管卡板牙式鎖緊機(jī)構(gòu)軸向承載力的試驗(yàn)研究?

石 湘，馬長(zhǎng)達(dá)，何鎮(zhèn)陽(yáng)

(中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100)

自1985年在中國(guó)渤海埕北油田建成第一條海底輸油管道以來(lái)，中國(guó)在不同海域已有各種規(guī)格管道數(shù)百條，總長(zhǎng)度已超8 000 km[1]，部分管道在役超過(guò)15年，個(gè)別甚至達(dá)到25年[2]，有相當(dāng)比例的水下油氣管道已接近或超過(guò)設(shè)計(jì)年限，海底管道損壞事故也在逐年增多[3]。管道使用過(guò)程中損傷和破壞的具體原因包括內(nèi)部和外部被腐蝕、氫致應(yīng)力開(kāi)裂、不穩(wěn)定的海床條件、錨固活動(dòng)、表面落物，損壞的風(fēng)險(xiǎn)取決于海面的活動(dòng)強(qiáng)度、所在深度、海床條件和管道本身設(shè)計(jì)等[4]。管道的損壞形式包括針孔泄漏、管壁減薄等小型損傷，環(huán)焊縫開(kāi)裂、較大穿孔等嚴(yán)重?fù)p傷，完全彎曲或斷開(kāi)等徹底破壞[5]。在眾多海底油氣管道維修技術(shù)中，管卡是一種關(guān)鍵設(shè)備，它可以用于維修管道的小損傷，比如局部機(jī)械破壞、腐蝕穿孔、裂紋、軸向或周向凹痕等[6]，該設(shè)備有兩瓣殼體，其封堵的基本原理是在管道受損部位外形成一個(gè)密閉壓力容器，達(dá)到即使管道發(fā)生泄漏，內(nèi)部介質(zhì)也無(wú)法泄露到海水中的目的。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同管卡分為全結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)兩種形式，全結(jié)構(gòu)形式管卡通常用于維修破壞嚴(yán)重的海底油氣管道，如管道的環(huán)焊縫缺陷、扭轉(zhuǎn)及穿刺破壞等[7]。全結(jié)構(gòu)形式管卡利用其兩端的鎖緊機(jī)構(gòu)牢固地抓緊管道，將管道的軸向載荷轉(zhuǎn)移至管卡本身，同時(shí)能夠把管道受破壞部分的周向應(yīng)力移除，對(duì)管道整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行增強(qiáng)。而非結(jié)構(gòu)管卡用于修復(fù)輕微損傷的管道，它只提供密封作用沒(méi)有鎖緊機(jī)構(gòu)。目前國(guó)內(nèi)在工程中使用的國(guó)產(chǎn)管卡均為非結(jié)構(gòu)形式[8]，而國(guó)外早在2004年就開(kāi)始使用全結(jié)構(gòu)形式管卡[9-10]。全結(jié)構(gòu)管卡鎖緊機(jī)構(gòu)的軸向承載性能反映了加固管道的結(jié)構(gòu)承載能力，是管卡設(shè)計(jì)的重要方面，國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有鎖緊機(jī)構(gòu)承載力測(cè)試的介紹，本文開(kāi)展試驗(yàn)研究，分析323.9 mm管卡板牙式鎖緊機(jī)構(gòu)的軸向承載性能，為板牙式鎖緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)。

1 全結(jié)構(gòu)管卡及其板牙式鎖緊機(jī)構(gòu)介紹

1.1 全結(jié)構(gòu)管卡結(jié)構(gòu)

