海上平臺基座式起重機回轉(zhuǎn)支承的故障分析與判斷

王 寧，張 浩

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452）

0 引言

基座式起重機是海上油氣開采平臺上的關(guān)鍵設(shè)備，負(fù)責(zé)平臺上或與供給船之間的物資運移，對正常的生產(chǎn)作業(yè)提供重要的設(shè)施保障。

回轉(zhuǎn)支承是起重機上部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)與平臺固定基座相連接的重要且唯一的部件，對設(shè)備的安全使用起到至關(guān)重要的作用。從近幾年發(fā)生的回轉(zhuǎn)支承故障損壞案例來看，回轉(zhuǎn)支承故障損壞不但產(chǎn)生幾十萬甚至上百萬的維修費用，還導(dǎo)致吊機停用3～6個月不等，給平臺的正常生產(chǎn)生活造成很大的影響和較大的經(jīng)濟損失。

回轉(zhuǎn)支承的設(shè)計使用壽命是與平臺起重機的設(shè)計壽命相一致的，隨著使用年限的不斷增加，部分起重機會處于超期服役狀態(tài)。而針對回轉(zhuǎn)支承的相關(guān)報廢指標(biāo)，中國也沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

本文將針對海上平臺基座式起重機的回轉(zhuǎn)支承故障損壞的問題，從工作原理和使用工況兩個方面進行系統(tǒng)性地分析?；诙啻蔚墓收习咐龜?shù)據(jù)和回轉(zhuǎn)支承生產(chǎn)廠家的相關(guān)手冊資料，提出了采用定期檢查的方法建立磨損數(shù)據(jù)跟蹤表的方法，并歸納總結(jié)出相關(guān)報廢技術(shù)指標(biāo)。最后，針對回轉(zhuǎn)支承故障分析方法與判斷指標(biāo)，進行多臺設(shè)備的真實數(shù)據(jù)驗證。結(jié)果表明，本文提出的故障分析與判斷方法是有效的、準(zhǔn)確的，能對現(xiàn)場提供幫助，并為其他類似設(shè)備運維提供參考[1]。

1 起重機回轉(zhuǎn)機構(gòu)工作原理

回轉(zhuǎn)機構(gòu)的作用是實現(xiàn)起重機上部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)連同吊臂一起旋轉(zhuǎn)動作，該機構(gòu)包括回轉(zhuǎn)驅(qū)動小齒輪、回轉(zhuǎn)支承、基座、上部轉(zhuǎn)臺等部件[2]，如圖1所示。

圖1 回轉(zhuǎn)機構(gòu)組成

1.1 回轉(zhuǎn)驅(qū)動齒輪

海上平臺基座式起重機是通過液壓傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)動力傳遞與動作控制，液壓泵組提供的高壓油液經(jīng)過多路換向閥的控制，進入回轉(zhuǎn)驅(qū)動馬達(dá)進行做功，做完功的低壓油液排回油箱，最終實現(xiàn)動力的傳遞。而回轉(zhuǎn)馬達(dá)作為執(zhí)行元件，將液壓能轉(zhuǎn)化為輸出軸上的旋轉(zhuǎn)機械能，再通過回轉(zhuǎn)減速器的減速增扭作用，最終能量傳遞到回轉(zhuǎn)小齒輪，驅(qū)動其以實現(xiàn)起重機的回轉(zhuǎn)運動?；剞D(zhuǎn)系統(tǒng)的液壓原理如圖2所示。

1.2 回轉(zhuǎn)支承

海上平臺所處的工作環(huán)境非常惡劣，除了風(fēng)浪外，還遭受潮濕空氣以及鹽霧的侵蝕。目前海上平臺基座式起重機選用的回轉(zhuǎn)支承一般為兩種：一種是單排四點接觸球式，如圖3所示；另一種是三排滾柱式，如圖4所示，內(nèi)圈或外圈帶有驅(qū)動齒圈。滾動體運行接觸的滾道表面，以及驅(qū)動小齒輪與大齒圈嚙合的輪齒表面，均經(jīng)過相應(yīng)的熱處理工藝，一次提高表面硬度，最終提高使用壽命。在起重機正常運行過程中，回轉(zhuǎn)支承承受著整機自重和外在負(fù)載所帶來的垂直載荷與傾覆力矩，受力情況非常惡劣，因此對回轉(zhuǎn)支承的可靠性要求非常高。

