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(中國石油大學(xué)(北京) 機械與儲運工程學(xué)院，北京 102249)

深水鋪管張緊器橡膠材料靜摩擦行為研究

周永杰，王德國，郭巖寶，譚海

(中國石油大學(xué)(北京) 機械與儲運工程學(xué)院，北京 102249)

張緊器是深水油氣管線鋪設(shè)的核心裝備之一，能夠保證管線鋪設(shè)過程中管道以平穩(wěn)的速度及適中的張緊力水平下放入水中。張緊器上橡膠墊塊與管道外壁受壓接觸，所產(chǎn)生的靜摩擦力對維持管線受力平衡起到至關(guān)重要的作用。利用自制的試驗裝置，測試了不同試驗載荷條件下橡膠材料與管道試樣間的最大靜摩擦力，并對接觸區(qū)變形進行分析。試驗結(jié)果表明，最大靜摩擦力水平隨法向載荷增大而上升，靜摩擦因數(shù)則逐漸下降；在同一法向載荷條件下，最大靜摩擦力隨切向載荷增長率的增加而波動；接觸系統(tǒng)靜摩擦因數(shù)的波動受接觸面間的粘性接觸力水平與橡膠材料本身粘彈特性共同影響，而粘性接觸力水平的作用占據(jù)首要位置。因此，在鋪管過程中，應(yīng)重點關(guān)注靜摩擦因數(shù)隨管道夾持力變化的規(guī)律，同時應(yīng)選擇合理的鋪設(shè)速度，使靜摩擦因數(shù)處于較小的波動范圍內(nèi)，防止發(fā)生脫管事故。

深水鋪管；張緊器；橡膠；靜摩擦；摩擦學(xué)

張緊器是深海鋪管中的核心裝備，能夠有效地保持油氣管道平穩(wěn)鋪設(shè)。目前，國內(nèi)外對深海鋪管用張緊器的應(yīng)用日臻成熟，最大鋪管噸位及深度均創(chuàng)新高，為深海石油開發(fā)奠定堅實基礎(chǔ)[1-3]。張緊器上的橡膠墊塊與管道外壁接觸，依靠靜摩擦力平衡管道自重，使管道隨張緊器履帶運動，從而實現(xiàn)速度可控的平穩(wěn)鋪設(shè)流程[4]。然而，在管道鋪設(shè)的初始階段，管道以設(shè)定好的速度降入水中，此時橡膠-管道接觸系統(tǒng)所承受的管道自重與鋪設(shè)速度呈正比增長。當(dāng)設(shè)定的鋪設(shè)速度不同時，以相同的靜摩擦因數(shù)為基礎(chǔ)控制橡膠墊塊與管道間的夾持載荷并不精確，很有可能導(dǎo)致橡膠-管道接觸系統(tǒng)無法提供足夠的靜摩擦力來維持不斷增長的管道自重，進而發(fā)生脫管事故，造成損失。因此，需對橡膠-管道進行摩擦學(xué)優(yōu)化研究，以適應(yīng)不同鋪設(shè)速度的設(shè)計要求。

本文利用自制的試驗裝置，對橡膠與硬質(zhì)管道間的靜接觸摩擦行為進行試驗研究，揭示不同法向載荷、不同切向載荷增長率對橡膠-管道接觸摩擦行為的影響，為張緊器摩擦學(xué)優(yōu)化設(shè)計提供試驗數(shù)據(jù)。

1 試驗

1.1 試驗樣品及試驗裝置

本次試驗采用管-塊摩擦副，管為硬質(zhì)管道試樣，塊為橡膠墊塊試樣，用以模擬鋪管過程中的橡膠-管道接觸。橡膠試樣和管道試樣如圖1，其力學(xué)性能如表1所示。橡膠A和橡膠B交聯(lián)密度不同，導(dǎo)致2種橡膠材料的彈性模量不同，使得2種材料的粘彈特性存在差異[5]。

圖1 橡膠試樣及管道試樣

試樣彈性模量/MPa拉伸強度/MPa硬度表面粗糙度Ra橡膠試樣A2.2613.2037HA3.1橡膠試樣B3.7012.7951HA3.2管道試樣鋼制2.1×10580HRC1.7管道試樣PMMA3.0×10399HRC1.6

靜摩擦試驗裝置如圖2所示。整個試驗裝置包含法向載荷和切向載荷加載系統(tǒng)。橡膠試樣固定在法向載荷加載系統(tǒng)下端；管道試樣固定在直線滑塊上，可沿y軸方向直線運動。

圖2 靜摩擦試驗裝置示意

1.2 試驗步驟

首先施加法向載荷，待接觸區(qū)穩(wěn)定后，切向載荷以不同的增長率作用在管道試樣上，橡膠-管道接觸區(qū)開始隨切向載荷的增大而變化。當(dāng)切向載荷增大到臨界值時，管道試樣與橡膠試樣間發(fā)生宏觀滑動，將發(fā)生宏觀滑動時的切向載荷定為接觸系統(tǒng)的最大靜摩擦力。試驗參數(shù)如表3所示。

