侯 靜，黎世龍，馬美琴，孫建幫，劉保權

[1.中海油研究總院，北京 100028；2.中海石油（中國）有限公司海南分公司，海南 ?？?570100；3.衡橡科技股份有限公司，河北 衡水 053000]

半球形彈性支座是鋼懸鏈線立管柔性接頭最核心的部件[1]，其以橡膠和鋼板復合制成。半球形彈性支座與密封法蘭配合，形成可承受大交變彎矩和軸向拉力的柔性連接節(jié)點，安裝于鋼懸鏈線立管頂端，是鋼懸鏈線立管的重要部件，是在深海油氣生產(chǎn)過程中具有顯著經(jīng)濟效益和技術優(yōu)勢的部件[2]，目前全球僅有2—3家公司具備鋼懸鏈線立管柔性接頭的設計和生產(chǎn)能力。本工作針對半球形彈性支座的制備進行深入探討，希望能為半球形彈性支座這一“卡脖子”部件的研發(fā)積累經(jīng)驗，助力快速實現(xiàn)半球形彈性支座的國產(chǎn)化。

1 半球形彈性支座的結構和功能

1.1 使用工況

我國某海域油氣田平臺用30.48 cm（12英寸）柔性接頭主要由金屬殼體、法蘭、延伸管、連接螺栓和半球形彈性支座等組成（見圖1）。

圖1 柔性接頭的結構Fig.1 Structure of flexible joint

柔性接頭固定在平臺側部，其延伸管與自海底而上的輸油立管相連，法蘭與平臺上的固定管線相連。由海底油氣田開采出的油氣自海底管線和輸油立管提升而上，自柔性接頭中部穿過，輸送至上部平臺油氣儲存和預處理區(qū)域。

日常油氣開采時，柔性接頭中生產(chǎn)介質的壓力約為15 MPa，溫度達到65 ℃。立管自身質量使柔性接頭長期承受豎向拉力（可能高達4 000 kN），同時風、浪、涌、流和潮汐等因素會使得立管產(chǎn)生360°的各向擺動，延伸管的最大旋轉角度達到25°。復雜高頻交變轉變的工況、海水腐蝕、天然氣腐蝕、高溫高壓老化等對柔性接頭用半球形彈性支座的材料、結構和性能均提出了嚴苛的要求。

1.2 結構和功能

半球形彈性支座是實現(xiàn)立管擺動、柔性接頭轉動的執(zhí)行部件，其由若干同心半球形橡膠層與金屬增強板相互交替粘接而成，其內部與延伸管粘接、外部與金屬殼體粘接，集密封、受拉和轉動等功能于一體。半球形彈性支座的結構見圖2。

圖2 半球形彈性支座的結構Fig.2 Structure of hemispherical elastic bearing

2 半球形彈性支座的設計

2.1 橡膠層膠料的配方設計

半球形彈性支座由橡膠層與增強板交替堆疊而成。復雜的腐蝕工況對橡膠材料的性能提出了較高的要求。氯丁橡膠、三元乙丙橡膠、丁腈橡膠（NBR）、氫化丁腈橡膠（HNBR）、氟橡膠和聚氨酯等均具有良好的耐熱老化和耐海水腐蝕性能，但因管道輸送的介質為天然氣（可能含有少量原油成分），要求橡膠具備良好的耐極性氣體性能，因此僅將NBR、HNBR和聚醚型聚氨酯列入橡膠的選擇范疇[3]。

橡膠層在半球形彈性支座中主要起到提供彈性、保護增強板和實現(xiàn)密封的作用。在半球形彈性支座長達300年的設計壽命內，橡膠層一直接觸海水、混油的天然氣等腐蝕性物質，因此要求其具有良好的耐候、耐海水腐蝕、耐熱、耐油和耐疲勞等性能[4]。天然氣礦藏中含有的少量酸性硫化氫是一種極性氣體，會與NBR的雙鍵發(fā)生反應，易造成NBR膠層老化，導致NBR膠層硬化和脆化。HNBR膠層則不易發(fā)生這種老化現(xiàn)象，且可以耐受更高的溫度和硫化氫濃度，極適合在長期高溫等極端環(huán)境下使用。綜合考慮上述要求，半球形彈性支座橡膠層膠料的主體材料可采用HNBR。

通過試驗，確定半球形彈性支座橡膠層膠料的配方為：HNBR 100，炭黑N330 45，炭黑N220 15，氧化鋅 5，硬脂酸 1，微晶蠟 1，防老劑4010NA 2，防老劑RD 1.5，防老劑DNP 1，抗硫化返原劑PK-900 2。該膠料的物理性能（見表1）完全滿足指標要求。

