全尺寸試驗機移動夾頭及鎖緊裝置的研制

李澤邦 ，曾宇陽 ，劉程程 ，劉太元

1.青島海洋工程水下設備檢測有限公司，山東青島 266101

2.海洋水下設備試驗與檢測技術國家工程實驗室，山東青島 266101

隨著我國對海洋油氣資源開發力度的加大，油氣管道在石油天然氣開采運營過程中發揮著重要的作用。疲勞損傷是油氣管道失效的主要原因之一，油氣管道由于受到交變應力的作用，從而導致管道內外缺陷發生擴展，最終使管道產生疲勞斷裂[1-5]。

目前在重要的海工工程中，一些發達國家采用全尺寸油氣管道疲勞試驗數據對其進行疲勞壽命評估和安全性校核。同時，隨著管道修復技術的日益發展，為了驗證修復后管道的整體性能，需對其進行全尺寸試驗[6-11]。為此，在充分考慮油氣管道服役的情況及國內外技術最新發展的基礎上，國家海洋設備質量檢驗中心研發了一臺管道全尺寸軸向疲勞試驗機，如圖1所示。為解決該試驗機夾具移動和過零試驗問題，對設備能力進行升級，設計了一種移動夾頭和鎖緊裝置，經試驗驗證，此套裝置運行良好，能夠滿足試驗需求。

圖1 改造前的全尺寸軸向疲勞試驗機

1 移動夾頭

移動夾頭主要由穿銷裝置、銷軸、移動橫梁、移動橫梁支撐輪及導向輪組件、液壓控制模塊及液壓管路等組成，見圖2。移動橫梁通過支撐輪組件坐落在承載梁上，液壓控制模塊的電磁換向閥控制液壓馬達的旋轉方向，液壓馬達驅動支撐輪，帶動橫梁的移動。導向輪主要起導向作用，保證移動橫梁沿著試驗機軸向移動，避免發生偏轉。承載梁與移動橫梁之間通過銷軸固定，而移動夾頭將根據試件長度的不同而發生位置變化，故銷軸需要經常拔出和插入。為使操作更為便捷，所以配備了一套穿銷裝置，穿銷裝置的液壓馬達由電磁換向閥控制旋轉方向，液壓馬達驅動絲杠，絲杠機構帶動銷軸插入和拔出[12]。

圖2 移動夾頭示意

2 鎖緊機構設計及應用

移動夾頭與承載梁通過銷軸連接，為方便銷軸穿過，銷軸直徑一般小于銷孔，因此銷孔與銷軸之間存在間隙。為了可以做過零試驗，需要消除該間隙。

2.1 鎖緊機構設計

為適應調整試驗間隙，承載梁上加工了一排銷孔，再加工一套鎖緊機構，利用這些銷孔和鎖緊機構即可固定移動夾頭。鎖緊機構主要由鎖緊油缸、固定塊、擠壓塊、頂塊、拆卸活塞和其他輔助工裝組成。通過銷孔分別在承載梁上下兩端安裝頂塊，固定塊與承載梁利用銷孔連接，擠壓塊安裝在移動橫梁和頂塊中間，擠壓塊與頂塊和固定塊之間接觸面為具有一定角度的斜面，上、下擠壓塊擠壓方向相反，中間穿過一個鎖緊缸，鎖緊缸活塞通過往復運動帶動擠壓塊擠壓頂塊和移動橫梁，從而達到鎖緊的目的，如圖3所示。

為了消除主機承載柱尾端的連接間隙，擴充鎖緊機構，在主機承載柱尾端焊接一個足夠高強度和足夠厚度的承載板，再通過11個M56的螺桿向前頂支座，使銷軸的一半圓弧面貼合足夠面積的銷孔圓弧面。螺栓強度取12.9級，螺桿采用液壓扭矩扳手擰緊，在保證有足夠預緊力的同時，每個螺桿的預緊力也均相同。

圖3 鎖緊機構示意

圖4 鎖緊裝置的頂塊機構

2.2 高強度螺桿強度校核

單個螺桿載荷：

式中：F為單個螺栓載荷；FQ為螺栓最大載荷，20 000 kN；Z為螺桿總數，36個。

剩余預緊力（F無變化時）：

預緊力：

式中：C1、C2為常數，C1取0.3，C2取0.7。

相對剛度系數：

螺桿總拉力：

螺桿危險截面面積：

螺桿應力：

式中：σB為螺桿抗拉強度；σS為螺桿屈服強度。

螺桿許用應力：

螺桿等級12.9級：

式中：SS為安全系數，取2.0。

由于σa≤ [σ]，由此可知M48螺栓的理論強度足夠。

2.3 螺桿材料疲勞壽命分析

螺桿材料采用50CrVa，其彈性模量為2.06×105MPa。根據50CrVa材料的疲勞極限值，對于簡化的S-N曲線可以采用冪函數繪制：

式中：σ-1為對稱循環載荷的彎曲疲勞強度應力幅；

α、C為材料常數；N為應力循環次數。兩端取對數：

另有：

則有：

由此可見，冪函數的S-N經驗公式在雙對數坐標圖上為一直線。對于材料常數a、b，通過查手冊，取在存活率P=50%時中值S-N曲線上的值，得到aP=19.6、bP=-5.48，將其代入冪函數公式，則有：

依據上述方程，在有限元軟件中繪制擬合S-N曲線，得到如圖5所示的曲線。

圖5 S-N曲線圖

2.4 靜力分析計算

為了驗證所設計鎖緊機構的強度，采用有限元分析軟件ANSYS對鎖緊機構進行結構靜力分析。在不影響計算結果的前提下，為提高運算速度，對模型進行了簡化，采用有限元分析軟件劃分網格后的模型如圖6所示。