全結(jié)構(gòu)管卡主要包括兩瓣管卡殼體、連接殼體的主螺栓、兩側(cè)的頂進(jìn)法蘭、將頂進(jìn)法蘭預(yù)先設(shè)定在殼體上的頂進(jìn)螺栓、內(nèi)部的密封裝置和鎖緊裝置。為了方便安裝時(shí)兩瓣殼體張開(kāi)包攏住受損管道，管卡在鉸鏈一側(cè)安裝有液壓缸，借助開(kāi)合臂安裝在管卡殼體上[7]。管卡的鎖緊機(jī)構(gòu)用于承載維修后管道的軸向載荷，常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式是楔形的板牙式結(jié)構(gòu)，圖1為采用板牙式鎖緊機(jī)構(gòu)的全結(jié)構(gòu)管卡的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 采用板牙式鎖緊機(jī)構(gòu)的全結(jié)構(gòu)管卡

1.2 板牙式鎖緊機(jī)構(gòu)介紹

板牙式鎖緊機(jī)構(gòu)的直接工作部件是成楔形接觸的外板牙(張力碗)和內(nèi)板牙(張力卡瓦)，其鎖緊原理如圖2所示，螺栓張緊器拉伸頂進(jìn)螺栓使得頂進(jìn)法蘭對(duì)外板牙傳遞軸向力，驅(qū)動(dòng)外板牙向內(nèi)軸向運(yùn)動(dòng)，外板牙通過(guò)楔形原理驅(qū)動(dòng)內(nèi)板牙沿?fù)醢遄鰪较蜻\(yùn)動(dòng)，在徑向運(yùn)動(dòng)后期，其表面的板牙齒咬入管道壁，為管卡與管道的連接提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，確保管卡與管道不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，達(dá)到管卡鎖緊管道的效果。設(shè)計(jì)內(nèi)板牙的板牙齒時(shí)，一般采用倒齒結(jié)構(gòu)，以增大管道受拉后軸向移動(dòng)的阻力。

圖2 板牙式鎖緊機(jī)構(gòu)的工作原理

2 板牙式鎖緊機(jī)構(gòu)的力學(xué)分析

全結(jié)構(gòu)式管卡的軸向承載性能是指在管道軸向拉力下阻止管道脫開(kāi)管卡的能力。以下對(duì)建立和形成鎖緊機(jī)構(gòu)承載力過(guò)程的力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行分析。

2.1 內(nèi)板牙咬入力與頂進(jìn)法蘭加載載荷的關(guān)系

首先分析鎖緊楔形機(jī)構(gòu)的載荷傳遞過(guò)程，圖3是鎖緊機(jī)構(gòu)載荷傳遞示意圖，根據(jù)文獻(xiàn)[11]的推導(dǎo)可知，內(nèi)板牙對(duì)管道壁的總咬入壓力N表示為

圖3 板牙式鎖緊機(jī)構(gòu)載荷傳遞示意圖

(1)

式中:f1為內(nèi)、外板牙間的摩擦系數(shù)；f2為外板牙與殼體間的摩擦系數(shù)；θ為鎖緊機(jī)構(gòu)的楔形角；Q為頂進(jìn)法蘭施加給外板牙參與內(nèi)板牙齒咬入管壁的推力，它的計(jì)算公式為

Q=m(P-P0)。

(2)

式中：P為鎖緊加載壓力即螺栓張緊器油源壓力；P0為內(nèi)板牙收縮初壓力；m是張緊器推力系數(shù)。

假設(shè)壓力N均勻分布在內(nèi)板牙的每個(gè)齒上，則單個(gè)齒對(duì)管道外壁的咬入力Fb為

Fb=N/n。

(3)

式中n為內(nèi)板牙上的齒數(shù)。

2.2 內(nèi)板牙咬入深度與咬入力的關(guān)系

由于內(nèi)板牙齒的硬度遠(yuǎn)大于管道壁，鎖緊后會(huì)在管道上形成咬痕。根據(jù)Shi等[12]的試驗(yàn)研究表明，在咬入力Fb作用下，咬痕的寬度有如下關(guān)系：

(4)

式中:b為齒的咬入寬度；c為齒間距系數(shù)；已由前期模型試驗(yàn)測(cè)得；α為齒頂角的前角；β為齒頂角的后角；L為齒的長(zhǎng)度；σs為被咬入物體的屈服強(qiáng)度。咬入齒的幾何參數(shù)如圖4所示。