表1 半球形彈性支座橡膠層膠料的物理性能Tab.1 Physical properties of rubber layer compound of hemispherical elastic bearing

2.2 增強板的設計

增強板是增大半球形彈性支座壓縮剛度和旋轉剛度的金屬板材。增強板與橡膠層通過熱硫化粘接層緊密連接為一體，增強板與橡膠層交替堆疊，可有效降低橡膠層的局部應力，延長半球形彈性支座的壽命。

增強板的材質和尺寸直接影響半球形彈性支座的結構剛度，而增強板的分布、放置形式和尺寸公差會對橡膠層的尺寸、局部應力以及半球形彈性支座的壽命等產(chǎn)生較大的影響。

半球形彈性支座與延伸管和金屬殼體連接為一體，延伸管的最大旋轉角度為25°，經(jīng)有限元模擬計算得出，在極限使用工況下半球形彈性支座增強板要求屈服強度高達800 MPa以上，并具備良好的耐疲勞性能。

增強板一般選用鋼板。選取SC960E鋼板和熱處理30CrNiMo鋼板作為增強板進行研究，增強板的物理性能見表2。由表2可知，兩種材質增強板的物理性能均能滿足指標要求。

表2 增強板的物理性能Tab.2 Physical properties of reinforcing plate

3 半球形彈性支座的生產(chǎn)

3.1 工藝流程

GB/T 20688.4—2007中規(guī)定的橡膠支座的結構形式見圖3，其結構和工作原理與半球形彈性支座相近，均通過橡膠與剛性骨架交替堆疊形成復合結構，實現(xiàn)設計的壓縮剛度和轉角剛度。

圖3 橡膠支座的結構Fig.3 Structure of rubber bearing

目前國內橡膠支座的生產(chǎn)工藝已十分成熟，各生產(chǎn)企業(yè)采用的工藝雖然不盡相同，但是總體流程差別不大，半球形彈性支座可以參照橡膠支座的工藝進行生產(chǎn)[5]。

某公司橡膠支座生產(chǎn)線的工藝流程見圖4。其中，主要工藝過程為橡膠混煉、增強板處理、支座硫化成型3個部分。

圖4 橡膠支座的生產(chǎn)工藝流程Fig.4 Production process of rubber bearing

3.2 橡膠層膠料的混煉

橡膠的彈性給其加工帶來很大的困難，需要將生膠由強韌的高彈性狀態(tài)轉變?yōu)槿彳浀乃苄誀顟B(tài)，從而降低混煉膠的粘度，改善混煉膠的流動性，提高混煉膠的分散性和成型粘合性。采用開煉機薄通塑煉生膠，可使塑煉膠快速散熱，塑性均勻，能達到任意的塑煉程度[6-7]。橡膠混煉是借助煉膠機機械力的作用將各種配合劑均勻分散于橡膠中的工藝過程，混煉膠質量對后續(xù)加工和成品質量有重要影響[8-9]。

為了使半球形彈性支座的橡膠層膠料分散均勻，首先將HNBR塑煉以提高其塑性；由于HNBR膠料混煉時生熱大，升溫快，混煉溫度應比天然橡膠（NR）膠料低；HNBR對粉劑的濕潤能力較差，其膠料的粉劑難以分散，所以混煉時間要比NR膠料長；由于HNBR在高溫下容易結聚而產(chǎn)生凝膠現(xiàn)象，從而使硫化膠的強度降低，因此其膠料采用慢速密煉；為使膠料性能均勻，增加混煉膠薄通工序，薄通后的混煉膠停放至少24 h，待混煉膠穩(wěn)定后，通過炭黑分散度、門尼粘度、阿基米德螺線測定流動性等方法測定膠料的混煉均勻性和加工性能。

3.3 增強板的加工成型和表面處理

普通橡膠支座的增強板多為Q235或Q355材質的鋼板，外形為規(guī)則的矩形或圓形，僅通過開平、沖/剪裁、激光下料等方式即可得到滿足尺寸要求的增強板[5-6]；增強板再通過酸/堿處理除油、拋丸除銹、涂刷膠粘劑等處理即可使用。但是半球形彈性支座的增強板因受尺寸精度和原材料強度要求高、尺寸大（在外力作用下易變形）等因素的影響，在加工成型和表面處理兩方面均存在巨大的困難。

