水下夹桩器夹持性能分析及实验研究

姜沛然，房晓明

(1.哈尔滨工程大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001;2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

水下夹桩器是一种广泛应用于较深海石油开采平台安装的液压夹具.在海洋石油平台施工中，国外广泛采用的安装方法是使用钢桩将其固定于海底，经过调平器调平后用夹桩器初步联接导管桩和导管架，待灌浆过程结束［1-2］.导管架重上万吨，体积庞大，因此对夹桩器的力学性能有特殊要求.要求夹桩器能够承受导管架的重力，同时能够保证夹持时间以待灌浆结束［3-7］.

1 夹桩器的工作原理

夹桩器焊接于导管架裙裾上，如图1所示.图2为水下夹桩器结构示意图.夹桩器的工作原理为:工作时，在周向均布的液压缸作用下，与活塞杆联接的压块受夹紧力垂直作用于导管桩表面，由于压块材料硬度远大于导管桩表面的屈服极限，导管桩表面产生塑性变形，压块齿部嵌入导管桩表面一定深度，利用压块齿部的抗剪切力承受导管架的重量进行夹持，所需要的夹紧力将大大降低.图3为压块及液压缸结构图.

夹紧力的大小将决定压块齿部嵌入深度进而影响压块齿部可承受的剪切力大小，同时夹紧力过大将破坏导管桩的整体性能，使其失稳，因此根据需要确定合理的压块齿部参数及液压缸夹紧力是保证夹桩器夹持性能的关键.

图1 水下夹桩器安装示意Fig.1 The installation of underwater skirt pile gripper

图2 水下夹桩器结构示意Fig.2 The structure of underwater skirt pile gripper

图3 压块及液压缸结构Fig.3 Pressing block and hydraulic cylinder

2 压块材料

水下夹桩器压块用合金钢是根据海洋石油平台需要而研制的超高强度钢，为降低硬度，改善切削加工性能，铸造后的工件必须进行退火［8-9］，但传统工艺复杂，成本高.本文的压块用合金钢加工工艺简单、生产便捷、软化时间短、效率高，且钢的切削性能优良，可以满足使用要求.

钢的化学成分主要由 C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、P、S、Fe，最佳配比见表1所示.

表1 压块用钢的化学成分Table 1 Chemical composition of steel used by pressing block in skirt pile gripper %

图4为钢的铸态组织.测定6个点的硬度，舍去偏差较大的数值，并对其他数据取其平均值求得最终的洛氏硬度值为52.为降低压块硬度，改善切削加工性能，铸造后的工件进行退火处理.将浇注后的夹桩器压块样件在650℃保温24 h后随炉冷却，达到软化目的，满足加工要求，而且控制起来比较简单，如图5.经测试最终夹桩器压块用钢的抗拉强度达1 320 MPa，屈服强度可达600 MPa，压块的硬度达HRC62以上.

图4 钢的铸态组织Fig.4 The casting microstructure of steel

图5 热处理硬化后的组织Fig.5 The heat treatment and hardening microstructure of steel

3 压块及导管桩力学性能分析

3.1 压块齿部力学分析

在夹紧过程中，受液压缸作用压块齿部压入导管桩表面，由于导管桩壁厚远大于压块齿高，故可认为导管桩为半空间物体，同时当塑性变形远大于与弹性变形，可将弹性变形忽略不计，因此导管桩按理想刚塑性材料处理.压块硬度远大于导管桩硬度，则压块齿部可按刚性硬压头处理.利用LS-DYNA模块建立接触有限元模型，齿为刚体，桩为双线性随动模型，单元采用三维显示的结构实体单元.施加载荷进行动力学分析，嵌入应力分布如图6所示.

图6 齿与桩接触模型Fig.6 The contact mechanical model of pressing block tooth and steel pile

桩与齿顶接触点的Y轴位移曲线如图7，应力曲线如图8.由图7、8可知，随着载荷增加，导管桩从弹性变形进入塑性变形阶段，在进入塑性变形阶段后的一段范围内变化近似呈线性分布，由于压块齿的尖部小于2 mm范围内近似为楔形体，由此可知在此范围内导管桩变形近似呈线性分布.

图7 齿位移曲线Fig.7 The curve of tooth displacement

图8 桩接触单元屈服曲线Fig.8 The yield curve of the contacted node on pile

法向载荷与齿嵌入深度关系曲线如图9所示.压块齿部利用短悬臂梁力学模型进行分析，当载荷作用于悬臂梁端部时，根部截面的最大应力为

式中:W为载荷，N;t为梁的厚度，m;e为梁根部至梁轴的垂直距离，m;f为梁根部圆角半径，m;α为梁根部至当量载荷的垂直距离，m;β为当量载荷与梁轴的夹角;b为梁根部至当量载荷作用点的直线距离，m.

