新型导管架吸能器疲劳性能试验研究

李怀亮，李新超，付雪军

1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

2.滨德（天津）能源科技有限公司，天津 300392

海洋导管架平台是海上油气生产的重要设施。船舶停靠导管架平台时，会对平台造成一定的冲击[1]。为了吸收船舶对导管架平台的冲击能量，通常在导管架平台立柱上设置靠船件[2]。靠船件一般分为橡胶护弦型和Shockcell 型[3]。Shockcell型靠船件的核心结构是吸能器[4]。吸能器用于吸收船只与平台之间的碰撞能量，使船只平稳停靠在平台侧面，保护船只和导管架平台的安全。现有的吸能器一般为圆台状橡胶体，一端连接平台立柱，另一端接触船只[5]。这种吸能器构造简单、安装维护方便，但存在橡胶体整体刚性差、吸能效果差、易于损坏、使用寿命短等缺点。

1 新型吸能器概况

为了提高吸能器的吸能性能，针对吸能橡胶和整体结构进行了改进，研发了YTA系列吸能器。该系列吸能器由同轴设置的刚性外筒、刚性内筒以及位于二者之间的环形橡胶体组成。刚性外筒的后端通过法兰盘固定在导管架立柱上；环形橡胶体分别与刚性外筒的内壁和刚性内筒的外壁固定连接，刚性内筒的后端与法兰盘前端面之间具有一定的间隔，如图1所示。这种吸能器具有更高的刚度，非靠泊工况下吸能器前端位置能够更加靠前，可在导管架平台侧面任意位置安装，对船舶靠泊适应性更强。

图1 导管架吸能器

导管架吸能器在外荷载的不断作用下，其疲劳性能是业界关注的首要问题。疲劳性能试验可以检验构件材料在循环荷载作用下的疲劳损伤破坏程度[6]，循环加载可以确定结构在外力作用下的疲劳寿命、裂纹发展规律[7-8]，轴向压缩可以确定结构的变形模式和吸能特性[9-10]。本文通过疲劳试验研究了YTA 型吸能器疲劳性能，验证了在垂直荷载和侧向荷载作用下吸能器的吸能效果。试验表明，YTA 型吸能器具有良好的抗冲击吸能效果，能够满足海洋导管架平台靠船工况要求。

2 试验设备及试件

试验采用2000T 护舷压力试验机，如图2 所示。该试验机具有压力数字显示功能，主要用于护舷例行检查和用户抽样试验。试验对象高度可达到3 m，试验机压力精度达到±1%，压缩变形量精度达到±0.5 mm，符合ISO 7500-1:2018 标准要求。液压缸推动加压速度为20～80 mm/min。

图2 2000T护舷压力试验机

选取6 种不同规格的吸能器进行疲劳性能试验，具体结构如图3所示，关键尺寸列于表1中。

表1 试样关键尺寸

图3 吸能器结构

吸能器试件使用的钢材质：板材满足AH36、DH36、EH36、DH36-Z35 或EH36-Z35 级别，钢管满足API5L X52 或S360 级别。钢管的外观为普通的压延面；钢管表面的锈蚀程度不超过ISO 8501-1:1988 规定的A 级，即钢材表面大部分被较硬的氧化皮覆盖，几乎没有铁锈。

钢管端面采用机加工方式处理，加工（切削、打孔、攻丝等）过程中不使用切削油，可使用事先认证过的水溶性机械油（使用后必须用抹布将其擦掉）。另外，钢管表面有污垢时，必须擦干净。钢材切断及加工时产生的毛刺、焊接时产生的明显焊痘和飞溅必须除去。混炼胶物理性能应满足表2所示要求。

表2 混炼胶物理性能

3 疲劳性能试验

3.1 吸能器0°压缩力学性能测试

1）将吸能器按使用时的压缩方向固定在试验机平台上，如图4所示。

图4 吸能器0°压缩测试

2）测量吸能器的高度。

3）开动试验机，按20～80 mm/min 的加压速度压缩吸能器至最大变形量，如图5所示，并记录对应的反力值。

图5 吸能器0°压缩测试前后变化

4）按第三步规定再重复压缩两次，每次间隔5 min。

5）放置1 h 以上，按第三步规定进行第4 次压缩，取第4次数据进行判定，绘制出变形量与反力及吸收能量的曲线。

吸收能量是以反力变形曲线为基础进行计算，反力为f(x)，变形为x，则吸收能量为：

式中：E为吸能器吸收的能量，kJ；f(x)为吸能器反力，kN；x为吸能器的变形，mm。

3.2 吸能器α°扭转力学性能测试

1）将吸能器水平固定在试验机的横梁上，如图6所示。

图6 吸能器α°扭转测试

2）测量吸能器液压缸推动位置的高度。

3）开动试验机，按20～80 mm/min 的速度由液压缸推动吸能器至规定角度α°变形指定位置，并记录对应的反力值。

4）根据测定的反力值、力臂及位移值，计算出力矩及吸收能量值。

4 试验结果讨论

选取6 种不同型号的新型吸能器进行了吸能效果试验，试验结果如表3 所示。试验结果可以接受。

表3 6种型号吸能器压缩试验结果

以型号为YTA9146 的吸能器为例，根据试验要求，开动试验机首次压缩时，将吸能器压至最大变形量后再重复压缩2 次，放置1 h 后再进行第4 次压缩，取第4 次压缩数据进行判定。其压缩测试结果如表4 所示，其压缩反力曲线如图7所示。

表4 YTA9146型吸能器压缩测试结果

图7 YTA9146型吸能器压缩吸能曲线

针对YTA9146 型吸能器进行了侧向压缩试验，压缩过程中吸能器刚性内筒在0°～23.2°范围内发生偏转变形，最大反力为835.9 kN，最大吸收能量达到135.1 kJ，剪切压缩试验结果如表5 所示，压缩曲线如图8所示。

表5 YTA9146型吸能器侧向压缩试验结果

图8 YTA9146型吸能器侧向压缩试验曲线

5 结论

针对导管架平台的靠船技术需求，开发了新型导管架专用靠船件吸能器。通过试验，分别研究了6 种不同型号靠船吸能器的吸能效果，得到了轴向压缩和侧向压缩两种工况下的试验曲线，其主要结论如下。

1）在轴向压缩过程中，吸能器刚性内筒沿轴向运动，产生压缩变形。当产生工程所需压缩量时，6 种不同型号的吸能器产生的反力和吸收的能量均符合设计要求。

2）在侧向荷载碰撞试验过程中，吸能器刚性内筒在轴线0°到15°范围内发生偏转，产生偏转变形。最大反力为835.9 kN，最大吸收能量达到135.1 kJ，均符合设计要求。

3）通过对6 组不同型号的新型吸能器进行压缩试验，验证了吸能效果。

目前这几种吸能器已经成功应用于海上导管架油气平台，经历了大小船舶的靠船检验，在性能上满足工程要求。