面向復雜海況的輸油旋轉(zhuǎn)接頭軸承選型

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

關(guān)鍵詞：單點系泊；旋轉(zhuǎn)接頭；環(huán)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(tǒng)，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(zhuǎn)，從而始終地處于風、浪、流合力最小方向的系泊輸油系統(tǒng)[1]。單點系泊輸油系統(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、輸油壓力相對低、輸油流量特別大等特點。旋轉(zhuǎn)接頭是單點系泊輸油系統(tǒng)中最關(guān)鍵的組成部分，是保證單點系泊系統(tǒng)固定部分（一般是海底管線）和轉(zhuǎn)動部分（一般是大型油船）之間進行流體連續(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)強度需求的基礎(chǔ)上，還要考慮由風、浪、流等引起的姿態(tài)變化和運動的載荷，此外還應考慮海上鹽霧環(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]。

與普通滾動軸承相比，旋轉(zhuǎn)接頭軸承差異在于：

1）作業(yè)環(huán)境復雜，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）外部載荷形式復雜多樣，需同時承受軸向載荷、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)則運動而持續(xù)改變；

5）運轉(zhuǎn)速度低，并且在多數(shù)場合下，軸承不作連續(xù)回轉(zhuǎn)運動，而僅僅是在一定角度內(nèi)往返旋轉(zhuǎn)，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(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)實際情況進行分析。

2.1" "旋轉(zhuǎn)接頭水動力運動仿真分析

旋轉(zhuǎn)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(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環(huán)及以上的旋轉(zhuǎn)部分，實現(xiàn)兩部分做同軸相對旋轉(zhuǎn)的功能，如圖2所示。

由于旋轉(zhuǎn)接頭與浮筒固定連接，當浮筒在風浪流等環(huán)境力的作用下產(chǎn)生一定的位移運動時，旋轉(zhuǎn)接頭也產(chǎn)生相應的姿態(tài)變化和運動加速度。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動產(chǎn)生的加速度。

為了確定旋轉(zhuǎn)接頭極限工況運動參數(shù)，采用水動力分析軟件進行懸鏈式單點系泊系統(tǒng)進行數(shù)值分析。根據(jù)選定的海洋環(huán)境，對不同的風浪流工況組合進行了系泊系統(tǒng)的運動及受力分析，以獲得浮筒的位移和運動加速度。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(chǎn)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(zhuǎn)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(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。代入計算得：

F軸向=1 643.9 kN

3" " "旋轉(zhuǎn)接頭軸承設計選型

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，可供選擇的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)支承使用壽命長，承載能力強，回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(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，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(fā)生邊緣效應進而導致邊緣實際應力超標。

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(xiàn)較高的精度。

綜上對比分析，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屬于超高強度鋼，具有高強度和韌性，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(zhì)反應，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)設計上，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，精度等級為 P5級，旋轉(zhuǎn)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(jù)所選的三排滾柱回轉(zhuǎn)支承承載能力曲線圖可知，經(jīng)計算得出的靜態(tài)載荷點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(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滑脂，因旋轉(zhuǎn)接頭本體強度要求高，不考慮在本體裝設自動潤滑系統(tǒng)，本旋轉(zhuǎn)接頭采用人工注脂。

4" " "結(jié)語

單點系泊系統(tǒng)處于風、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；由于海上設施離岸維修條件差、檢修周期長，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、設計、制造，是保證旋轉(zhuǎn)接頭正常工作的關(guān)鍵。

參考文獻

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