項(xiàng) 凱

(中海油田服務(wù)股份有限公司，北京 101149)

0 引言

將軍柱式吊機(jī)(Kingpost Crane)在海洋石油鉆采平臺(tái)上應(yīng)用廣泛，在浮式、固定式鉆井平臺(tái)及導(dǎo)管架生產(chǎn)平臺(tái)上均有使用。將軍柱式吊機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡潔、安全性高的特點(diǎn)，其所特有的十字頭軸承結(jié)構(gòu)的應(yīng)用、檢修及更換一直是吊機(jī)維護(hù)工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。每次檢修或更換故障軸承時(shí)，需要拆卸大量的相關(guān)部件，若遇到疑難狀況甚至?xí)?dǎo)致吊機(jī)長時(shí)間的停機(jī)，進(jìn)而影響整個(gè)平臺(tái)的作業(yè)計(jì)劃。

本文以實(shí)際工作中接觸過的將軍柱吊機(jī)典型的十字頭軸承結(jié)構(gòu)為對象，介紹十字頭軸承的結(jié)構(gòu)原理，并對幾個(gè)典型的十字頭軸承故障案例進(jìn)行分析，然后針對某品牌將軍柱吊機(jī)制定其十字頭軸承修復(fù)及更換技術(shù)要點(diǎn)，最后結(jié)合理論與一線作業(yè)經(jīng)驗(yàn)提出十字頭軸承的結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議。

1 十字頭軸承結(jié)構(gòu)及原理

將軍柱吊機(jī)主要特征是吊機(jī)中央有一中柱，吊機(jī)回轉(zhuǎn)體繞中柱的上下軸承旋轉(zhuǎn)，如圖1所示。上軸承即為十字頭軸承，安裝在柱頭銷處，可承受吊機(jī)整機(jī)自重及吊載載荷。十字頭軸承結(jié)構(gòu)通常由徑向軸承和軸向推力軸承兩部分組成，徑向軸承連同吊機(jī)下軸承承受整機(jī)傾覆力矩，軸向推力軸承承受整機(jī)垂向載荷。鑒于十字頭軸承受力形式及重載作業(yè)特點(diǎn)，徑向軸承一般選用優(yōu)質(zhì)耐磨尼龍材質(zhì)，軸向推力軸承常選用鋼質(zhì)調(diào)心滾子軸承或尼龍軸承。圖2為兩種不同的十字頭軸承結(jié)構(gòu)，圖2(a)為鋼質(zhì)調(diào)心推力軸承，圖2(b)為徑向尼龍軸承。

圖1 十字頭軸承結(jié)構(gòu)原理Fig.1 Structural principle of crosshead bearing

圖2 典型十字頭軸承結(jié)構(gòu)Fig.2 The structures of typical crosshead bearing

2 十字頭軸承故障案例

2.1 故障案例1

某自升式鉆井平臺(tái)將軍柱吊機(jī)十字頭軸承出現(xiàn)碎裂現(xiàn)象，軸承損壞嚴(yán)重，導(dǎo)致吊機(jī)回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)與將軍柱出現(xiàn)硬接觸，直接影響吊機(jī)的正常作業(yè)。如圖3所示，徑向軸承由于壓潰而出現(xiàn)撕裂性損壞。

圖3 損壞的徑向軸承Fig.3 Damaged radial bearing

導(dǎo)致此故障的原因主要有兩個(gè)方面。首先，鉆井平臺(tái)甲板吊機(jī)有舷內(nèi)作業(yè)和舷外作業(yè)兩種模式，而舷外作業(yè)受供給船運(yùn)動(dòng)、海上風(fēng)浪流的影響，其作業(yè)中受到?jīng)_擊較大，將軍柱吊機(jī)自身巨大的中柱體在回轉(zhuǎn)過程中的晃動(dòng)也較大，導(dǎo)致十字頭軸承頻繁承受重載沖擊載荷及循環(huán)應(yīng)力；另外，尼龍軸承雖具有易于維護(hù)的特點(diǎn)，但在瞬時(shí)極端沖擊載荷下變形和粘滯效應(yīng)明顯，在潤滑不良時(shí)更易導(dǎo)致此類故障發(fā)生。