表2 試驗參數(shù)

為直觀地觀測接觸區(qū)的變形情況，采用橡膠與透明的有機玻璃管(PMMA)作為接觸副，將可移動攝像裝置垂直對準(zhǔn)接觸區(qū)，進行拍攝記錄。試驗在室溫(25 ℃)下進行，試驗環(huán)境的相對濕度保持在40%左右。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 最大靜摩擦力

不同橡膠與不同管道試樣的靜摩擦試驗數(shù)據(jù)如圖3所示。從圖3a中可見，橡膠A與管道間的最大靜摩擦力隨法向載荷的增加而增加，而橡膠A與鋼制管道間的最大靜摩擦力隨切向載荷增長率增長呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢；橡膠A與PMMA管之間的最大靜摩擦力則隨切向載荷增長率增長而增加。從圖3b中可以看出，橡膠B的最大靜摩擦力的變化趨勢與橡膠A相一致，但最大靜摩擦力水平明顯低于橡膠A。這主要是由于橡膠試樣不同的彈性模量所引起的，彈性模量越低，接觸區(qū)面積越大，從而導(dǎo)致最大靜摩擦力水平提高[6]。對于最大靜摩擦力隨切向載荷增長率的變化趨勢，將結(jié)合接觸區(qū)隨切向載荷的變化情況在后面章節(jié)中討論。

a 橡膠A

b 橡膠B

2.2 接觸區(qū)變化

橡膠A與PMMA管間接觸區(qū)在低切向載荷增長率(0.062 N/s)下的變化如圖4所示。圖4中黑色豎線為橡膠表面的標(biāo)線，通過比較不同標(biāo)線的彎曲程度，能夠直觀地反映出接觸區(qū)內(nèi)不同位置的變形程度。圖4a為切向載荷未加載時的接觸區(qū)；當(dāng)切向載荷開始加載時，圖4b中接觸區(qū)前后端均向中心收縮，黑色標(biāo)線發(fā)生微小彎曲，說明接觸區(qū)隨切向載荷方向產(chǎn)生了微小變形；當(dāng)切向載荷持續(xù)增加時，從圖4c可以看出，接觸區(qū)前端收縮明顯，同時接觸區(qū)后端卻超過了初始階段的接觸區(qū)范圍，說明在接觸區(qū)后端發(fā)生了重新接觸，這主要是由于橡膠塊的整體彈性變形導(dǎo)致接觸區(qū)前端翹起，后端壓低，此外，接觸區(qū)后端的標(biāo)線彎曲程度要明顯大于前端，說明此時接觸區(qū)后端的切向應(yīng)力要大于前端，這一結(jié)論與以前的研究結(jié)果相吻合[7]；在圖4d中，當(dāng)切向載荷增大到接觸區(qū)承受極限時，橡膠與管道間的接觸面發(fā)生宏觀滑動。

圖4 橡膠A與PMMA管接觸區(qū)在低切向載荷增長率(0.062 N/s)下的變化情況

橡膠A與PMMA管間接觸區(qū)在高切向載荷增長率(1.5 N/s)下的變化如圖5。其變形規(guī)律與低切向載荷增長率下的變形規(guī)律類似，但也存在一處明顯的不同。結(jié)合圖6接觸截面示意，可以看出，在圖5b中，當(dāng)切向載荷施加時，橡膠接觸面在接觸區(qū)前端發(fā)生褶皺，與管道外壁產(chǎn)生空穴，并從接觸區(qū)前端向中心移動(①處)。同時，另一條褶皺在接觸區(qū)前端②處產(chǎn)生。在圖5c中，向接觸區(qū)中心移動的空穴在③處附近減緩了移動的速度，并逐漸駐停，而在接觸區(qū)前端④處產(chǎn)生的新褶皺逐漸消失，這說明空穴向接觸區(qū)中心釋放的應(yīng)力不足以使接觸區(qū)后端接觸面分離，而在接觸區(qū)前端，接觸面在切向載荷的作用下重新接觸，褶皺被擠出接觸區(qū)。在圖5d中，當(dāng)切向載荷增大到極限范圍時，接觸區(qū)后端接觸面在切向載荷和空穴的共同作用下發(fā)生分離，產(chǎn)生宏觀滑動。圖4～5中的接觸區(qū)變形規(guī)律與其他研究中的結(jié)論相吻合，說明切向載荷增長率對接觸區(qū)的變形有重要影響[8-10]。

圖5 橡膠A與PMMA管接觸區(qū)在高切向載荷增長率(1.5 N/s)下的變化情況

圖6 橡膠A與PMMA管接觸區(qū)在高切向載荷增長率(1.5 N/s)下的截面示意

2.3 靜摩擦因數(shù)

