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)。
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。
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
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。
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。
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
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。