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(jī)是海上油氣開(kāi)采平臺(tái)上的關(guān)鍵設(shè)備，負(fù)責(zé)平臺(tái)上或與供給船之間的物資運(yùn)移，對(duì)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(jī)上部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)與平臺(tái)固定基座相連接的重要且唯一的部件，對(duì)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(lái)看，回轉(zhuǎn)支承故障損壞不但產(chǎn)生幾十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)的維修費(fèi)用，還導(dǎo)致吊機(jī)停用3～6個(gè)月不等，給平臺(tái)的正常生產(chǎn)生活造成很大的影響和較大的經(jīng)濟(jì)損失。

回轉(zhuǎn)支承的設(shè)計(jì)使用壽命是與平臺(tái)起重機(jī)的設(shè)計(jì)壽命相一致的，隨著使用年限的不斷增加，部分起重機(jī)會(huì)處于超期服役狀態(tài)。而針對(duì)回轉(zhuǎn)支承的相關(guān)報(bào)廢指標(biāo)，中國(guó)也沒(méi)有明確的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

本文將針對(duì)海上平臺(tái)基座式起重機(jī)的回轉(zhuǎn)支承故障損壞的問(wèn)題，從工作原理和使用工況兩個(gè)方面進(jìn)行系統(tǒng)性地分析。基于多次的故障案例數(shù)據(jù)和回轉(zhuǎn)支承生產(chǎn)廠家的相關(guān)手冊(cè)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(bào)廢技術(shù)指標(biāo)。最后，針對(duì)回轉(zhuǎn)支承故障分析方法與判斷指標(biāo)，進(jìn)行多臺(tái)設(shè)備的真實(shí)數(shù)據(jù)驗(yàn)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)提供幫助，并為其他類似設(shè)備運(yùn)維提供參考[1]。

1 起重機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作原理

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的作用是實(shí)現(xiàn)起重機(jī)上部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)連同吊臂一起旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，該機(jī)構(gòu)包括回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)小齒輪、回轉(zhuǎn)支承、基座、上部轉(zhuǎn)臺(tái)等部件[2]，如圖1所示。

圖1 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成

1.1 回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)齒輪

海上平臺(tái)基座式起重機(jī)是通過(guò)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞與動(dòng)作控制，液壓泵組提供的高壓油液經(jīng)過(guò)多路換向閥的控制，進(jìn)入回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)進(jìn)行做功，做完功的低壓油液排回油箱，最終實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(jī)械能，再通過(guò)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(dòng)其以實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。回轉(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(tái)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(tái)基座式起重機(jī)選用的回轉(zhuǎn)支承一般為兩種：一種是單排四點(diǎn)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(dòng)齒圈。滾動(dòng)體運(yùn)行接觸的滾道表面，以及驅(qū)動(dòng)小齒輪與大齒圈嚙合的輪齒表面，均經(jīng)過(guò)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(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中，回轉(zhuǎn)支承承受著整機(jī)自重和外在負(fù)載所帶來(lái)的垂直載荷與傾覆力矩，受力情況非常惡劣，因此對(duì)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(diǎn)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(tái)基座式起重機(jī)，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為美國(guó)石油學(xué)會(huì)發(fā)布的API Spec-2C《海上平臺(tái)基座式起重》。規(guī)范要求回轉(zhuǎn)支承在設(shè)計(jì)選型時(shí)，承載安全系數(shù)至少比其他部件的設(shè)計(jì)要高出1.5倍，安全系數(shù)比較高，在多年的使用過(guò)程中也很少發(fā)生起重機(jī)上部結(jié)構(gòu)整體傾覆掉落的情況[3]?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在長(zhǎng)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(jī)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(dòng)小齒輪與回轉(zhuǎn)支承大齒圈之間的有效嚙合，實(shí)現(xiàn)了回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力的傳遞，最終實(shí)現(xiàn)了起重機(jī)的回轉(zhuǎn)動(dòng)作。而小齒輪與大齒圈之間均為開(kāi)式嚙合傳動(dòng)，并且長(zhǎng)期處于海上多鹽霧、高潮濕的惡劣環(huán)境，使得齒面上的潤(rùn)滑脂很快脫落，不能有效起到潤(rùn)滑和保護(hù)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(dòng)作的空行程會(huì)加長(zhǎng)，尤其在有水平風(fēng)載的情況下，更會(huì)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(cè)中給出了回轉(zhuǎn)支承大齒圈與驅(qū)動(dòng)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(duì)渤海區(qū)域某兩個(gè)平臺(tái)起重機(jī)回轉(zhuǎn)支承評(píng)估檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)了齒面磨損嚴(yán)重的情況，如圖5所示。

