鋼懸鏈線立管柔性接頭用半球形彈性支座的研制

侯 靜，黎世龍，馬美琴，孫建幫，劉保權(quán)

[1.中海油研究總院，北京 100028；2.中海石油（中國）有限公司海南分公司，海南 海口 570100；3.衡橡科技股份有限公司，河北 衡水 053000]

半球形彈性支座是鋼懸鏈線立管柔性接頭最核心的部件[1]，其以橡膠和鋼板復(fù)合制成。半球形彈性支座與密封法蘭配合，形成可承受大交變彎矩和軸向拉力的柔性連接節(jié)點(diǎn)，安裝于鋼懸鏈線立管頂端，是鋼懸鏈線立管的重要部件，是在深海油氣生產(chǎn)過程中具有顯著經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)優(yōu)勢(shì)的部件[2]，目前全球僅有2—3家公司具備鋼懸鏈線立管柔性接頭的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力。本工作針對(duì)半球形彈性支座的制備進(jìn)行深入探討，希望能為半球形彈性支座這一“卡脖子”部件的研發(fā)積累經(jīng)驗(yàn)，助力快速實(shí)現(xiàn)半球形彈性支座的國產(chǎn)化。

1 半球形彈性支座的結(jié)構(gòu)和功能

1.1 使用工況

我國某海域油氣田平臺(tái)用30.48 cm（12英寸）柔性接頭主要由金屬殼體、法蘭、延伸管、連接螺栓和半球形彈性支座等組成（見圖1）。

圖1 柔性接頭的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of flexible joint

柔性接頭固定在平臺(tái)側(cè)部，其延伸管與自海底而上的輸油立管相連，法蘭與平臺(tái)上的固定管線相連。由海底油氣田開采出的油氣自海底管線和輸油立管提升而上，自柔性接頭中部穿過，輸送至上部平臺(tái)油氣儲(chǔ)存和預(yù)處理區(qū)域。

日常油氣開采時(shí)，柔性接頭中生產(chǎn)介質(zhì)的壓力約為15 MPa，溫度達(dá)到65 ℃。立管自身質(zhì)量使柔性接頭長(zhǎng)期承受豎向拉力（可能高達(dá)4 000 kN），同時(shí)風(fēng)、浪、涌、流和潮汐等因素會(huì)使得立管產(chǎn)生360°的各向擺動(dòng)，延伸管的最大旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到25°。復(fù)雜高頻交變轉(zhuǎn)變的工況、海水腐蝕、天然氣腐蝕、高溫高壓老化等對(duì)柔性接頭用半球形彈性支座的材料、結(jié)構(gòu)和性能均提出了嚴(yán)苛的要求。

1.2 結(jié)構(gòu)和功能

半球形彈性支座是實(shí)現(xiàn)立管擺動(dòng)、柔性接頭轉(zhuǎn)動(dòng)的執(zhí)行部件，其由若干同心半球形橡膠層與金屬增強(qiáng)板相互交替粘接而成，其內(nèi)部與延伸管粘接、外部與金屬殼體粘接，集密封、受拉和轉(zhuǎn)動(dòng)等功能于一體。半球形彈性支座的結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 半球形彈性支座的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of hemispherical elastic bearing

2 半球形彈性支座的設(shè)計(jì)

2.1 橡膠層膠料的配方設(shè)計(jì)

半球形彈性支座由橡膠層與增強(qiáng)板交替堆疊而成。復(fù)雜的腐蝕工況對(duì)橡膠材料的性能提出了較高的要求。氯丁橡膠、三元乙丙橡膠、丁腈橡膠（NBR）、氫化丁腈橡膠（HNBR）、氟橡膠和聚氨酯等均具有良好的耐熱老化和耐海水腐蝕性能，但因管道輸送的介質(zhì)為天然氣（可能含有少量原油成分），要求橡膠具備良好的耐極性氣體性能，因此僅將NBR、HNBR和聚醚型聚氨酯列入橡膠的選擇范疇[3]。

