深水铺管张紧器橡胶材料静摩擦行为研究

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(中国石油大学(北京) 机械与储运工程学院，北京 102249)

深水铺管张紧器橡胶材料静摩擦行为研究

周永杰，王德国，郭岩宝，谭海

(中国石油大学(北京) 机械与储运工程学院，北京 102249)

张紧器是深水油气管线铺设的核心装备之一，能够保证管线铺设过程中管道以平稳的速度及适中的张紧力水平下放入水中。张紧器上橡胶垫块与管道外壁受压接触，所产生的静摩擦力对维持管线受力平衡起到至关重要的作用。利用自制的试验装置，测试了不同试验载荷条件下橡胶材料与管道试样间的最大静摩擦力，并对接触区变形进行分析。试验结果表明，最大静摩擦力水平随法向载荷增大而上升，静摩擦因数则逐渐下降；在同一法向载荷条件下，最大静摩擦力随切向载荷增长率的增加而波动；接触系统静摩擦因数的波动受接触面间的粘性接触力水平与橡胶材料本身粘弹特性共同影响，而粘性接触力水平的作用占据首要位置。因此，在铺管过程中，应重点关注静摩擦因数随管道夹持力变化的规律，同时应选择合理的铺设速度，使静摩擦因数处于较小的波动范围内，防止发生脱管事故。

深水铺管；张紧器；橡胶；静摩擦；摩擦学

张紧器是深海铺管中的核心装备，能够有效地保持油气管道平稳铺设。目前，国内外对深海铺管用张紧器的应用日臻成熟，最大铺管吨位及深度均创新高，为深海石油开发奠定坚实基础[1-3]。张紧器上的橡胶垫块与管道外壁接触，依靠静摩擦力平衡管道自重，使管道随张紧器履带运动，从而实现速度可控的平稳铺设流程[4]。然而，在管道铺设的初始阶段，管道以设定好的速度降入水中，此时橡胶-管道接触系统所承受的管道自重与铺设速度呈正比增长。当设定的铺设速度不同时，以相同的静摩擦因数为基础控制橡胶垫块与管道间的夹持载荷并不精确，很有可能导致橡胶-管道接触系统无法提供足够的静摩擦力来维持不断增长的管道自重，进而发生脱管事故，造成损失。因此，需对橡胶-管道进行摩擦学优化研究，以适应不同铺设速度的设计要求。

本文利用自制的试验装置，对橡胶与硬质管道间的静接触摩擦行为进行试验研究，揭示不同法向载荷、不同切向载荷增长率对橡胶-管道接触摩擦行为的影响，为张紧器摩擦学优化设计提供试验数据。

1 试验

1.1 试验样品及试验装置

本次试验采用管-块摩擦副，管为硬质管道试样，块为橡胶垫块试样，用以模拟铺管过程中的橡胶-管道接触。橡胶试样和管道试样如图1，其力学性能如表1所示。橡胶A和橡胶B交联密度不同，导致2种橡胶材料的弹性模量不同，使得2种材料的粘弹特性存在差异[5]。

图1 橡胶试样及管道试样

试样弹性模量/MPa拉伸强度/MPa硬度表面粗糙度Ra橡胶试样A2.2613.2037HA3.1橡胶试样B3.7012.7951HA3.2管道试样钢制2.1×10580HRC1.7管道试样PMMA3.0×10399HRC1.6

静摩擦试验装置如图2所示。整个试验装置包含法向载荷和切向载荷加载系统。橡胶试样固定在法向载荷加载系统下端；管道试样固定在直线滑块上，可沿y轴方向直线运动。

图2 静摩擦试验装置示意

1.2 试验步骤

首先施加法向载荷，待接触区稳定后，切向载荷以不同的增长率作用在管道试样上，橡胶-管道接触区开始随切向载荷的增大而变化。当切向载荷增大到临界值时，管道试样与橡胶试样间发生宏观滑动，将发生宏观滑动时的切向载荷定为接触系统的最大静摩擦力。试验参数如表3所示。

表2 试验参数

为直观地观测接触区的变形情况，采用橡胶与透明的有机玻璃管(PMMA)作为接触副，将可移动摄像装置垂直对准接触区，进行拍摄记录。试验在室温(25 ℃)下进行，试验环境的相对湿度保持在40%左右。