圖4 咬入齒的幾何參數(shù)

根據(jù)齒形的幾何關(guān)系可知咬入深度h為

(5)

2.3 鎖緊機(jī)構(gòu)單齒軸向承載力與內(nèi)板牙咬入深度的關(guān)系

由于板牙齒咬入管道的深度較小，可以把它對(duì)管道外壁的破壞模式看做板牙齒作為刀具360°刨削管件表面金屬層，根據(jù)機(jī)械加工工藝手冊(cè)[13]，刨削力計(jì)算公式為

(6)

式中：F為刨削力；cF為取決于工件材料和刨削條件的系數(shù)；ap為刨削深度，即齒咬入深度h；f為刨削寬度即齒長(zhǎng)L；xF為ap的指數(shù)；yF為f的指數(shù)；kF為當(dāng)實(shí)際加工條件與求得的經(jīng)驗(yàn)公式不符時(shí)，各種因素對(duì)刨削力的修正系數(shù)。假設(shè)鎖緊機(jī)構(gòu)的軸向承載力就是多齒同時(shí)慢速刨削管件表面的刨削力F，根據(jù)文獻(xiàn)[13]取xF=1.0、yF=1.0，并把齒的咬入深度h和齒長(zhǎng)L代入，則式(6)可以簡(jiǎn)化為

F=cF·h·L·kF。

(7)

需要說(shuō)明的是式(7)計(jì)算的F是單齒承載力。

通過(guò)模型試驗(yàn)來(lái)測(cè)試多種規(guī)格鎖緊機(jī)構(gòu)的軸向承載力，求出承載力公式(7)的主要系數(shù)并進(jìn)行對(duì)比分析。

3 鎖緊機(jī)構(gòu)軸向承載力測(cè)試裝置設(shè)置和測(cè)試方法

3.1 試驗(yàn)裝置及鎖緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)

通常全結(jié)構(gòu)型管卡的兩端各有一個(gè)鎖緊機(jī)構(gòu)，為了方便測(cè)試，試驗(yàn)裝置只設(shè)計(jì)了一端的鎖緊機(jī)構(gòu)，如圖5所示，該裝置包括殼體、管件、加載管件、鎖緊機(jī)構(gòu)(內(nèi)板牙和外板牙)以及鎖緊加載構(gòu)件(頂進(jìn)法蘭、頂進(jìn)螺栓、螺栓張緊器)。

選擇323.9 mm API X56管材作為試驗(yàn)管件，管件尺寸Φ為325 mm×14 mm(外徑×壁厚)；內(nèi)板牙和外板牙的材料為35CrMo，內(nèi)板牙表面滲氮硬度HRC55-60；殼體和頂進(jìn)法蘭是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，內(nèi)板牙和外板牙是與實(shí)際管卡一樣的兩瓣結(jié)構(gòu)。

考慮實(shí)際管件的不圓度問(wèn)題，內(nèi)板牙齒頂距離管件表面的徑向距離設(shè)計(jì)為3.5 mm(見(jiàn)圖5)，內(nèi)板牙上交錯(cuò)開(kāi)槽，以便于其徑向運(yùn)動(dòng)咬住管件，槽口寬度8 mm，內(nèi)板牙零件圖如圖6所示。內(nèi)板牙的加工采用數(shù)控精車，在滲氮過(guò)程采用真空滲氮減少熱處理變形以保證制造精度。關(guān)鍵部件的材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 關(guān)鍵部件的力學(xué)參數(shù)

(1.殼體Housing；2.頂進(jìn)法蘭Jacking flange；3.頂進(jìn)螺母Jacking nut；4.螺栓張緊器Bolt tensioner；5.頂進(jìn)螺栓Jacking bolt；6.加載管件Pipe for loading；7.外板牙Driver；8.內(nèi)板牙Grip；9.管件Pipe)

(A-A：旋轉(zhuǎn)剖視Rotate section view; D: 基準(zhǔn)面Datum plane.單位Unit: mm)