圖6 鎖緊機構的網格劃分

施加邊界條件和載荷，如圖7所示，設置箱梁兩端固定，B側上下單邊擠壓塊總共施加10 000 kN水平推力，鎖緊缸活塞施加1 400 kN推力，向對應缸蓋施加等值反力。

經過加載、求解和后處理步驟后得到分析結果，如圖8～11所示。從圖8和圖9中可以看出，因形狀的非對稱性，上擠壓塊會發生沿X軸的偏轉，邊緣處偏轉約±2 mm，擠壓塊中心Y向基本無位移，下擠壓塊幾乎不發生位移。圖10中各擠壓塊幾乎無位置變化，可判斷試驗最大載荷時，壓塊Y向負載與鎖緊油缸加載力達到平衡，此時圖11中壓塊應力整體不大于300 MPa，一處倒角尖端局部應力達到668 MPa，對整體基本無影響。

圖7 施加邊界條件的鎖緊機構模型

圖8 模型Y向位移云圖/mm

圖9 模型Y向位移云圖 （仰視）/mm

圖10 模型X向 （水平）位移云圖/mm

2.5 安裝方法

首先將移動橫梁移動到試驗位置，利用起吊裝置安裝頂塊，上、下頂塊中間穿過螺桿背緊螺母使頂塊夾緊承載柱；安裝固定塊，固定塊銷軸臺肩插入承載柱銷孔，在中間穿過螺桿背緊螺母使頂塊夾緊承載柱；安裝上擠壓塊，按下擠壓塊，起吊裝置輔助支撐；安裝鎖緊缸，活塞穿過兩個擠壓塊，下端背緊螺母；連接液壓軟管，控制鎖緊缸活塞向后移動，此時上、下兩個擠壓塊向承載柱移動，擠壓兩端頂塊和固定塊，因固定塊處于固定狀態，所以頂塊會頂著移動橫梁向后移動，在稍微移動橫梁銷軸使之貼合、擠住承載梁之后，鎖緊缸保持當前壓力，即可實現移動橫梁消除間隙的目的。

圖11 模型整體應力云圖/MPa

2.6 拆卸方法

試驗結束后，需要拆卸鎖緊工裝，首先控制鎖緊缸活塞向前移動，使之脫離縮進狀態；電磁閥控制液壓油進入拆卸活塞后端，活塞頂住承載柱，使擠壓塊擠出試驗空間；拆卸各個背緊螺母，并回收各個固定塊、頂塊和擠壓塊。

3 升級改造后的設備

近幾年，高鋼級管道由于環焊縫開裂而引起的事故時有發生，因此對焊縫缺陷的修復及焊縫質量的控制受到人們的高度關注。目前無論對采用B型套筒進行修復還是采用非焊接技術進行修復的焊縫，都需要進行一系列的驗證試驗。相對而言，對管道進行疲勞測試分析一般使用小尺寸試件，其忽略了尺寸效應，導致試驗結果出現偏離，因此，在實際應用過程中，需根據情況對試驗結果進行適當調整與修正。近年來模擬海洋管道服役載荷條件下的全尺寸疲勞試驗技術發展很快，在國外，全尺寸疲勞試驗已經成為API（美國石油協會）的推薦做法，并得到全球各大海工裝備企業的高度重視。

采用本文所研究的移動夾頭及鎖緊裝置，可以方便地進行全尺寸管道試樣的安裝和鎖緊，并可應用疲勞試驗機進行拉壓疲勞測試，符合實際工況，如圖12所示。例如某公司需要對某型號的管道進行全尺寸疲勞測試，以研究管道焊縫裂紋在載荷下的擴展情況，該試驗采用正弦波，力值為8 000 kN，該測試力值達到了整臺試驗機疲勞設計的80%，但設備始終運行正常，這說明移動夾頭和鎖緊裝置能夠滿足試驗的需求。

圖12 升級改造后的設備

該設備在對管道進行全尺寸疲勞測試時，可根據試驗需求進行內壓加載或者進行應力-應變數據采集。一般情況下，在管道服役運行期間，管道的焊縫最易出現問題，所以全尺寸疲勞試驗通常是對含缺陷的管道進行疲勞斷裂模擬測試，試驗時可對所需研究的試驗管道的焊縫裂紋缺陷進行預計，以保證測試效果。另外，在測試前可根據測試需求進行數值模擬分析，以便與試驗數據進行對比，試驗結果可以為以后的疲勞測試提供數據參考，也可為管道疲勞壽命的評價和服役期間的運行提供參考。

4 結束語

國內在管道全尺寸疲勞試驗研究方面起步較晚，研究力量薄弱，試驗數據積累少，全尺寸疲勞試驗設備以及全尺寸疲勞試驗理論研究匱乏。因此，需要進一步加強基于全尺寸效應的多種載荷綜合作用的管道疲勞損傷研究與分析：一是結合國內海工裝備檢測試驗，總結相關試驗數據；二是研究全尺寸效應下單一載荷作用和多重載荷作用的疲勞損傷機理；三是建立疲勞損傷仿真模型，將三維仿真技術與試驗相結合，為海洋管道的設計、鋪設、運營提供技術支撐。

本文針對管道全尺寸軸向疲勞試驗機的夾具移動和過零試驗問題，設計了一套移動夾具和鎖緊機構，升級了設備，增加了功能，解決了使用過程中遇到的問題。通過使用有限元軟件對鎖緊機構進行分析，確認其結構強度滿足設計要求，此外介紹了鎖緊機構的安裝和拆卸方法，為鎖緊機構的應用提供了基礎，經試驗驗證，此套裝置運行良好，能夠滿足試驗需求。