橡膠層在半球形彈性支座中主要起到提供彈性、保護(hù)增強(qiáng)板和實(shí)現(xiàn)密封的作用。在半球形彈性支座長(zhǎng)達(dá)300年的設(shè)計(jì)壽命內(nèi)，橡膠層一直接觸海水、混油的天然氣等腐蝕性物質(zhì)，因此要求其具有良好的耐候、耐海水腐蝕、耐熱、耐油和耐疲勞等性能[4]。天然氣礦藏中含有的少量酸性硫化氫是一種極性氣體，會(huì)與NBR的雙鍵發(fā)生反應(yīng)，易造成NBR膠層老化，導(dǎo)致NBR膠層硬化和脆化。HNBR膠層則不易發(fā)生這種老化現(xiàn)象，且可以耐受更高的溫度和硫化氫濃度，極適合在長(zhǎng)期高溫等極端環(huán)境下使用。綜合考慮上述要求，半球形彈性支座橡膠層膠料的主體材料可采用HNBR。

通過試驗(yàn)，確定半球形彈性支座橡膠層膠料的配方為：HNBR 100，炭黑N330 45，炭黑N220 15，氧化鋅 5，硬脂酸 1，微晶蠟 1，防老劑4010NA 2，防老劑RD 1.5，防老劑DNP 1，抗硫化返原劑PK-900 2。該膠料的物理性能（見表1）完全滿足指標(biāo)要求。

表1 半球形彈性支座橡膠層膠料的物理性能Tab.1 Physical properties of rubber layer compound of hemispherical elastic bearing

2.2 增強(qiáng)板的設(shè)計(jì)

增強(qiáng)板是增大半球形彈性支座壓縮剛度和旋轉(zhuǎn)剛度的金屬板材。增強(qiáng)板與橡膠層通過熱硫化粘接層緊密連接為一體，增強(qiáng)板與橡膠層交替堆疊，可有效降低橡膠層的局部應(yīng)力，延長(zhǎng)半球形彈性支座的壽命。

增強(qiáng)板的材質(zhì)和尺寸直接影響半球形彈性支座的結(jié)構(gòu)剛度，而增強(qiáng)板的分布、放置形式和尺寸公差會(huì)對(duì)橡膠層的尺寸、局部應(yīng)力以及半球形彈性支座的壽命等產(chǎn)生較大的影響。

半球形彈性支座與延伸管和金屬殼體連接為一體，延伸管的最大旋轉(zhuǎn)角度為25°，經(jīng)有限元模擬計(jì)算得出，在極限使用工況下半球形彈性支座增強(qiáng)板要求屈服強(qiáng)度高達(dá)800 MPa以上，并具備良好的耐疲勞性能。

增強(qiáng)板一般選用鋼板。選取SC960E鋼板和熱處理30CrNiMo鋼板作為增強(qiáng)板進(jìn)行研究，增強(qiáng)板的物理性能見表2。由表2可知，兩種材質(zhì)增強(qiáng)板的物理性能均能滿足指標(biāo)要求。

表2 增強(qiáng)板的物理性能Tab.2 Physical properties of reinforcing plate

3 半球形彈性支座的生產(chǎn)

3.1 工藝流程

GB/T 20688.4—2007中規(guī)定的橡膠支座的結(jié)構(gòu)形式見圖3，其結(jié)構(gòu)和工作原理與半球形彈性支座相近，均通過橡膠與剛性骨架交替堆疊形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的壓縮剛度和轉(zhuǎn)角剛度。

圖3 橡膠支座的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of rubber bearing

目前國內(nèi)橡膠支座的生產(chǎn)工藝已十分成熟，各生產(chǎn)企業(yè)采用的工藝雖然不盡相同，但是總體流程差別不大，半球形彈性支座可以參照橡膠支座的工藝進(jìn)行生產(chǎn)[5]。