2 试验结果及分析

2.1 最大静摩擦力

不同橡胶与不同管道试样的静摩擦试验数据如图3所示。从图3a中可见，橡胶A与管道间的最大静摩擦力随法向载荷的增加而增加，而橡胶A与钢制管道间的最大静摩擦力随切向载荷增长率增长呈现先增加后下降的趋势；橡胶A与PMMA管之间的最大静摩擦力则随切向载荷增长率增长而增加。从图3b中可以看出，橡胶B的最大静摩擦力的变化趋势与橡胶A相一致，但最大静摩擦力水平明显低于橡胶A。这主要是由于橡胶试样不同的弹性模量所引起的，弹性模量越低，接触区面积越大，从而导致最大静摩擦力水平提高[6]。对于最大静摩擦力随切向载荷增长率的变化趋势，将结合接触区随切向载荷的变化情况在后面章节中讨论。

a 橡胶A

b 橡胶B

2.2 接触区变化

橡胶A与PMMA管间接触区在低切向载荷增长率(0.062 N/s)下的变化如图4所示。图4中黑色竖线为橡胶表面的标线，通过比较不同标线的弯曲程度，能够直观地反映出接触区内不同位置的变形程度。图4a为切向载荷未加载时的接触区；当切向载荷开始加载时，图4b中接触区前后端均向中心收缩，黑色标线发生微小弯曲，说明接触区随切向载荷方向产生了微小变形；当切向载荷持续增加时，从图4c可以看出，接触区前端收缩明显，同时接触区后端却超过了初始阶段的接触区范围，说明在接触区后端发生了重新接触，这主要是由于橡胶块的整体弹性变形导致接触区前端翘起，后端压低，此外，接触区后端的标线弯曲程度要明显大于前端，说明此时接触区后端的切向应力要大于前端，这一结论与以前的研究结果相吻合[7]；在图4d中，当切向载荷增大到接触区承受极限时，橡胶与管道间的接触面发生宏观滑动。

图4 橡胶A与PMMA管接触区在低切向载荷增长率(0.062 N/s)下的变化情况

橡胶A与PMMA管间接触区在高切向载荷增长率(1.5 N/s)下的变化如图5。其变形规律与低切向载荷增长率下的变形规律类似，但也存在一处明显的不同。结合图6接触截面示意，可以看出，在图5b中，当切向载荷施加时，橡胶接触面在接触区前端发生褶皱，与管道外壁产生空穴，并从接触区前端向中心移动(①处)。同时，另一条褶皱在接触区前端②处产生。在图5c中，向接触区中心移动的空穴在③处附近减缓了移动的速度，并逐渐驻停，而在接触区前端④处产生的新褶皱逐渐消失，这说明空穴向接触区中心释放的应力不足以使接触区后端接触面分离，而在接触区前端，接触面在切向载荷的作用下重新接触，褶皱被挤出接触区。在图5d中，当切向载荷增大到极限范围时，接触区后端接触面在切向载荷和空穴的共同作用下发生分离，产生宏观滑动。图4～5中的接触区变形规律与其他研究中的结论相吻合，说明切向载荷增长率对接触区的变形有重要影响[8-10]。

图5 橡胶A与PMMA管接触区在高切向载荷增长率(1.5 N/s)下的变化情况

图6 橡胶A与PMMA管接触区在高切向载荷增长率(1.5 N/s)下的截面示意

2.3 静摩擦因数

从图4和图5对比中可以看出，引起最大静摩擦力波动的主要因素是不同切向载荷增长率下接触区内褶皱及空穴的存在。根据其他橡胶接触摩擦研究结论可知，接触区内的褶皱和空穴移动是由于橡胶表面的变形程度与切向载荷的增长不匹配导致的，当橡胶表面变形跟不上管道运动趋势时，橡胶表面在粘性力的作用下发生细小褶皱，但并未与管道表面发生分离，同时，在褶皱前方的橡胶与管道接触，从而在接触区内形成空穴。需要注意的是，空穴在向接触区中心移动的过程中，并未发生接触面间的相对滑动，而是褶皱在橡胶表面的黏弹性传播[11]。这种橡胶表面的动态变化能够有效地释放能量，降低接触区后端切向应力水平，使接触面不会过早发生分离进而发生宏观滑动。在较低的切向载荷增长率下，橡胶表面的变形与管道运动趋势基本吻合，所以未发生明显的褶皱和空穴移动，因此接触面发生分离的极限切向载荷较小，导致其最大静摩擦力小于较高切向载荷增长率下的最大静摩擦力。