3.3.1 加工成型

半球形彈性支座的增強板規(guī)格超過30種，屈服強度要求大于800 MPa。Φ920增強板的尺寸如圖5所示。

圖5 Φ920增強板的尺寸示意Fig.5 Dimension schematic of Φ920 reinforcing plate

經(jīng)試驗，可行的增強板生產(chǎn)工藝主要分為以下兩種。

（1）使用高強度型坯，機加工成型。選取滿足要求的高強度鋼材質型坯，通過機加工工藝將型坯加工成設計尺寸的增強板。該工藝具有精度高的優(yōu)勢，但機加工需要具有較高精度的車床和夾具，且易出現(xiàn)“顫刀”的現(xiàn)象，較佳的解決方式是制作與增強板內外徑尺寸相同的靠件，協(xié)助增強板的夾持和加工，但增強板規(guī)格多、尺寸大，需要上百個靠件，成本投入過大，且原材料利用率低，加工周期長。

（2）使用低強度鋼板材沖壓后熱處理。該工藝基于球冠形封頭和球形封頭的成型方法，通過沖壓、冷旋壓或熱旋壓等方式將延展性較好的鋼板材加工至設計尺寸，再經(jīng)熱處理提高增強板的強度[10]。該工藝的原材料利用率可超過90%，且生產(chǎn)周期短、成本低，但增強板的尺寸精度低，成品厚度不均，在熱處理過程中易變形。

3.3.2 表面處理

長時間的高頻受壓和轉動工況要求半球形彈性支座具有良好的性能穩(wěn)定性，即橡膠層與增強板具有較高的粘接強度和較好的耐疲勞性能。橡膠層與增強板的粘合常采用熱硫化粘接的工藝，即在增強板的表面涂刷膠粘劑，在高溫條件下膠粘劑與橡膠和增強板分別發(fā)生化學反應[11]。

經(jīng)試驗驗證：在選取合適牌號的膠粘劑后，橡膠層與增強板的剝離強度可達到10 kN·m-1以上，動態(tài)疲勞壽命超過100萬次。

增強板的表面處理操作主要包括：除油除銹、增大比表面積、噴涂膠粘劑等。其中，除油除銹主要通過酸/堿洗和拋丸等方式進行；增大比表面積主要通過拋丸和拉毛等措施進行；噴涂膠粘劑后需根據(jù)膠粘劑的種類和牌號進行烘干或/和晾曬處理。值得注意的是：增強板由于壁厚小、直徑大，在拋丸過程中極易發(fā)生變形，需制作合適的固定工裝來保證增強板的橢圓度。

3.4 模具設計

半球形彈性支座的模具主要包括鋪設定型模具和硫化成型模具兩種。在定型階段，需將厚度均勻的混煉膠膠片纏繞到增強板上，然后通過定型模具將另一塊增強板擠壓到已鋪設完成的混煉膠膠片上；依次將混煉膠膠片和增強板擠壓緊實后，將預成型的型坯放置到硫化成型模具中[12-13]。為保證在擠壓過程中增強板不變形、混煉膠分布均勻，鋪設定型模具需設置穩(wěn)定的豎向導向并配備可調節(jié)尺寸的擠壓增強板用壓頭。

為保證半球形彈性支座的使用性能，增強板間不能采用額外的固定和連接。硫化初期，增強板在橡膠中處于“懸浮”狀態(tài)，為保證增強板的相對位置，預制的型坯的溢膠量不能過大。可在硫化模具上設置進膠口，通過注膠機向模具內注入膠料，保證模具內膠料密實。

3.5 硫化成型

半球形彈性支座是由橡膠層和增強板交替堆疊而復合制成大尺寸、厚壁型橡膠制品。因橡膠的導熱性不良，厚壁型橡膠制品在硫化過程中難以保證內外橡膠層達到相同的硫化程度[14-15]。除了通過配方調整延長膠料的硫化平坦期外，還可對傳統(tǒng)的平板硫化機進行改造，在上下加熱的基礎上增加周圈加熱、保溫裝置，縮短硫化時間。

3種典型的平板硫化機硫化方案為：方案1（無保溫、無周圈加熱）、方案2（有保溫、無周圈加熱）、方案3（有保溫、有周圈加熱），這3種方案的硫化工藝參數(shù)對比見表3。

表3 不同方案硫化工藝參數(shù)對比Tab.3 Comparison of vulcanization process parameters of different schemes

由表3可知，在硫化程度相同的情況下，方案3的硫化時間最短，優(yōu)勢明顯。

4 結語

半球形彈性支座作為鋼懸鏈線立管柔性接頭中的關鍵部件，是柔性接頭設計和制造的最大難點。隨著全球首座10萬t級深水半潛式生產(chǎn)平臺的順利投產(chǎn)，我國對鋼懸鏈線立管的需求日益增加，半球形彈性支座的研制有助于我國鋼懸鏈線立管的國產(chǎn)化。