某公司橡膠支座生產(chǎn)線的工藝流程見圖4。其中，主要工藝過程為橡膠混煉、增強(qiáng)板處理、支座硫化成型3個(gè)部分。

圖4 橡膠支座的生產(chǎn)工藝流程Fig.4 Production process of rubber bearing

3.2 橡膠層膠料的混煉

橡膠的彈性給其加工帶來很大的困難，需要將生膠由強(qiáng)韌的高彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿彳浀乃苄誀顟B(tài)，從而降低混煉膠的粘度，改善混煉膠的流動(dòng)性，提高混煉膠的分散性和成型粘合性。采用開煉機(jī)薄通塑煉生膠，可使塑煉膠快速散熱，塑性均勻，能達(dá)到任意的塑煉程度[6-7]。橡膠混煉是借助煉膠機(jī)機(jī)械力的作用將各種配合劑均勻分散于橡膠中的工藝過程，混煉膠質(zhì)量對(duì)后續(xù)加工和成品質(zhì)量有重要影響[8-9]。

為了使半球形彈性支座的橡膠層膠料分散均勻，首先將HNBR塑煉以提高其塑性；由于HNBR膠料混煉時(shí)生熱大，升溫快，混煉溫度應(yīng)比天然橡膠（NR）膠料低；HNBR對(duì)粉劑的濕潤(rùn)能力較差，其膠料的粉劑難以分散，所以混煉時(shí)間要比NR膠料長(zhǎng)；由于HNBR在高溫下容易結(jié)聚而產(chǎn)生凝膠現(xiàn)象，從而使硫化膠的強(qiáng)度降低，因此其膠料采用慢速密煉；為使膠料性能均勻，增加混煉膠薄通工序，薄通后的混煉膠停放至少24 h，待混煉膠穩(wěn)定后，通過炭黑分散度、門尼粘度、阿基米德螺線測(cè)定流動(dòng)性等方法測(cè)定膠料的混煉均勻性和加工性能。

3.3 增強(qiáng)板的加工成型和表面處理

普通橡膠支座的增強(qiáng)板多為Q235或Q355材質(zhì)的鋼板，外形為規(guī)則的矩形或圓形，僅通過開平、沖/剪裁、激光下料等方式即可得到滿足尺寸要求的增強(qiáng)板[5-6]；增強(qiáng)板再通過酸/堿處理除油、拋丸除銹、涂刷膠粘劑等處理即可使用。但是半球形彈性支座的增強(qiáng)板因受尺寸精度和原材料強(qiáng)度要求高、尺寸大（在外力作用下易變形）等因素的影響，在加工成型和表面處理兩方面均存在巨大的困難。

3.3.1 加工成型

半球形彈性支座的增強(qiáng)板規(guī)格超過30種，屈服強(qiáng)度要求大于800 MPa。Φ920增強(qiáng)板的尺寸如圖5所示。

圖5 Φ920增強(qiáng)板的尺寸示意Fig.5 Dimension schematic of Φ920 reinforcing plate

經(jīng)試驗(yàn)，可行的增強(qiáng)板生產(chǎn)工藝主要分為以下兩種。

（1）使用高強(qiáng)度型坯，機(jī)加工成型。選取滿足要求的高強(qiáng)度鋼材質(zhì)型坯，通過機(jī)加工工藝將型坯加工成設(shè)計(jì)尺寸的增強(qiáng)板。該工藝具有精度高的優(yōu)勢(shì)，但機(jī)加工需要具有較高精度的車床和夾具，且易出現(xiàn)“顫刀”的現(xiàn)象，較佳的解決方式是制作與增強(qiáng)板內(nèi)外徑尺寸相同的靠件，協(xié)助增強(qiáng)板的夾持和加工，但增強(qiáng)板規(guī)格多、尺寸大，需要上百個(gè)靠件，成本投入過大，且原材料利用率低，加工周期長(zhǎng)。

（2）使用低強(qiáng)度鋼板材沖壓后熱處理。該工藝基于球冠形封頭和球形封頭的成型方法，通過沖壓、冷旋壓或熱旋壓等方式將延展性較好的鋼板材加工至設(shè)計(jì)尺寸，再經(jīng)熱處理提高增強(qiáng)板的強(qiáng)度[10]。該工藝的原材料利用率可超過90%，且生產(chǎn)周期短、成本低，但增強(qiáng)板的尺寸精度低，成品厚度不均，在熱處理過程中易變形。