同時(shí)對(duì)齒面磨損量也進(jìn)行了實(shí)測(cè)，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(yàn)證了海上環(huán)境的惡劣影響對(duì)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(cè)量表

2.2 滾道及滾動(dòng)體故障

在起重機(jī)的回轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)，回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)圈與外圈之間通過(guò)滾動(dòng)體的滾動(dòng)接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。海上平臺(tái)用的起重機(jī)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(dòng)體和滾道上面。另外，在風(fēng)浪和供給船舶的運(yùn)動(dòng)作用下，會(huì)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(huì)出現(xiàn)回轉(zhuǎn)支承的軸向間隙增大。而當(dāng)磨損嚴(yán)重時(shí)，回轉(zhuǎn)支承在動(dòng)作時(shí)則會(huì)出現(xiàn)異響，或在內(nèi)外圈滑動(dòng)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(gè)平臺(tái)起重機(jī)的回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行了拆解。從拆檢結(jié)果來(lái)看，當(dāng)出現(xiàn)間隙增大至4～6 mm時(shí)，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(shí)，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(guò)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(duì)兩方面磨損值的測(cè)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(tái)起重機(jī)一般處于平臺(tái)上的最高點(diǎn)，所處位置環(huán)境惡劣，無(wú)法使用精密儀器進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)使用嚙合間隙測(cè)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(gè)點(diǎn)，利用起重機(jī)的回轉(zhuǎn)動(dòng)作，將驅(qū)動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)到預(yù)定的第1個(gè)點(diǎn)位；清潔周邊的潤(rùn)滑脂及污漬等。如圖7所示，利用塞尺分別測(cè)量嚙合輪齒的兩側(cè)，按下式計(jì)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(cè)量

根據(jù)上述方法，再依次測(cè)量第2～8個(gè)點(diǎn)位，分別將數(shù)據(jù)記錄在表格中，查看各點(diǎn)位的磨損量是否超過(guò)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(jì)算得來(lái)，為0.15m，m 為齒輪的模數(shù)。

同時(shí)將每次定期檢查的測(cè)量值做長(zhǎng)期地對(duì)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(shì)，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(cè)量是回轉(zhuǎn)支承定期檢查的重點(diǎn)內(nèi)容。對(duì)磨損量的長(zhǎng)期跟蹤，能夠提早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，避免設(shè)備出現(xiàn)計(jì)劃外的停機(jī)，減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失?；剞D(zhuǎn)支承滾道系統(tǒng)的磨損量測(cè)量，海上最容易實(shí)現(xiàn)的是采用傾翻法進(jìn)行，即按照?qǐng)D8所示固定百分表。測(cè)量時(shí)，要盡量避免因周邊鋼結(jié)構(gòu)的變形對(duì)測(cè)量值的影響，故要將測(cè)量點(diǎn)盡量靠近滾道中心。

在設(shè)備剛組裝完投入使用前，要進(jìn)行參照測(cè)量，步驟為：選取回轉(zhuǎn)支承上均布的8 個(gè)點(diǎn)位，并做好標(biāo)記；將空載下的吊臂旋轉(zhuǎn)至待測(cè)量的第1 個(gè)點(diǎn)位，同時(shí)將變幅角度下放至工作角度的最低值，測(cè)量標(biāo)記點(diǎn)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(gè)點(diǎn)位達(dá)到測(cè)量位置，進(jìn)行記錄，以此類推，直至將全部8 個(gè)點(diǎn)位測(cè)量完成。在后期的使用過(guò)程中，一定時(shí)間后利用同樣的方法進(jìn)行測(cè)量，且測(cè)量同一點(diǎn)位，即可掌握回轉(zhuǎn)支承的磨損趨勢(shì)。

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(dòng)體規(guī)格相對(duì)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(shí)，則應(yīng)及時(shí)報(bào)廢、更換。

圖8 滾道系統(tǒng)磨損測(cè)量

表2 四點(diǎn)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(hù)

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

（2）為了及時(shí)跟蹤回轉(zhuǎn)支承磨損面的情況，每6 個(gè)月需要對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)齒輪嚙合尺側(cè)間隙和軸向磨損量進(jìn)行跟蹤測(cè)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(yǔ)

本文通過(guò)分析回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作原理，指出海上平臺(tái)基座式起重機(jī)回轉(zhuǎn)支承的常見(jiàn)故障，并提出檢查的方法與磨損允許值，且通過(guò)多個(gè)實(shí)例得到驗(yàn)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(duì)回轉(zhuǎn)支承的使用與維護(hù)建議，給現(xiàn)場(chǎng)的使用者和管理提供切實(shí)可行的使用維護(hù)方法。