1. 引言
导管架裙桩夹桩器是较深水裙桩导管架安装必不可少的专用夹具，起到临时固定连接导管架和钢桩的作用。长期以来，夹桩器产品依赖进口，是海洋工程装备领域典型的“卡脖子”技术产品。近些年，为推进夹桩器国产化制造，海洋石油工程股份有限公司联合哈尔滨工程大学海洋智能机械研究所、大连船舶重工集团舾装有限公司，先后完成设计改进、工程样机的完整试制及中国船级社CCS认证，在国产化道路上迈出了坚实的一步(见图1)。
Figure 1. A prototype of the homemade 84 pile gripper
图1. 国产84夹桩器工程样机
其中，卡爪作为夹桩器和钢桩的接触结构，是夹桩器的核心部件 [1]，也是夹桩器产品实施国产化的重点和难点。
本文通过分析卡爪的工作特点 [2] [3] [4]，参考国外卡爪材料成分及相关性能指标，探索在规范化钢种中选取合适材料，经过实际工件的性能测试及载荷试验验证，实现卡爪国产化材料的替代应用。
2. 卡爪的工作特点
2.1. 卡爪的结构
卡爪外形尺寸φ 180 mm × 55 mm，安装于液压缸活塞的前端，卡爪二维图如图2。卡爪的齿面具有弧度，根据所应用的钢桩外径确定，卡爪实物如图3、图4所示。
Figure 4. The clam fixed on the front end of the piston of the hydraulic cylinder
图4. 卡爪固定于液压缸活塞前端
2.2. 卡爪的工作过程
卡爪的工作过程有两个阶段：
第一阶段，抱紧钢桩。导管架海上安装施工，利用调平器完成导管架调平作业，此时导管架重量由调平器承担。立即驱动夹桩器执行卡桩作业，夹桩器周向均布的多个液压缸活塞向内侧顶出，固定于活塞前端的卡爪，其组齿在液压系统强推力下能够嵌入钢桩，牢牢抱紧钢桩。为了保证卡爪的组齿能够嵌入钢桩，组齿需具有高硬度。
第二阶段，承载重量。卡爪抱紧钢桩后，松开并撤出调平器，卡爪依靠嵌入钢桩的齿所承受的剪切力来支撑导管架重量，直至灌浆固化期结束。为了保证卡爪的组齿能够承受足够的剪切力，卡爪需具备高强度以及一定的韧性。
通过分析卡爪的工作过程与特点，明确了卡爪材料选择的方向和要求，下一步具体量化卡爪材料性能指标。卡爪性能指标的确定需要两方面工作：
1) 通过计算机模拟载荷，计算分析卡爪的受力，为卡爪材料选择提供理论依据；
2) 通过测试国外材料的性能指标，为卡爪材料选择提供参考数据。
2.3. 卡爪的应力应变
根据卡爪的工作过程与特点，按照夹桩器最大承载设计条件(液压系统压力28 MPa，单卡爪承受剪切载荷156.25 t)，利用计算机模拟载荷，对卡爪进行有限元仿真，得到卡爪应力图5和应变图6。
从应力分布来看，卡爪组齿承受的剪切应力大部分在200~600 MPa区间，只有在局部的齿边缘部位形成应力集中，达到800 MPa左右。按照产品设计要求，取1.5倍安全系数，卡爪材料的屈服强度要求达到1200 MPa。
3. 国外卡爪的材料成分与性能指标
采用直读光谱对国外夹桩器卡爪试样进行成分分析，其化学成分如表1所示。
Table 1. Chemical composition of foreign claw materials
表1. 国外卡爪材料化学成分
通过切样试验，获得国外卡爪材料的相关性能指标：
1) 卡爪工作面(齿面)硬度平均值56 HRC；
2) 屈服强度平均值1160 MPa，抗拉强度平均值1600 MPa；
3) 延伸率平均值3.8%。
冲击韧性无试验数据。
根据卡爪受力分析，并参照国外卡爪材料测试结果，设计方确定卡爪国产化材料的性能指标要求：
1) 卡爪工作面(齿面)硬度 ≥ 56 HRC；
2) 屈服强度 ≥ 1200 MPa，抗拉强度 ≥ 1600 MPa；
3) 延伸率 ≥ 4%；