3.3.2 表面處理

長(zhǎng)時(shí)間的高頻受壓和轉(zhuǎn)動(dòng)工況要求半球形彈性支座具有良好的性能穩(wěn)定性，即橡膠層與增強(qiáng)板具有較高的粘接強(qiáng)度和較好的耐疲勞性能。橡膠層與增強(qiáng)板的粘合常采用熱硫化粘接的工藝，即在增強(qiáng)板的表面涂刷膠粘劑，在高溫條件下膠粘劑與橡膠和增強(qiáng)板分別發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[11]。

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證：在選取合適牌號(hào)的膠粘劑后，橡膠層與增強(qiáng)板的剝離強(qiáng)度可達(dá)到10 kN·m-1以上，動(dòng)態(tài)疲勞壽命超過100萬次。

增強(qiáng)板的表面處理操作主要包括：除油除銹、增大比表面積、噴涂膠粘劑等。其中，除油除銹主要通過酸/堿洗和拋丸等方式進(jìn)行；增大比表面積主要通過拋丸和拉毛等措施進(jìn)行；噴涂膠粘劑后需根據(jù)膠粘劑的種類和牌號(hào)進(jìn)行烘干或/和晾曬處理。值得注意的是：增強(qiáng)板由于壁厚小、直徑大，在拋丸過程中極易發(fā)生變形，需制作合適的固定工裝來保證增強(qiáng)板的橢圓度。

3.4 模具設(shè)計(jì)

半球形彈性支座的模具主要包括鋪設(shè)定型模具和硫化成型模具兩種。在定型階段，需將厚度均勻的混煉膠膠片纏繞到增強(qiáng)板上，然后通過定型模具將另一塊增強(qiáng)板擠壓到已鋪設(shè)完成的混煉膠膠片上；依次將混煉膠膠片和增強(qiáng)板擠壓緊實(shí)后，將預(yù)成型的型坯放置到硫化成型模具中[12-13]。為保證在擠壓過程中增強(qiáng)板不變形、混煉膠分布均勻，鋪設(shè)定型模具需設(shè)置穩(wěn)定的豎向?qū)虿⑴鋫淇烧{(diào)節(jié)尺寸的擠壓增強(qiáng)板用壓頭。

為保證半球形彈性支座的使用性能，增強(qiáng)板間不能采用額外的固定和連接。硫化初期，增強(qiáng)板在橡膠中處于“懸浮”狀態(tài)，為保證增強(qiáng)板的相對(duì)位置，預(yù)制的型坯的溢膠量不能過大?？稍诹蚧＞呱显O(shè)置進(jìn)膠口，通過注膠機(jī)向模具內(nèi)注入膠料，保證模具內(nèi)膠料密實(shí)。

3.5 硫化成型

半球形彈性支座是由橡膠層和增強(qiáng)板交替堆疊而復(fù)合制成大尺寸、厚壁型橡膠制品。因橡膠的導(dǎo)熱性不良，厚壁型橡膠制品在硫化過程中難以保證內(nèi)外橡膠層達(dá)到相同的硫化程度[14-15]。除了通過配方調(diào)整延長(zhǎng)膠料的硫化平坦期外，還可對(duì)傳統(tǒng)的平板硫化機(jī)進(jìn)行改造，在上下加熱的基礎(chǔ)上增加周圈加熱、保溫裝置，縮短硫化時(shí)間。

3種典型的平板硫化機(jī)硫化方案為：方案1（無保溫、無周圈加熱）、方案2（有保溫、無周圈加熱）、方案3（有保溫、有周圈加熱），這3種方案的硫化工藝參數(shù)對(duì)比見表3。

表3 不同方案硫化工藝參數(shù)對(duì)比Tab.3 Comparison of vulcanization process parameters of different schemes

由表3可知，在硫化程度相同的情況下，方案3的硫化時(shí)間最短，優(yōu)勢(shì)明顯。

4 結(jié)語

半球形彈性支座作為鋼懸鏈線立管柔性接頭中的關(guān)鍵部件，是柔性接頭設(shè)計(jì)和制造的最大難點(diǎn)。隨著全球首座10萬t級(jí)深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的順利投產(chǎn)，我國對(duì)鋼懸鏈線立管的需求日益增加，半球形彈性支座的研制有助于我國鋼懸鏈線立管的國產(chǎn)化。