图9 法向载荷与齿嵌入深度关系曲线Fig.9 The curve of pressing force and insert depth

3.2 导管桩力学分析

弹性力学中所谓“壳体”是指由2个曲面所包住的物体，其曲面间的距离较物体之其他尺寸为小.距两曲面等距的点的轨迹为壳体的中面.在中面上任意一点作垂线.垂线被曲面所截割的一段长度被定义为壳的“厚度”，以δ表示.一般，厚度可以是变量，但实际中最常遇到的是等厚度壳体.壳体理论的任务就是研究壳体在已知载荷作用之下的变形.假定壳体的材料是各向同性的，并且服从胡克定律，而其中各点的位移较其厚度小很多.薄的壳体是指δ/R≪1的壳体(其中R为中面曲率半径).通常按工程计算所容许的相对误差5%将max(δ/R)≤1/20的壳体称为薄壳，而将不满足上述不等式的壳体看作厚壳［10-12］.

壳体具有优越的弹性性质，如果设计得合理可以以最小的厚度承担起相当大的载荷.壳体的这种性质使它被用来制造海洋石油平台用导管桩.导管桩壁厚δ=50 mm;中面半径1 041.8 mm，满足薄壳结构条件.导管桩受力如图10所示.

由以上分析可得，夹桩器承重与所需最小夹紧力之间的关系(见图 11).夹紧力需满足Pmin≤P≤Pmax，由此可见，同等夹桩嚣承重条件下，嵌入式夹持方式所需夹坚紧力远小于摩擦力夹持方式，可有效保护导管桩不能破坏.

图10 导管桩径向受力示意Fig.10 The pressing force on pile

图11 夹桩器承重与所需最小夹紧力关系Fig.11 The curve of skirt pile gripper bearing capacity and necessary pressing force

4 实验

4.1 实验环境

夹桩器实验样机实际工况要求:夹持性能1 500T，桩径2 134mm(84寸).

实验方案:实验设备包括84寸钢桩、夹桩器、备圈、喇叭口及液压千斤顶.84寸钢桩焊接在钢板上并固定于操作平台上;备圈焊接于夹桩器框圈下端，备圈厚度60 mm小于夹桩器框圈厚度80 mm，但外径尺寸与夹桩器框圈外径尺寸一致，焊接后外圈平齐;喇叭口结构焊接在备圈下部，其内侧布置有加强结构，喇叭口下端均布8个液压千斤顶，如图12所示.

实验过程:夹桩器每个夹爪用50 MPa压力压紧钢桩，再由液压千斤顶推动受力块，液压千斤顶作用于均布四周的喇叭口上，千斤顶的总施力为1 500 T，通过备圈将力作用于夹桩器，可以使夹桩器获得较好的受力状态，从而测定夹桩器工作能力，实验现场如图13.

图12 实验总装示意Fig.12 Assembling drawing of experiment

图13 实验现场Fig.13 The scene of experiment

4.2 实验结果

经过12 h，1 500 T夹持力实验保持后，将夹桩器与导管桩分离，观察导管桩和卡爪，如图14所示.

从实验结果观察，经过12 h，1 500 T夹持力实验后，夹桩器没有松脱，导管桩表面留下压块压痕，且没有发生任何滑移现象，证明夹桩器完全满足使用要求.

图14 实验结果Fig.14 The result of experiment

5 结论

根据海洋石油平台安装的实际需要提出嵌入式夹桩器，对夹桩器的夹持性能进行分析，设计研制了试验样机，进行了实际工况条件下的实验，结果表明:

1)导管桩表面压痕平均深度与实验前计算结果符合;压痕宽度比计算结果略宽，主要原因为导管桩材料较软，经过12 h夹持试验后，产生疲劳变形，但变形结果不影响实际使用性能.

2)由于实际导管桩外壁圆度存在误差，因此个别压块齿部嵌入深度不够，无法满足抗剪要求，出现断裂现象;断裂现象出现的位置，与齿部下端结构有关，可以通过优化改进压块齿部下端结构，进一步提升夹桩器的夹持性能.

3)利用显示动力分析得出的夹紧力与夹持性能的关系，与实验结果吻合，为进一步研究嵌入式夹持方式提供了依据.

4)夹桩器需要在水下环境中使用，由于水下环境更为复杂，因此夹桩器的稳定性和抗干扰性将是后续工作的一个重要研究方向.

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