面向復雜海況的輸油旋轉接頭軸承選型

摘" " 要：本文結合作者單位研制的30萬噸級油船單點系泊系統的旋轉接頭實際情況，綜合考慮海上單點系泊輸油對旋轉接頭軸承提出的特殊需求，對旋轉接頭軸承承受的環境載荷進行了計算分析，同時開展技術型式論證以及承載能力校核，最終確定了面向復雜海況的輸油旋轉接頭的軸承。

關鍵詞：單點系泊；旋轉接頭；環境載荷；軸承選型

中圖分類號：P751" " " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

Selection of Oil Transfer Swivel Bearings for Complex Sea Condition

DENG Hongbi，" QIU Jicheng

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation，" Guangzhou 510250， China ）

Abstract： In this paper， based on the actual situation of swivel device of single point mooring system for 300，000-ton oil tanker developed by the author’s company， and comprehensively considering the special requirements of offshore single point mooring oil transfer on swivel device bearing， the environmental load borne by swivel device bearings was calculated and analyzed， and the technical type demonstration and bearing capacity verification were carried out. Finally， the bearing type of the oil transfer rotary joint for complex sea conditions was determined.

Key words： single point mooring;" swivel;" environmental load;" bearing selection

1" " "引言

海上單點系泊輸油系統，是指系泊在系泊點的油船，隨著風、浪和海流的變化而繞著單點自由回轉，從而始終地處于風、浪、流合力最小方向的系泊輸油系統[1]。單點系泊輸油系統的主要技術型式之一是替代固定式油碼頭的原油接卸終端，具有系泊油船噸位大、輸油壓力相對低、輸油流量特別大等特點。旋轉接頭是單點系泊輸油系統中最關鍵的組成部分，是保證單點系泊系統固定部分（一般是海底管線）和轉動部分（一般是大型油船）之間進行流體連續安全輸送的關鍵裝置[2]。旋轉接頭裝置處于露天海況下，在滿足輸油有關強度需求的基礎上，還要考慮由風、浪、流等引起的姿態變化和運動的載荷，此外還應考慮海上鹽霧環境和輸送介質的腐蝕。

旋轉接頭軸承是單點系泊系統旋轉接頭中最重要的部件之一，如圖1所示，由滾動體和帶滾道的內、外滾圈構成，用以連接旋轉接頭的上、下環，承受外部載荷，承擔支承、旋轉、固定、密封、防腐等多種功能于一體[3]。

與普通滾動軸承相比，旋轉接頭軸承差異在于：

1）作業環境復雜，旋轉接頭安裝在系泊浮筒上，其軸承承受惡劣海洋環境及鹽霧腐蝕影響；

2）精度要求高，確保旋轉接頭密封有效運行；

3）旋轉接頭軸承結構尺寸大，其回轉直徑通常在0.4 m以上，軸承通過螺栓固定在上、下支撐體上；

4）外部載荷形式復雜多樣，需同時承受軸向載荷、徑向載荷和傾覆力矩的聯合作用，這些載荷隨著浮筒不規則運動而持續改變；

5）運轉速度低，并且在多數場合下，軸承不作連續回轉運動，而僅僅是在一定角度內往返旋轉，相當于“擺動軸承”[4]；

6）為應對離岸維修保障困難問題，需要具備較高的可靠性。

2" " 旋轉接頭軸承外部載荷分析

轉盤軸承裝置能承受很多的載荷，根據其使用的場景的不同，其載荷的類型以及大小都有所不同，需要根據實際情況進行分析。

2.1" "旋轉接頭水動力運動仿真分析

旋轉接頭所在的浮筒屬于懸鏈式單點系泊裝置的海上部分，主要系泊30萬噸級以下大型油輪，保證在正常作業條件下油輪能夠安全作業，在100年一遇條件下系統自身能夠安全生存。旋轉接頭安裝在浮筒上端的中心位置，其定環法蘭下端與浮筒安裝基座固定連接，軸承連接旋轉接頭定環及以下的固定部分與動環及以上的旋轉部分，實現兩部分做同軸相對旋轉的功能，如圖2所示。

由于旋轉接頭與浮筒固定連接，當浮筒在風浪流等環境力的作用下產生一定的位移運動時，旋轉接頭也產生相應的姿態變化和運動加速度。因此，旋轉接頭軸承除了承受介質壓力引起的軸向拉力外，還要考慮旋轉接頭姿態變化產生的重力傾覆力矩以及浮筒運動產生的加速度。

為了確定旋轉接頭極限工況運動參數，采用水動力分析軟件進行懸鏈式單點系泊系統進行數值分析。根據選定的海洋環境，對不同的風浪流工況組合進行了系泊系統的運動及受力分析，以獲得浮筒的位移和運動加速度。根據分析結果，可知在浮筒極限工況下，旋轉接頭傾斜角為30°，最大加速度為7.38 m/s2，可分解為水平分量和垂直分量，分別為7.14 m/s2和1.85 m/s2。

2.2" "旋轉接頭外部載荷分析

1）旋轉接頭傾覆力矩分析

根據水動力分析結果，得到旋轉接頭最大傾斜姿態，如圖3所示。圖中，G1是旋轉接頭上由軸承承載部件的重量，其值為37 456 N；這部分部件的重心高度H1為0.905 m。部件質量m部件和重心高度數據均由在ANSYS中建立的旋轉接頭的三維模型給出。