關(guān)于鎖緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)國(guó)外219.1 mm機(jī)械連接器的測(cè)繪，得到其內(nèi)板牙的齒間距為4.5 mm；另外考慮到323.9 mm 管道管卡的板牙齒間距將更大，將其定為6 mm，因此將齒間距定為4.5和6 mm兩種。前期對(duì)板牙及板牙齒的優(yōu)化設(shè)計(jì)[14]得到了80°齒頂角的最優(yōu)齒頂角；另外對(duì)國(guó)外219.1 mm機(jī)械連接器的測(cè)繪，其齒頂角為90°，因此齒頂角定為80°(前、后角分別為15°，65°)和90°(前、后角分別為20°，70°)兩種。試驗(yàn)鎖緊機(jī)構(gòu)參數(shù)如表2所示。利用這個(gè)試驗(yàn)裝置，可以測(cè)試不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的鎖緊機(jī)構(gòu)在不同鎖緊荷載壓力下的軸向承載力。

表2 試驗(yàn)鎖緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.2 試驗(yàn)步驟及測(cè)試方法

主要分為三個(gè)步驟：首先要將鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝配和鎖緊加載并記錄加載壓力和收縮初壓力；其次將鎖緊機(jī)構(gòu)裝置放置于壓力機(jī)上進(jìn)行軸向承載力測(cè)試記錄軸向承載力，最后把測(cè)試完成后的裝置進(jìn)行拆解以便更換管件、變化鎖緊加載壓力再次進(jìn)行軸向承載力測(cè)試。

裝配時(shí)要保證殼體和管件水平放置，管件處于殼體中心，然后將內(nèi)、外板牙配合一起吊入殼體與管件的間隙。鎖緊機(jī)構(gòu)裝配完成后安裝并連接螺栓張緊器，由于一圈有8個(gè)頂進(jìn)螺栓，采用8個(gè)螺栓張緊器同時(shí)加載，使用的是英國(guó)TENTEC的1-1/8”液壓張緊器，鎖緊加載情況如圖7所示。按表2中每種結(jié)構(gòu)形式的鎖緊機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行鎖緊加載，加載壓力P即張緊器油源壓力均設(shè)置為4種壓力值即20、40、60和80 MPa。進(jìn)行鎖緊加載時(shí)，由于內(nèi)板牙齒頂與管件之間有3.5 mm的距離(見(jiàn)圖5)，需要一定的初壓力P0使內(nèi)板牙徑向收縮到其齒頂，使接觸到管件，而這部分初壓力并不參與板牙齒對(duì)管件表面的咬入作用，測(cè)試時(shí)在鎖緊操作初期觀察頂進(jìn)法蘭與殼體距離H(見(jiàn)圖5)的變化。根據(jù)計(jì)算發(fā)現(xiàn)：在板牙齒頂接觸到管件之前，H變化約15 mm；在板牙齒開(kāi)始咬入管件后，H變化很小(<0.2 mm)。加壓過(guò)程中觀察H變化由快速到基本不變的時(shí)刻記錄初壓力P0，其范圍在5～10 MPa之間。鎖緊實(shí)際加壓是加載壓力P與內(nèi)板牙收縮初壓力P0之差。

圖7 鎖緊機(jī)構(gòu)裝置的鎖緊加載過(guò)程

把完成鎖緊的鎖緊機(jī)構(gòu)裝置放置于壓力機(jī)上進(jìn)行軸向承載力測(cè)試，采用的壓力機(jī)是濟(jì)南三越測(cè)試儀器有限公司的SYWY-5000型壓剪試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試情況如圖8所示。把測(cè)試裝置放于壓力機(jī)兩個(gè)壓盤之間，通過(guò)壓縮加載管件使得管件向下運(yùn)動(dòng)。設(shè)置壓力機(jī)：將管件軸向向下頂進(jìn)10 mm(對(duì)應(yīng)6 mm齒間距)或8 mm(對(duì)應(yīng)4.5 mm齒間距)；設(shè)加載速度為1.2 mm/min；出現(xiàn)的力峰值即為軸向承載力。然后根據(jù)測(cè)試的實(shí)際加壓和軸向承載力進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。