圖2 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)液壓原理圖

圖3 單排四點接觸球式

圖4 三排滾柱式

2 故障類型與原因分析

海上平臺基座式起重機，其設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為美國石油學(xué)會發(fā)布的API Spec-2C《海上平臺基座式起重》。規(guī)范要求回轉(zhuǎn)支承在設(shè)計選型時，承載安全系數(shù)至少比其他部件的設(shè)計要高出1.5倍，安全系數(shù)比較高，在多年的使用過程中也很少發(fā)生起重機上部結(jié)構(gòu)整體傾覆掉落的情況[3]?；剞D(zhuǎn)機構(gòu)在長期的低速、重載情況下工作，發(fā)現(xiàn)最易失效的則是回轉(zhuǎn)支承的滾道，以及回轉(zhuǎn)機構(gòu)的嚙合齒面，這兩種故障均為磨損類故障，詳細(xì)分析如下。

2.1 齒面磨損故障

回轉(zhuǎn)驅(qū)動小齒輪與回轉(zhuǎn)支承大齒圈之間的有效嚙合，實現(xiàn)了回轉(zhuǎn)驅(qū)動力的傳遞，最終實現(xiàn)了起重機的回轉(zhuǎn)動作。而小齒輪與大齒圈之間均為開式嚙合傳動，并且長期處于海上多鹽霧、高潮濕的惡劣環(huán)境，使得齒面上的潤滑脂很快脫落，不能有效起到潤滑和保護的作用。

一般在齒面磨損嚴(yán)重后，齒側(cè)間隙不斷增加，回轉(zhuǎn)動作的空行程會加長，尤其在有水平風(fēng)載的情況下，更會產(chǎn)生齒輪之間的沖擊力。所以，回轉(zhuǎn)支承廠家也在選型手冊中給出了回轉(zhuǎn)支承大齒圈與驅(qū)動小齒輪之間的推薦嚙合間隙范圍，一般為0.03m～0.04m，其中m為齒輪的模數(shù)。

在對渤海區(qū)域某兩個平臺起重機回轉(zhuǎn)支承評估檢查時，發(fā)現(xiàn)了齒面磨損嚴(yán)重的情況，如圖5所示。

同時對齒面磨損量也進行了實測，如表1 所示。從表中可以看到，最大磨損均值已經(jīng)達(dá)到了3.42 mm，并且有不均勻較深的滑損，這也驗證了海上環(huán)境的惡劣影響對回轉(zhuǎn)支承造成的嚴(yán)重?fù)p傷。

圖5 回轉(zhuǎn)支承齒面磨損

表1 齒側(cè)間隙測量表

2.2 滾道及滾動體故障

在起重機的回轉(zhuǎn)動作時，回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)圈與外圈之間通過滾動體的滾動接觸來實現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動。海上平臺用的起重機自重高達(dá)40～50 t，而額定載荷在10～40 t不等，這些重量和負(fù)載產(chǎn)生的合力將集中作用在回轉(zhuǎn)支承的滾動體和滾道上面。另外，在風(fēng)浪和供給船舶的運動作用下，會使負(fù)載產(chǎn)生較大的沖擊力，也就直接反應(yīng)在回轉(zhuǎn)支承的受力上面。

根據(jù)回轉(zhuǎn)支承的結(jié)構(gòu)形式可以判斷，當(dāng)出現(xiàn)滾道磨損后，在輕微情況下，會出現(xiàn)回轉(zhuǎn)支承的軸向間隙增大。而當(dāng)磨損嚴(yán)重時，回轉(zhuǎn)支承在動作時則會出現(xiàn)異響，或在內(nèi)外圈滑動面之間出現(xiàn)金屬碎屑等情況。

為了判斷準(zhǔn)確性，將已經(jīng)損壞的某兩個平臺起重機的回轉(zhuǎn)支承進行了拆解。從拆檢結(jié)果來看，當(dāng)出現(xiàn)間隙增大至4～6 mm時，滾道的淬火層已經(jīng)磨損較大；當(dāng)出現(xiàn)異響或金屬屑時，滾道的磨損已經(jīng)很嚴(yán)重。圖6 所示為被嚴(yán)重磨損的滾道，回轉(zhuǎn)支承需要立即更換。

圖6 磨損嚴(yán)重的滾道

3 判斷方法與指標(biāo)

通過以上分析，得知回轉(zhuǎn)支承的嚙合齒面和滾道位置最易磨損而發(fā)生故障，所以針對兩方面磨損值的測量給出以下檢查判斷方法與推薦指標(biāo)[4]。

