變為滾動摩擦，降低摩擦損害。在滾動結構與固樁圍阱接觸面之間設計彈性接觸面，增加橫向擠壓緩沖裕量。楔形結構裝置的結構見圖2。

2.3 結構承壓設計

楔形滾動結構主體選擇與樁腿和固樁圍阱相同的材質，結構整體需要重點核算滾輪軸承承壓。為滿足軸向壓力的要求，采用抗軸向壓力能力較強的3列滾針軸承作為1個滾動機構，實驗樣品使用的單列滾針軸承可承受的最大軸向壓力為10 t，組成的單個滾動軸由3列滾針軸承組成，側向抗壓能力為30 t，采用上下2個軸承為1組構成1個防磨單元，最大可承受的軸向壓力為

圖2 楔形結構裝置的結構示意圖

式中：P為軸承可承受的最大軸向壓力，kg；n為滾針軸承組中的單列滾針軸承數量，副；R為單列滾針軸承可承受的最大軸向壓力，kg；α為安全系數，建議小于0.8。

因此，裝置最大可承受的軸向壓力48 t。通過升降系統實操監測，樁腿對固樁圍阱單側產生力N（軸向壓力）通常不大于100 t，可選擇安裝3套減摩裝置，安裝夾角0°、+15°、?15°?，F場應用布置可參考圖3。

圖3 楔形滾動結構裝置安裝計算示意圖

3 實驗

3.1 實驗條件

假設樁腿材料各向同性，作用應力均勻，減摩裝置與固樁圍阱間接觸不分離，減摩裝置結構材質與樁腿一致，忽略減摩裝置的軸承摩擦[4]，結構內部采用0.05低摩擦系數的滾子軸承替代原0.5摩擦系數的滑動摩擦，忽略摩擦中熱對應力的影響。但不難看出滾動摩擦副與樁腿間的接觸面積減小，導致局部的接觸應力[5]變大，因此，對減摩裝置的滾子結構與樁腿接觸應力的實驗分析是很有意義的。減摩裝置的滾子機構對樁腿應力云圖見圖4。

圖4 減摩裝置的滾子機構對樁腿應力云圖

3.2 搭建模擬圓柱形樁腿與固樁圍阱的實驗裝置

搭建模擬圓柱形樁腿與固樁圍阱的實驗裝置，選用TST3822靜態應變測試分析系統，對實驗裝置進行測試。分為圓柱形樁腿與固樁圍阱之間滑動摩擦副和滾動摩擦副2種工況，對裝置施加0 t～5 t的側向載荷，記錄軸向拉力數據。結果如表1所示。軸向提升拉力數據對表分析見圖5。

從圖5可以看出，采用滾子減摩裝置可以明顯降低上提阻力，施加5 t側向載荷，樁腿的上提力增加295.29 kg，未安裝滾子防磨裝置的上提力增大1 784.96 kg，5 t側向載荷下，降低上提力83.46%。

表1 軸向提升拉力數據

圖5 軸向提升拉力數據對表分析

由多組3 mm應變片通過電橋設計采集的滾子軸承對樁腿的應力變化數據如表2所示。

表2 樁腿強度測試數據表

樁腿強度測試數據分析見圖6。從圖6可以看出，根據實驗結果顯示，#1、#2、#3傳感器工作正常，施加5 t側向力作用下，樁腿接觸區域應力最大值小于1.8×103kg，2個應力波峰是滾子與傳感器接觸的應變信號，波峰過后應力恢復正常，因此，樁腿附近區域處于彈性應變區域，未發生塑性變形和應力損壞。

4 結論

1）新型減摩裝置充分利用平臺現有的樁腿及固樁圍阱結構，不需要過多改造，現場安裝使用方便。

2）從實驗情況看，滾子減摩裝置的設計原理可行，可以有效減小樁腿與導向臺之間的摩擦損害。

3）現場實際應用，根據實際樁腿徑向載荷變化情況，合理配置該新型減摩裝置的數量，均勻應力分布，同時，結構強度能夠滿足使用要求。

圖6 樁腿強度測試數據分析