2.2 故障案例2

某半潛式鉆井平臺(tái)將軍柱吊機(jī)十字頭推力軸承上下座體出現(xiàn)切削現(xiàn)象，切削的金屬碎屑進(jìn)入滾道，嚴(yán)重影響吊機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。如圖4所示為損壞的軸向推力軸承上下座體。

圖4 損壞的調(diào)心滾子推力軸承Fig.4 Damaged self-aligning roller thrust bearing

導(dǎo)致此故障的原因主要有兩個(gè)方面。一是半潛式平臺(tái)橫傾、縱傾角比較大，吊機(jī)的作業(yè)環(huán)境惡劣，吊機(jī)回轉(zhuǎn)體與將軍柱的相對偏轉(zhuǎn)偏大，具有調(diào)心作用的推力軸承上下座體就會(huì)有碰觸的可能，這樣兩者就會(huì)有啃咬現(xiàn)象；二是吊機(jī)由于長期高負(fù)載作業(yè)，會(huì)導(dǎo)致將軍柱柱頭銷變形，從而使吊機(jī)十字頭軸承和下軸承的同軸度變差，這時(shí)調(diào)心滾子推力軸承將持續(xù)在偏轉(zhuǎn)一定角度下旋轉(zhuǎn)，一段時(shí)間后上下座體就會(huì)發(fā)生碰觸切削。此外，如果推力軸承上下座體之間的間隙偏小，軸承在承受大傾覆載荷正常調(diào)心偏轉(zhuǎn)時(shí)，上下座體很容易接觸發(fā)生破壞。

3 十字頭軸承更換技術(shù)要點(diǎn)

將軍柱吊機(jī)十字頭軸承需要每日進(jìn)行潤滑維護(hù)，每年進(jìn)行拆檢。一旦出現(xiàn)故障，一般需要更換徑向軸承，更換徑向軸承相對比較簡單，只需將滑環(huán)和上壓蓋打開就可以進(jìn)行操作。但若出現(xiàn)如故障案例2中的推力軸承故障時(shí)，就需要將整個(gè)回轉(zhuǎn)體頂升后，才能進(jìn)行更換作業(yè)。通常尼龍材質(zhì)十字頭徑向軸承在其徑向厚度方向磨損量超過5 mm時(shí)需要更換，尼龍材質(zhì)軸向推力軸承在軸向厚度方向磨損量超過10 mm時(shí)需要換新。以下為十字頭軸承結(jié)構(gòu)更換技術(shù)流程。

3.1 準(zhǔn)備工作

①將臂架置于臂架擱置架；②布置作業(yè)區(qū)安全警戒線；③將扒桿絞車適當(dāng)松繩，松繩程度以確保后續(xù)更換作業(yè)臂架形態(tài)安全為準(zhǔn)；④吊機(jī)停機(jī)。

3.2 更換作業(yè)技術(shù)流程

(1)在回轉(zhuǎn)體上門架軸向推力軸承附近焊接工裝焊件，準(zhǔn)備4件8.8級全螺紋六角頭螺栓，并將其安裝于前述工裝焊件上，見圖5。焊接時(shí)務(wù)必按照標(biāo)準(zhǔn)焊接規(guī)程進(jìn)行工裝焊件的焊接，以免對門架造成損傷。