圖8 鎖緊機(jī)構(gòu)裝置的軸向承載力測(cè)試

鎖緊機(jī)構(gòu)裝置拆解時(shí)首先使用螺栓張緊器拆解頂進(jìn)螺母和頂進(jìn)法蘭，擰下頂進(jìn)螺栓，然后把剩下的裝置放置于線切割機(jī)上把管件軸向切割成三瓣，取出內(nèi)、外板牙及管件進(jìn)行觀測(cè)分析。試驗(yàn)測(cè)試原理及流程整理如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)原理及流程圖

3.3 鎖緊機(jī)構(gòu)失效模式

試驗(yàn)裝置拆解后發(fā)現(xiàn)鎖緊機(jī)構(gòu)內(nèi)板牙的齒完好無(wú)損，而管件的外表面被板牙齒擠毀并刮削下一層金屬，圖10是管件表面的破壞情況。因此判斷失效模式為管件表面金屬層被板牙齒擠毀并刮削破壞。

圖10 裝置拆解后管件表面的破壞情況

4 軸向承載力數(shù)據(jù)分析和處理

4.1 軸向承載力測(cè)試曲線分析

經(jīng)過(guò)分析比對(duì)后發(fā)現(xiàn)每組鎖緊機(jī)構(gòu)承載力測(cè)試的力-位移關(guān)系曲線變化規(guī)律基本相似，類似鋼筋拉伸的破壞曲線。以下取楔形角13°、齒間距6 mm、齒頂角80°的鎖緊機(jī)構(gòu)在鎖緊加載壓力P為60 MPa情況下的力-位移曲線如圖11所示。

圖11 鎖緊機(jī)構(gòu)軸向承載力測(cè)試的典型力-位移曲線

在初期由于壓力機(jī)壓盤與試驗(yàn)裝置存在縫隙和對(duì)中偏差，會(huì)有一小段壓緊過(guò)程，大約1～2 mm。此后頂出力會(huì)迅速增長(zhǎng)，進(jìn)入斜率較大的線性變化段，這一階段是板牙齒擠毀管道表面過(guò)程，然后進(jìn)入類似屈服階段的變化，曲線斜率變小，頂出力的增長(zhǎng)速度會(huì)較之前變緩慢，這一階段是由于擠毀累積的鐵屑層增加到一定厚度開(kāi)始被板牙齒刮起而造成的。隨著再推進(jìn)一段行程后，實(shí)際推進(jìn)距離接近板牙齒間距，頂出力達(dá)到最大值，即為本組鎖緊機(jī)構(gòu)的軸向承載力，此時(shí)鐵屑層被刮斷，隨后頂出力隨著位移的增大而迅速減小。

4.2 單齒的咬入深度與軸向承載力數(shù)據(jù)

為了方便不同結(jié)構(gòu)參數(shù)鎖緊機(jī)構(gòu)的承載性能比較，計(jì)算了每組試驗(yàn)單個(gè)齒的咬入深度h和軸向承載力F，如表3所示。

表3中首先通過(guò)式(2)獲得推力Q(式(2)中的緊張器推力系數(shù)m為1.462×10-2m2)；其次通過(guò)式(1)、(3)計(jì)算單個(gè)齒對(duì)管道外壁的咬入力Fb(式(1)中的摩擦系數(shù)f1取0.1，f2取0.2)；然后通過(guò)式(5)計(jì)算咬入深度h；最后通過(guò)軸向承載力除以齒數(shù)n獲得單齒承載力F。

表3 鎖緊機(jī)構(gòu)單齒的咬入深度與軸向承載力

5 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)鎖緊機(jī)構(gòu)的單齒軸向承載力公式分析