從圖4和圖5對比中可以看出，引起最大靜摩擦力波動的主要因素是不同切向載荷增長率下接觸區(qū)內(nèi)褶皺及空穴的存在。根據(jù)其他橡膠接觸摩擦研究結(jié)論可知，接觸區(qū)內(nèi)的褶皺和空穴移動是由于橡膠表面的變形程度與切向載荷的增長不匹配導(dǎo)致的，當(dāng)橡膠表面變形跟不上管道運動趨勢時，橡膠表面在粘性力的作用下發(fā)生細(xì)小褶皺，但并未與管道表面發(fā)生分離，同時，在褶皺前方的橡膠與管道接觸，從而在接觸區(qū)內(nèi)形成空穴。需要注意的是，空穴在向接觸區(qū)中心移動的過程中，并未發(fā)生接觸面間的相對滑動，而是褶皺在橡膠表面的黏彈性傳播[11]。這種橡膠表面的動態(tài)變化能夠有效地釋放能量，降低接觸區(qū)后端切向應(yīng)力水平，使接觸面不會過早發(fā)生分離進而發(fā)生宏觀滑動。在較低的切向載荷增長率下，橡膠表面的變形與管道運動趨勢基本吻合，所以未發(fā)生明顯的褶皺和空穴移動，因此接觸面發(fā)生分離的極限切向載荷較小，導(dǎo)致其最大靜摩擦力小于較高切向載荷增長率下的最大靜摩擦力。

不同載荷條件下的靜摩擦因數(shù)對比如圖7所示。從圖7a中可以看出，隨著法向載荷增加，靜摩擦因數(shù)降低；同時，在同一法向載荷下，不同切向載荷增長率下的靜摩擦因數(shù)波動范圍不同。對于較軟的橡膠A試樣，在法向載荷10 N時波動最小，而20 N和30 N波動較大。這說明在較小的法向載荷下，接觸區(qū)內(nèi)的褶皺及空穴移動現(xiàn)象并不能很大程度地影響到接觸面分離過程；當(dāng)法向載荷增大時，接觸面間的粘性接觸力增大，能夠有效地允許褶皺及空穴移動現(xiàn)象發(fā)生，因此靜摩擦因數(shù)波動較大。對于較硬的橡膠B試樣，法向載荷較小時，橡膠表面法向應(yīng)力較小，容易產(chǎn)生褶皺及空穴移動現(xiàn)象，而法向載荷增大后，由于彈性模量較大，反而不容易產(chǎn)生褶皺及空穴移動現(xiàn)象，因此橡膠B試樣的靜摩擦因數(shù)波動與橡膠A試樣相反。在圖7b中，2種橡膠試樣的靜摩擦因數(shù)均大于橡膠-鋼接觸系統(tǒng)的靜摩擦因數(shù)水平，這是由于橡膠與PMMA間的粘性接觸力水平大于橡膠與鋼之間的接觸力水平，導(dǎo)致靜摩擦因數(shù)整體升高。2種橡膠材料的靜摩擦因數(shù)波動規(guī)律基本一致，在法向載荷增大時，靜摩擦因數(shù)波動范圍趨于穩(wěn)定，說明相對于橡膠材料本身黏彈特性，接觸面間的粘性接觸力對靜摩擦因數(shù)的影響更加明顯。綜上所述，橡膠材料靜摩擦因數(shù)的波動受接觸系統(tǒng)粘性接觸力水平及橡膠材料本身黏彈特性共同影響，而粘性接觸力的影響居于首位。

a 橡膠-鋼

b 橡膠-PMMA

3 結(jié)論

1) 在相同法向載荷作用下，橡膠材料最大靜摩擦力受切向載荷增長率影響明顯。在較高的切向載荷增長率下，接觸區(qū)內(nèi)褶皺及空穴移動現(xiàn)象顯著，有效地釋放了橡膠表面能量，從而降低了接觸區(qū)內(nèi)切向應(yīng)力水平，導(dǎo)致最大靜摩擦力升高。

2) 橡膠材料靜摩擦因數(shù)隨法向載荷增加而降低，同時靜摩擦因數(shù)波動范圍受接觸面粘性接觸力水平及橡膠材料自身黏彈特性共同作用，而接觸系統(tǒng)粘性接觸力水平起主要作用。

3) 在張緊器的橡膠-管道接觸摩擦系統(tǒng)中，應(yīng)考慮摩擦因數(shù)隨法向載荷變化的規(guī)律，不能簡單地以相同的靜摩擦因數(shù)來規(guī)劃鋪管過程；在設(shè)定鋪管速度時，應(yīng)綜合考慮法向載荷與鋪管速度對接觸系統(tǒng)靜摩擦因數(shù)的影響，選擇合理的靜摩擦因數(shù)波動區(qū)間，保證鋪管作業(yè)的平穩(wěn)運行。

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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

國家自然科學(xué)基金(51675534，51375495)；中國石油大學(xué)(北京)科研基金( 2462017BJB06，C201602)；摩擦學(xué)國家重點實驗室開放基金(SKLTKF14A08)

周永杰(1988-)，男，河北涿州人，博士研究生，主要從事海上石油裝備摩擦學(xué)優(yōu)化設(shè)計研究，E-mail：zhou77047789@163.com。

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.06.010