圖5 焊接工裝焊件Fig.5 Welding tooling weldment

(2)拆除滑環(huán)，斷開進(jìn)氣管及電纜，注意做好防護(hù)，以免氣管及電纜墜入將軍柱內(nèi)。

(3)拆除回轉(zhuǎn)限位組件。

(4)拆除十字頭徑向軸承頂部蓋板，見圖6。

圖6 拆除軸承頂部蓋板Fig.6 Removing bearing top cover plate

(5)拆除十字頭軸承及下軸承潤滑組件。

(6)在將軍柱大齒圈有加強(qiáng)筋板位置處放置3件千斤頂，千斤頂下襯墊25 mm厚鋼板，以保護(hù)大齒圈，見圖7。

圖7 加鋼板襯墊Fig.7 Pad with steel plate

(7)3件千斤頂同步頂升，將門架(吊機(jī)回轉(zhuǎn)體)整體頂升50～60 mm，見圖8。

圖8 頂升門架Fig.8 Jacking gantry upward

(8)在靠近千斤頂位置放置3件同高度的鋼柱或墊木，以防千斤頂失效垮塌。

(9)調(diào)整步驟(2)中的4件工裝螺栓，使將軍柱柱頭銷與上門架同軸心，以便十字頭徑向軸承能順利取出，見圖9。

圖9 調(diào)整將軍柱柱頭銷軸心Fig.9 Adjusting the axis of column head pin

(10)使用2件帶有螺紋的吊桿，將十字頭徑向軸承取出更換，見圖10。

圖10 取出十字頭徑向軸承Fig.10 Taking out crosshead radial bearing

(11)更換十字頭軸向推力軸承(一般為3瓣)。

(12)卸力頂部工裝螺栓，移除將軍柱大齒圈上的支承鋼柱，將步驟(7)、(8)、(9)所述的千斤頂縮降直至門架(吊機(jī)回轉(zhuǎn)體)復(fù)位。

(13)重新裝配十字頭徑向軸承頂部蓋板。

(14)重新連接滑環(huán)進(jìn)氣管和電纜。

(15)重新裝配回轉(zhuǎn)限位組件和滑環(huán)。

(16)重新裝配十字頭軸承及下軸承潤滑組件，并對十字頭軸承及下軸承進(jìn)行充分潤滑。

(17)移除千斤頂及墊板，更換作業(yè)結(jié)束。

4 十字頭軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議

結(jié)合前述故障案例和更換技術(shù)流程，給出以下優(yōu)化建議：

(1)調(diào)心滾子推力軸承座的設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮重載傾覆力矩下的大偏轉(zhuǎn)，確保上下座體之間有足夠的間隙，容納偏轉(zhuǎn)角。

(2)選用性能更好的非金屬材料。例如，目前普遍采用的Nylon GSM在重載且潤滑不足時(shí)會(huì)有粘滯效應(yīng)，造成吊機(jī)回轉(zhuǎn)卡頓，而性能更好的Nylon 703則不會(huì)有此問題；此外，非金屬熱固材質(zhì)的軸承在海工領(lǐng)域的應(yīng)用得到普遍的認(rèn)可，其具有自潤滑、易維護(hù)、耐磨損等諸多優(yōu)點(diǎn)，建議適當(dāng)選擇此類材質(zhì)替代鋼制軸承或尼龍軸承。

(3)優(yōu)化將軍柱的加工制造工藝，以獲得將軍柱柱頭銷和下耐磨帶更好的同軸度，這樣十字頭軸承的偏磨會(huì)大幅減少，同時(shí)調(diào)心滾子推力軸承的偏轉(zhuǎn)也會(huì)得到更好的抑制。

(4)將十字頭軸承的推力軸承設(shè)計(jì)成球面滑動(dòng)軸承，如圖11所示結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能很好地適應(yīng)吊機(jī)作業(yè)時(shí)結(jié)構(gòu)的大角度傾覆翻轉(zhuǎn)。經(jīng)過與吊機(jī)廠家聯(lián)合技術(shù)推進(jìn)，該方案的詳細(xì)設(shè)計(jì)將在后續(xù)某平臺(tái)吊機(jī)上進(jìn)行驗(yàn)證試用。

圖11 球面推力軸承與徑向軸承Fig.11 Spherical thrust bearing and radial bearing

5 結(jié)語

海工鉆采領(lǐng)域有大量的將軍柱吊機(jī)在使用，十字頭軸承結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)吊機(jī)帶載回轉(zhuǎn)作業(yè)的關(guān)鍵部件，本文結(jié)合故障分析和維保更換技術(shù)梳理的基礎(chǔ)上，給出了該結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向，一些工程實(shí)踐表明，這些工作將大幅延長此類吊機(jī)的作業(yè)壽命。