根據(jù)2.3節(jié)假設(shè)的單齒承載力與咬入深度的關(guān)系，將式(7)進(jìn)行參數(shù)擬合。表2中所有內(nèi)板牙的齒長(zhǎng)一樣，取齒長(zhǎng)L=332π-12×8=947(mm)，跟據(jù)管材和板牙的強(qiáng)度，查詢文獻(xiàn)[13]，獲取工件材料和刨削條件的系數(shù)cF為2 100 N/mm2，則代入式(7)變換為：

F=1 989kFh。

(8)

利用表3的數(shù)據(jù)采用最小二乘法擬合求得對(duì)應(yīng)表3編號(hào)1～4規(guī)格鎖緊機(jī)構(gòu)軸向承載力修正系數(shù)kF分別為3.41、2.74、3.48和3.31。得到的修正系數(shù)kF均遠(yuǎn)大于1，主要是因?yàn)槌休d力測(cè)試時(shí)的加載速度很小(1.2 mm/min)，遠(yuǎn)小于刨削的切削速度，因此求得的kF均很大。

5.1 內(nèi)板牙齒間距對(duì)單齒軸向承載力的影響分析

圖12是齒頂角80°鎖緊機(jī)構(gòu)不同齒間距下的單齒承載力，可以看出同一咬入深度下，齒間距越大的鎖緊機(jī)構(gòu)單齒承載力越大。

圖12 齒頂角80°鎖緊機(jī)構(gòu)不同齒間距下的單齒承載力

圖13是齒頂角90°鎖緊機(jī)構(gòu)不同齒間距下的單齒承載力，仍可以看出齒間距越大的鎖緊機(jī)構(gòu)單齒承載力越大，但不是很明顯。

圖13 齒頂角90°鎖緊機(jī)構(gòu)不同齒間距下的單齒承載力

這種現(xiàn)象可以通過(guò)鎖緊機(jī)構(gòu)失效模式進(jìn)行解釋，板牙擠毀管道表面過(guò)程中，由于行程較長(zhǎng)，6 mm齒間距擠毀累積的鐵屑層厚度要大于4.5 mm齒間距，因此6 mm齒間距鎖緊機(jī)構(gòu)最后刮削切斷的力要偏大一些。

5.2 內(nèi)板牙齒頂角對(duì)單齒軸向承載力的影響分析

圖14是齒間距6 mm鎖緊機(jī)構(gòu)不同齒頂角下的單齒承載力，可以看出同一咬入深度下，90°齒頂角的鎖緊機(jī)構(gòu)單齒承載力比80°齒頂角的稍大。圖15是齒間距4.5 mm鎖緊機(jī)構(gòu)不同齒頂角下的單齒承載力，可以看出90°齒頂角的鎖緊機(jī)構(gòu)單齒承載力比80°齒頂角的要大。這一現(xiàn)象可以通過(guò)刀具切削前角的影響做一解釋，從切削角度看90°齒頂角的切削前角為-20°，小于80°齒頂角的切削前角-15°，因此其切削阻力偏大一些而導(dǎo)致90°齒頂角鎖緊機(jī)構(gòu)承載力偏大。

圖14 齒間距6 mm鎖緊機(jī)構(gòu)不同齒頂角下的單齒承載力

圖15 齒間距4.5 mm鎖緊機(jī)構(gòu)不同齒頂角下的單齒承載力

6 結(jié)論

(1)揭示并分析了鎖緊機(jī)構(gòu)的內(nèi)板牙齒擠毀管道表面并刮斷累積金屬屑層的失效模式。

(2)得到了4種規(guī)格的板牙式鎖緊機(jī)構(gòu)單齒軸向承載力的經(jīng)驗(yàn)公式。

(3)同一咬入深度下，對(duì)于相同齒頂角的板牙式鎖緊機(jī)構(gòu)，齒間距越大的單齒承載力越大；對(duì)于相同齒間距的板牙式鎖緊機(jī)構(gòu)，90°齒頂角的單齒承載力比80°齒頂角的要大。