3.1 齒面磨損檢查

海上平臺起重機一般處于平臺上的最高點，所處位置環(huán)境惡劣，無法使用精密儀器進行測量。通過多年的實踐經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)使用嚙合間隙測量法是最為便捷和有效的，即在回轉(zhuǎn)支承齒圈上均布地選取8個點，利用起重機的回轉(zhuǎn)動作，將驅(qū)動小齒輪轉(zhuǎn)到預(yù)定的第1個點位；清潔周邊的潤滑脂及污漬等。如圖7所示，利用塞尺分別測量嚙合輪齒的兩側(cè)，按下式計算出齒面磨損量：

式中：V 為齒面磨損量，mm；J1為左側(cè)間隙值，mm；J2為右側(cè)間隙值，mm；J0為原始間隙值，mm。

圖7 齒側(cè)間隙測量

根據(jù)上述方法，再依次測量第2～8個點位，分別將數(shù)據(jù)記錄在表格中，查看各點位的磨損量是否超過如下許用標(biāo)準(zhǔn)值：

式中：V 為齒面磨損量，mm；[ V ]為允許的最大齒面磨損量，mm，是根據(jù)齒輪的模數(shù)計算得來，為0.15m，m 為齒輪的模數(shù)。

同時將每次定期檢查的測量值做長期地對比和跟蹤，即可發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)支承齒面磨損的發(fā)展趨勢，給維修提供決策依據(jù)。

3.2 滾道系統(tǒng)磨損檢查

滾道系統(tǒng)磨損的測量是回轉(zhuǎn)支承定期檢查的重點內(nèi)容。對磨損量的長期跟蹤，能夠提早發(fā)現(xiàn)問題，避免設(shè)備出現(xiàn)計劃外的停機，減少不必要的經(jīng)濟損失。回轉(zhuǎn)支承滾道系統(tǒng)的磨損量測量，海上最容易實現(xiàn)的是采用傾翻法進行，即按照圖8所示固定百分表。測量時，要盡量避免因周邊鋼結(jié)構(gòu)的變形對測量值的影響，故要將測量點盡量靠近滾道中心。

在設(shè)備剛組裝完投入使用前，要進行參照測量，步驟為：選取回轉(zhuǎn)支承上均布的8 個點位，并做好標(biāo)記；將空載下的吊臂旋轉(zhuǎn)至待測量的第1 個點位，同時將變幅角度下放至工作角度的最低值，測量標(biāo)記點的垂直高度，記錄到表中；然后旋轉(zhuǎn)吊臂，使標(biāo)記的第2 個點位達(dá)到測量位置，進行記錄，以此類推，直至將全部8 個點位測量完成。在后期的使用過程中，一定時間后利用同樣的方法進行測量，且測量同一點位，即可掌握回轉(zhuǎn)支承的磨損趨勢。

回轉(zhuǎn)支承的滾道通常采用的熱處理方法為感應(yīng)淬火，其厚度與回轉(zhuǎn)支承的滾動體規(guī)格相對應(yīng)。當(dāng)滾道均勻磨損量達(dá)到如表2～3所列的數(shù)值時，則應(yīng)及時報廢、更換。

圖8 滾道系統(tǒng)磨損測量

表2 四點接觸球式允許磨損值mm

表3 三排滾柱式允許磨損值mm

4 回轉(zhuǎn)支承的使用維護

（1）起重機投入使用后，首次運轉(zhuǎn)50 h 后或停用6 個月以上的，要將滾道系統(tǒng)內(nèi)部重新加注新的潤滑脂。以后每運行100 h檢查一次潤滑狀態(tài)，并根據(jù)情況加注潤滑脂[5]。

（2）為了及時跟蹤回轉(zhuǎn)支承磨損面的情況，每6 個月需要對回轉(zhuǎn)機構(gòu)齒輪嚙合尺側(cè)間隙和軸向磨損量進行跟蹤測量，并完整記錄到一套表格資料中，為后續(xù)維修決策提供依據(jù)[6-8]。

5 結(jié)束語

本文通過分析回轉(zhuǎn)機構(gòu)的工作原理，指出海上平臺基座式起重機回轉(zhuǎn)支承的常見故障，并提出檢查的方法與磨損允許值，且通過多個實例得到驗證，能給其他類似設(shè)備提供重要的借鑒和參考。

最后結(jié)合回轉(zhuǎn)支承的故障原因，本文還給出了針對回轉(zhuǎn)支承的使用與維護建議，給現(xiàn)場的使用者和管理提供切實可行的使用維護方法。