面向復(fù)雜海況的輸油旋轉(zhuǎn)接頭軸承選型

摘" " 要：本文結(jié)合作者單位研制的30萬噸級(jí)油船單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)接頭實(shí)際情況，綜合考慮海上單點(diǎn)系泊輸油對(duì)旋轉(zhuǎn)接頭軸承提出的特殊需求，對(duì)旋轉(zhuǎn)接頭軸承承受的環(huán)境載荷進(jìn)行了計(jì)算分析，同時(shí)開展技術(shù)型式論證以及承載能力校核，最終確定了面向復(fù)雜海況的輸油旋轉(zhuǎn)接頭的軸承。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)吸c(diǎn)系泊；旋轉(zhuǎn)接頭；環(huán)境載荷；軸承選型

中圖分類號(hào)：P751" " " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)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(diǎn)系泊輸油系統(tǒng)，是指系泊在系泊點(diǎn)的油船，隨著風(fēng)、浪和海流的變化而繞著單點(diǎn)自由回轉(zhuǎn)，從而始終地處于風(fēng)、浪、流合力最小方向的系泊輸油系統(tǒng)[1]。單點(diǎn)系泊輸油系統(tǒng)的主要技術(shù)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(duì)低、輸油流量特別大等特點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)接頭是單點(diǎn)系泊輸油系統(tǒng)中最關(guān)鍵的組成部分，是保證單點(diǎn)系泊系統(tǒng)固定部分（一般是海底管線）和轉(zhuǎn)動(dòng)部分（一般是大型油船）之間進(jìn)行流體連續(xù)安全輸送的關(guān)鍵裝置[2]。旋轉(zhuǎn)接頭裝置處于露天海況下，在滿足輸油有關(guān)強(qiáng)度需求的基礎(chǔ)上，還要考慮由風(fēng)、浪、流等引起的姿態(tài)變化和運(yùn)動(dòng)的載荷，此外還應(yīng)考慮海上鹽霧環(huán)境和輸送介質(zhì)的腐蝕。

旋轉(zhuǎn)接頭軸承是單點(diǎn)系泊系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)接頭中最重要的部件之一，如圖1所示，由滾動(dòng)體和帶滾道的內(nèi)、外滾圈構(gòu)成，用以連接旋轉(zhuǎn)接頭的上、下環(huán)，承受外部載荷，承擔(dān)支承、旋轉(zhuǎn)、固定、密封、防腐等多種功能于一體[3]。

與普通滾動(dòng)軸承相比，旋轉(zhuǎn)接頭軸承差異在于：

1）作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，旋轉(zhuǎn)接頭安裝在系泊浮筒上，其軸承承受惡劣海洋環(huán)境及鹽霧腐蝕影響；

2）精度要求高，確保旋轉(zhuǎn)接頭密封有效運(yùn)行；

3）旋轉(zhuǎn)接頭軸承結(jié)構(gòu)尺寸大，其回轉(zhuǎn)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(fù)雜多樣，需同時(shí)承受軸向載荷、徑向載荷和傾覆力矩的聯(lián)合作用，這些載荷隨著浮筒不規(guī)則運(yùn)動(dòng)而持續(xù)改變；

5）運(yùn)轉(zhuǎn)速度低，并且在多數(shù)場(chǎng)合下，軸承不作連續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而僅僅是在一定角度內(nèi)往返旋轉(zhuǎn)，相當(dāng)于“擺動(dòng)軸承”[4]；

6）為應(yīng)對(duì)離岸維修保障困難問題，需要具備較高的可靠性。

2" " 旋轉(zhuǎn)接頭軸承外部載荷分析

轉(zhuǎn)盤軸承裝置能承受很多的載荷，根據(jù)其使用的場(chǎng)景的不同，其載荷的類型以及大小都有所不同，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析。