除此旋轉接頭本體重量之外，工作中旋轉接頭腔內的介質的重量也應考慮。在ANSYS軟件中獲得旋轉接頭軸承以上該部分原油的體積，繼而計算出其質量m原油為1 217 kg，重量G2為11 932 N，這部分原油的重心高度H2為0.998 m。

當浮筒傾斜時，以上部分重力作用線偏離軸承的中心線位置，從而產生重力傾覆力矩。浮筒達到最大傾斜角度30°時，可計算作用于軸承的重力傾覆力矩：

M重力= G1 H1sin30°+G2 H2sin30°=16 948.84 N·m

旋轉接頭的運動加速度引起的傾覆力矩可由水平加速度與垂直加速度的影響的疊加計算，公式如下：

M慣性=（m部件a垂直H1+ m原油a垂直H2）sin30°+（m部件a水平H1+m原油a水平H2）cos30°

代入數值，得：

M慣性=33 221 N·m

綜上，考慮最大傾斜重力傾覆力矩與最大加速度傾覆力矩疊加的極端情況，旋轉接頭軸承承受的總傾覆力矩為：

M總= M重力+ M慣性=16 948. 84+33 221=50 169.84 N·m

2）旋轉接頭軸承軸向拉力分析

旋轉接頭軸承軸向拉力主要是介質壓力產生的，為：

F軸向=πD2 ·P/4 （1）

式中：P為介質壓力，取2.5 MPa；D為旋轉接頭主體內徑尺寸，取0.915 m。代入計算得：

F軸向=1 643.9 kN

3" " "旋轉接頭軸承設計選型

3.1" "軸承形式選型論證

結合旋轉接頭海上作業受力特點，可供選擇的旋轉接頭軸承一般有單排四點接觸球式、雙排四點接觸球式、單排交叉滾柱式、三排滾柱式等形式[5]。

單排四點接觸球式回轉支承成本較低，且綜合性能較高，但其運動精度較低[6]。

雙排四點接觸球式回轉支承使用壽命長，承載能力強，回轉阻力小，允許磨損量大，對安裝基座要求不高[7]；但是，雙排四點接觸球式回轉支承運動精度較低，而滾動體與滾道為點接觸，在受力較大時鋼球與滾道易產生彈性變形，影響系泊系統密封性。

單排交叉滾柱式回轉支承精度高，壽命長，動載荷容量較高，剛度高于四點接觸球式。但對基座剛性和精度有較高要求，加工難度大，且滾子與滾道在接觸時易發生邊緣效應進而導致邊緣實際應力超標。

三排滾柱式回轉支承是一種具有非常高的承載能力的支承，能夠同時承受各種載荷，是四種回轉支承中承載能力較大的一種。

三排滾柱回轉支承在軸向方向上采用兩排直徑較大的滾柱來承受軸向負荷， 而在徑向方向采用一排直徑較小的滾柱承受徑向負荷，使得三排滾子軸承既有較高的承載能力和剛度，抵抗變形能力更強，同時軸向和徑向精度分別有不同的滾動體控制，易于實現較高的精度。

綜上對比分析，三排滾柱回轉支承更能滿足該旋轉接頭裝置作業工況需求。旋轉接頭軸承采用三排滾柱回轉支承更為合理。

3.2" "軸承材料及技術方案

根據可靠性要求和海上環境使用要求，結合軸承行業現有的市場配套條件，確定軸承材料和技術形式，如表1所示。

軸承內外圈采用42 CrMo材料。42 CrMo屬于超高強度鋼，具有高強度和韌性，調質處理后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力[8]。此外，42 CrMo還具有良好的耐腐蝕性能。其含有一定比例的鉻元素，能夠與氧氣反應生成一層致密的氧化鉻膜，能有效阻止表面的進一步腐蝕[9]。同樣，合金中的鉻元素可以與酸性物質反應，形成穩定的鈍化膜，從而能夠減緩酸的腐蝕速度。

在軸承結構設計上，為防止海上鹽霧腐蝕滾道，回轉支承的內圈、外圈之間的防塵密封圈采用耐老化材料，在軸承內套兩半圈間還增加了一道密封圈，密封圈材料同樣采用耐老化材料，如圖4所示。

3.3" "軸承承載能力校核

軸承結構為雙半內圈的三排圓柱滾子轉盤軸承，精度等級為 P5級，旋轉精度設計要求：軸向跳動小于0.05mm，端面平面度要求小于0.04 mm，徑向跳動小于0.08mm。 實測端面跳動：0.03 mm，徑向跳動0.04mm。空載啟動摩擦力矩 490 N·m，圓周力矩變化 40 N·m。

根據所選的三排滾柱回轉支承承載能力曲線圖可知，經計算得出的靜態載荷點a在靜態承載曲線下方，如圖5所示。

經核算，回轉支承要承受的載荷遠遠小于該支承額定能承受的載荷，這樣它的工作狀況是輕松的，滾道與滾柱的磨擦不嚴重。

為保證軸承運轉可靠和使用壽命，該回轉支承采用二硫化鉬極壓鋰基潤滑脂，因旋轉接頭本體強度要求高，不考慮在本體裝設自動潤滑系統，本旋轉接頭采用人工注脂。

4" " "結語

單點系泊系統處于風、浪、流、潮水和鹽霧交替作用之下，一旦發生事故，救援困難，要求旋轉接頭軸承必須具有更高的安全性；由于海上設施離岸維修條件差、檢修周期長，也要求旋轉接頭軸承性能可靠、經久耐用。因此，軸承的正確選型、設計、制造，是保證旋轉接頭正常工作的關鍵。

參考文獻

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