不同载荷条件下的静摩擦因数对比如图7所示。从图7a中可以看出，随着法向载荷增加，静摩擦因数降低；同时，在同一法向载荷下，不同切向载荷增长率下的静摩擦因数波动范围不同。对于较软的橡胶A试样，在法向载荷10 N时波动最小，而20 N和30 N波动较大。这说明在较小的法向载荷下，接触区内的褶皱及空穴移动现象并不能很大程度地影响到接触面分离过程；当法向载荷增大时，接触面间的粘性接触力增大，能够有效地允许褶皱及空穴移动现象发生，因此静摩擦因数波动较大。对于较硬的橡胶B试样，法向载荷较小时，橡胶表面法向应力较小，容易产生褶皱及空穴移动现象，而法向载荷增大后，由于弹性模量较大，反而不容易产生褶皱及空穴移动现象，因此橡胶B试样的静摩擦因数波动与橡胶A试样相反。在图7b中，2种橡胶试样的静摩擦因数均大于橡胶-钢接触系统的静摩擦因数水平，这是由于橡胶与PMMA间的粘性接触力水平大于橡胶与钢之间的接触力水平，导致静摩擦因数整体升高。2种橡胶材料的静摩擦因数波动规律基本一致，在法向载荷增大时，静摩擦因数波动范围趋于稳定，说明相对于橡胶材料本身黏弹特性，接触面间的粘性接触力对静摩擦因数的影响更加明显。综上所述，橡胶材料静摩擦因数的波动受接触系统粘性接触力水平及橡胶材料本身黏弹特性共同影响，而粘性接触力的影响居于首位。

a 橡胶-钢

b 橡胶-PMMA

3 结论

1) 在相同法向载荷作用下，橡胶材料最大静摩擦力受切向载荷增长率影响明显。在较高的切向载荷增长率下，接触区内褶皱及空穴移动现象显著，有效地释放了橡胶表面能量，从而降低了接触区内切向应力水平，导致最大静摩擦力升高。

2) 橡胶材料静摩擦因数随法向载荷增加而降低，同时静摩擦因数波动范围受接触面粘性接触力水平及橡胶材料自身黏弹特性共同作用，而接触系统粘性接触力水平起主要作用。

3) 在张紧器的橡胶-管道接触摩擦系统中，应考虑摩擦因数随法向载荷变化的规律，不能简单地以相同的静摩擦因数来规划铺管过程；在设定铺管速度时，应综合考虑法向载荷与铺管速度对接触系统静摩擦因数的影响，选择合理的静摩擦因数波动区间，保证铺管作业的平稳运行。

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StaticFrictionBehaviorsofTensionerRubberDuringPipeLayingOperation

ZHOU Yongjie，WANG Deguo，GUO Yanbao，TAN Hai

(CollegeofMechanicalandTransportationEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249，China)

Tensioner is one of key instruments for deep water pipe laying operation，which keeps pipeline into sea water with stable velocity and suitable tension during the whole operation.The static friction is generated from the contact between rubber blocks which are fixed on the tensioner and the out wall of pipe，to maintain the increasing deadweight of the pipeline.In this study，a series of experimental investigations are carried out with self-built friction testing rig to reveal the static friction behaviors of rubber-pipe contact which is under different loading conditions.The results indicate that the maximum static friction of contact increases with normal load，whereas the coefficient of static friction decreases. The coefficient of static friction fluctuates with different increasing rate of tangential load. The fluctuation of coefficient of static friction is influenced by adhesion force of the contact system and the viscoelastic property of rubber material，and the adhesion factor contributes more remarkable.Therefore，it is important to take the accurate tendency of coefficient of static friction into consideration during pipe laying operation，and select suitable velocity of pipeline to avoid the range of drastic fluctuation of the coefficient of static friction.

pipe laying；tensioner；rubber；static friction；tribology

1001-3482(2017)06-0046-05

2017-05-19

国家自然科学基金(51675534，51375495)；中国石油大学(北京)科研基金( 2462017BJB06，C201602)；摩擦学国家重点实验室开放基金(SKLTKF14A08)

周永杰(1988-)，男，河北涿州人，博士研究生，主要从事海上石油装备摩擦学优化设计研究，E-mail：zhou77047789@163.com。

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.06.010