2.1" "旋轉(zhuǎn)接頭水動(dòng)力運(yùn)動(dòng)仿真分析

旋轉(zhuǎn)接頭所在的浮筒屬于懸鏈?zhǔn)絾吸c(diǎn)系泊裝置的海上部分，主要系泊30萬噸級(jí)以下大型油輪，保證在正常作業(yè)條件下油輪能夠安全作業(yè)，在100年一遇條件下系統(tǒng)自身能夠安全生存。旋轉(zhuǎn)接頭安裝在浮筒上端的中心位置，其定環(huán)法蘭下端與浮筒安裝基座固定連接，軸承連接旋轉(zhuǎn)接頭定環(huán)及以下的固定部分與動(dòng)環(huán)及以上的旋轉(zhuǎn)部分，實(shí)現(xiàn)兩部分做同軸相對(duì)旋轉(zhuǎn)的功能，如圖2所示。

由于旋轉(zhuǎn)接頭與浮筒固定連接，當(dāng)浮筒在風(fēng)浪流等環(huán)境力的作用下產(chǎn)生一定的位移運(yùn)動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)接頭也產(chǎn)生相應(yīng)的姿態(tài)變化和運(yùn)動(dòng)加速度。因此，旋轉(zhuǎn)接頭軸承除了承受介質(zhì)壓力引起的軸向拉力外，還要考慮旋轉(zhuǎn)接頭姿態(tài)變化產(chǎn)生的重力傾覆力矩以及浮筒運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的加速度。

為了確定旋轉(zhuǎn)接頭極限工況運(yùn)動(dòng)參數(shù)，采用水動(dòng)力分析軟件進(jìn)行懸鏈?zhǔn)絾吸c(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值分析。根據(jù)選定的海洋環(huán)境，對(duì)不同的風(fēng)浪流工況組合進(jìn)行了系泊系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)及受力分析，以獲得浮筒的位移和運(yùn)動(dòng)加速度。根據(jù)分析結(jié)果，可知在浮筒極限工況下，旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)接頭外部載荷分析

1）旋轉(zhuǎn)接頭傾覆力矩分析

根據(jù)水動(dòng)力分析結(jié)果，得到旋轉(zhuǎn)接頭最大傾斜姿態(tài)，如圖3所示。圖中，G1是旋轉(zhuǎn)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(zhì)量m部件和重心高度數(shù)據(jù)均由在ANSYS中建立的旋轉(zhuǎn)接頭的三維模型給出。

除此旋轉(zhuǎn)接頭本體重量之外，工作中旋轉(zhuǎn)接頭腔內(nèi)的介質(zhì)的重量也應(yīng)考慮。在ANSYS軟件中獲得旋轉(zhuǎn)接頭軸承以上該部分原油的體積，繼而計(jì)算出其質(zhì)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(dāng)浮筒傾斜時(shí)，以上部分重力作用線偏離軸承的中心線位置，從而產(chǎn)生重力傾覆力矩。浮筒達(dá)到最大傾斜角度30°時(shí)，可計(jì)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(zhuǎn)接頭的運(yùn)動(dòng)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(jì)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(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)接頭軸承軸向拉力分析

旋轉(zhuǎn)接頭軸承軸向拉力主要是介質(zhì)壓力產(chǎn)生的，為：

F軸向=πD2 ·P/4 （1）

式中：P為介質(zhì)壓力，取2.5 MPa；D為旋轉(zhuǎn)接頭主體內(nèi)徑尺寸，取0.915 m。代入計(jì)算得：

F軸向=1 643.9 kN

3" " "旋轉(zhuǎn)接頭軸承設(shè)計(jì)選型

3.1" "軸承形式選型論證

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

單排四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承成本較低，且綜合性能較高，但其運(yùn)動(dòng)精度較低[6]。