4) 冲击韧性值(V型缺口试块) ≥ 5J。
4. 替代材料的选取与试验
4.1. 材料选取与试验方法
根据以上相关性能指标，初步选取了4种模具钢材料进行工艺试验，分别是DC53、5CrNiMo、FS438和Unimax (进口材料)。
四种材料分别做成卡爪样件，经过真空热处理 [5]，然后在样件中采用线切割制作拉伸试样和冲击试样。采用CMT5305微机控制电子万能试验机进行强度检测。根据GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》中10 × 10 × 55J的V型缺口标准冲击试样，采用B-W500YD型微机控制低温全自动冲击试验机进行冲击韧性检测。采用洛氏硬度计进行硬度检测。
4.2. 材料性能测试结果分析
四种材料化学成分如表2，可以看出，DC53模具钢为高碳冷作模具钢 [6]，其他材料碳含量同国外材料相近。因材料含碳量越高，其硬度和强度就会越高，但其塑性和韧性降低。
Table 2. Chemical composition of the four materials
表2. 四种材料化学成分
四种材料性能测试结果如表3，从测试结果中可以看出：
在硬度方面，DC53模具钢最高，是因为材料本身的高碳和高合金含量；5CrNiMo模具钢正常使用热处理硬度为44~47 HRC，采用改进热处理工艺，使之淬回火后热处理硬度也能达到56 HRC以上；FS438模具钢正常使用热处理硬度50~52 HRC [7] [8]，接近56HRC；Unimax模具钢正常使用硬度为56~58 HRC，满足硬度要求。
从屈服强度、抗拉强度和冲击韧性结果看出，DC53材料脆性过大，在拉伸试验过程中没有出现屈服强度值；5CrNiMo模具钢的屈服强度低于1200 MPa [9]，且延伸率相对较低。FS438和Unimax模具钢都满足强度和延伸率指标。
Table 3. Performance test results of the four materials
表3. 四种材料性能测试结果
综合来看，Unimax满足卡爪材料各项性能指标要求，是理想的替代材料，可以进入下一阶段的载荷试验验证；相比之下，FS438硬度指标略低于目标值，其强度和延伸率指标比较良好，经过对卡爪的工作特点分析，提出两项改进方案，将FS438也可作为备选替代材料进入载荷试验验证，两项改进方案分别是：
1) 对FS438卡爪表面作二次硬化(氮化)处理，提高齿面硬度；
2) 优化FS438卡爪组齿设计，将原设计组齿(2整齿 + 2半齿)，改进为3个整齿结构。
4.3. 载荷试验的验证
根据国产化应用要求，卡爪国产化材料的选择需要得到载荷试验的验证。
选用FS438和Unimax模具钢两种材料各制备一套卡爪，其中：Unimax卡爪按照原设计方案和正常热处理工艺处理；FS438卡爪按照改进齿型和表面二次硬化(氮化)处理；两种材料的性能指标均达到设计要求。将两种材料的卡爪分别安装到图7所示的42寸夹桩器上进行载荷试验，夹桩器试验载荷为600T，持续时间2小时。
Figure 7. 42-inch pile gripper and load test
图7. 42寸夹桩器及载荷试验
经载荷试验，两种材料卡爪均无明显损伤，满足夹桩器实际使用要求，获得中国船级社CCS认证。
5. 结束语
以上通过分析导管架裙桩夹桩器卡爪工作过程与特点，利用计算机模拟载荷进行卡爪受力分析，并参考国外卡爪材料指标，量化卡爪国产化材料的性能指标要求。在此基础上，在规范化钢种中选取了四种合适的替代材料，经过材料性能测试及载荷试验验证，FS438和Unimax模具钢材料性能均满足夹桩器使用要求，可以作为夹桩器卡爪国产化的替代材料。相对而言，Unimax材料性能更优秀，FS438模具钢则更具有成本优势。