雙排四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承使用壽命長(zhǎng)，承載能力強(qiáng)，回轉(zhuǎn)阻力小，允許磨損量大，對(duì)安裝基座要求不高[7]；但是，雙排四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承運(yùn)動(dòng)精度較低，而滾動(dòng)體與滾道為點(diǎn)接觸，在受力較大時(shí)鋼球與滾道易產(chǎn)生彈性變形，影響系泊系統(tǒng)密封性。

單排交叉滾柱式回轉(zhuǎn)支承精度高，壽命長(zhǎng)，動(dòng)載荷容量較高，剛度高于四點(diǎn)接觸球式。但對(duì)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(shí)易發(fā)生邊緣效應(yīng)進(jìn)而導(dǎo)致邊緣實(shí)際應(yīng)力超標(biāo)。

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

三排滾柱回轉(zhuǎn)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(fù)荷， 而在徑向方向采用一排直徑較小的滾柱承受徑向負(fù)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(qiáng)，同時(shí)軸向和徑向精度分別有不同的滾動(dòng)體控制，易于實(shí)現(xiàn)較高的精度。

綜上對(duì)比分析，三排滾柱回轉(zhuǎn)支承更能滿足該旋轉(zhuǎn)接頭裝置作業(yè)工況需求。旋轉(zhuǎn)接頭軸承采用三排滾柱回轉(zhuǎn)支承更為合理。

3.2" "軸承材料及技術(shù)方案

根據(jù)可靠性要求和海上環(huán)境使用要求，結(jié)合軸承行業(yè)現(xiàn)有的市場(chǎng)配套條件，確定軸承材料和技術(shù)形式，如表1所示。

軸承內(nèi)外圈采用42 CrMo材料。42 CrMo屬于超高強(qiáng)度鋼，具有高強(qiáng)度和韌性，調(diào)質(zhì)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(yīng)生成一層致密的氧化鉻膜，能有效阻止表面的進(jìn)一步腐蝕[9]。同樣，合金中的鉻元素可以與酸性物質(zhì)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的鈍化膜，從而能夠減緩酸的腐蝕速度。

在軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，為防止海上鹽霧腐蝕滾道，回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)圈、外圈之間的防塵密封圈采用耐老化材料，在軸承內(nèi)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(jié)構(gòu)為雙半內(nèi)圈的三排圓柱滾子轉(zhuǎn)盤軸承，精度等級(jí)為 P5級(jí)，旋轉(zhuǎn)精度設(shè)計(jì)要求：軸向跳動(dòng)小于0.05mm，端面平面度要求小于0.04 mm，徑向跳動(dòng)小于0.08mm。 實(shí)測(cè)端面跳動(dòng)：0.03 mm，徑向跳動(dòng)0.04mm?？蛰d啟動(dòng)摩擦力矩 490 N·m，圓周力矩變化 40 N·m。

根據(jù)所選的三排滾柱回轉(zhuǎn)支承承載能力曲線圖可知，經(jīng)計(jì)算得出的靜態(tài)載荷點(diǎn)a在靜態(tài)承載曲線下方，如圖5所示。

經(jīng)核算，回轉(zhuǎn)支承要承受的載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yán)重。

為保證軸承運(yùn)轉(zhuǎn)可靠和使用壽命，該回轉(zhuǎn)支承采用二硫化鉬極壓鋰基潤(rùn)滑脂，因旋轉(zhuǎn)接頭本體強(qiáng)度要求高，不考慮在本體裝設(shè)自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)，本旋轉(zhuǎn)接頭采用人工注脂。

4" " "結(jié)語

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)處于風(fēng)、浪、流、潮水和鹽霧交替作用之下，一旦發(fā)生事故，救援困難，要求旋轉(zhuǎn)接頭軸承必須具有更高的安全性；由于海上設(shè)施離岸維修條件差、檢修周期長(zhǎng)，也要求旋轉(zhuǎn)接頭軸承性能可靠、經(jīng)久耐用。因此，軸承的正確選型、設(shè)計(jì)、制造，是保證旋轉(zhuǎn)接頭正常工作的關(guān)鍵。

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