海上平台基座式起重机回转支承的故障分析与判断

王 宁，张 浩

（中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300452）

0 引言

基座式起重机是海上油气开采平台上的关键设备，负责平台上或与供给船之间的物资运移，对正常的生产作业提供重要的设施保障。

回转支承是起重机上部旋转结构与平台固定基座相连接的重要且唯一的部件，对设备的安全使用起到至关重要的作用。从近几年发生的回转支承故障损坏案例来看，回转支承故障损坏不但产生几十万甚至上百万的维修费用，还导致吊机停用3～6个月不等，给平台的正常生产生活造成很大的影响和较大的经济损失。

回转支承的设计使用寿命是与平台起重机的设计寿命相一致的，随着使用年限的不断增加，部分起重机会处于超期服役状态。而针对回转支承的相关报废指标，中国也没有明确的标准规范。

本文将针对海上平台基座式起重机的回转支承故障损坏的问题，从工作原理和使用工况两个方面进行系统性地分析。基于多次的故障案例数据和回转支承生产厂家的相关手册资料，提出了采用定期检查的方法建立磨损数据跟踪表的方法，并归纳总结出相关报废技术指标。最后，针对回转支承故障分析方法与判断指标，进行多台设备的真实数据验证。结果表明，本文提出的故障分析与判断方法是有效的、准确的，能对现场提供帮助，并为其他类似设备运维提供参考[1]。

1 起重机回转机构工作原理

回转机构的作用是实现起重机上部旋转结构连同吊臂一起旋转动作，该机构包括回转驱动小齿轮、回转支承、基座、上部转台等部件[2]，如图1所示。

图1 回转机构组成

1.1 回转驱动齿轮

海上平台基座式起重机是通过液压传动系统来实现动力传递与动作控制，液压泵组提供的高压油液经过多路换向阀的控制，进入回转驱动马达进行做功，做完功的低压油液排回油箱，最终实现动力的传递。而回转马达作为执行元件，将液压能转化为输出轴上的旋转机械能，再通过回转减速器的减速增扭作用，最终能量传递到回转小齿轮，驱动其以实现起重机的回转运动。回转系统的液压原理如图2所示。

1.2 回转支承

海上平台所处的工作环境非常恶劣，除了风浪外，还遭受潮湿空气以及盐雾的侵蚀。目前海上平台基座式起重机选用的回转支承一般为两种：一种是单排四点接触球式，如图3所示；另一种是三排滚柱式，如图4所示，内圈或外圈带有驱动齿圈。滚动体运行接触的滚道表面，以及驱动小齿轮与大齿圈啮合的轮齿表面，均经过相应的热处理工艺，一次提高表面硬度，最终提高使用寿命。在起重机正常运行过程中，回转支承承受着整机自重和外在负载所带来的垂直载荷与倾覆力矩，受力情况非常恶劣，因此对回转支承的可靠性要求非常高。

图2 回转系统液压原理图

图3 单排四点接触球式

图4 三排滚柱式

2 故障类型与原因分析

海上平台基座式起重机，其设计标准为美国石油学会发布的API Spec-2C《海上平台基座式起重》。规范要求回转支承在设计选型时，承载安全系数至少比其他部件的设计要高出1.5倍，安全系数比较高，在多年的使用过程中也很少发生起重机上部结构整体倾覆掉落的情况[3]。回转机构在长期的低速、重载情况下工作，发现最易失效的则是回转支承的滚道，以及回转机构的啮合齿面，这两种故障均为磨损类故障，详细分析如下。

2.1 齿面磨损故障

回转驱动小齿轮与回转支承大齿圈之间的有效啮合，实现了回转驱动力的传递，最终实现了起重机的回转动作。而小齿轮与大齿圈之间均为开式啮合传动，并且长期处于海上多盐雾、高潮湿的恶劣环境，使得齿面上的润滑脂很快脱落，不能有效起到润滑和保护的作用。

一般在齿面磨损严重后，齿侧间隙不断增加，回转动作的空行程会加长，尤其在有水平风载的情况下，更会产生齿轮之间的冲击力。所以，回转支承厂家也在选型手册中给出了回转支承大齿圈与驱动小齿轮之间的推荐啮合间隙范围，一般为0.03m～0.04m，其中m为齿轮的模数。

在对渤海区域某两个平台起重机回转支承评估检查时，发现了齿面磨损严重的情况，如图5所示。

同时对齿面磨损量也进行了实测，如表1 所示。从表中可以看到，最大磨损均值已经达到了3.42 mm，并且有不均匀较深的滑损，这也验证了海上环境的恶劣影响对回转支承造成的严重损伤。

图5 回转支承齿面磨损

表1 齿侧间隙测量表

2.2 滚道及滚动体故障

在起重机的回转动作时，回转支承的内圈与外圈之间通过滚动体的滚动接触来实现相对转动。海上平台用的起重机自重高达40～50 t，而额定载荷在10～40 t不等，这些重量和负载产生的合力将集中作用在回转支承的滚动体和滚道上面。另外，在风浪和供给船舶的运动作用下，会使负载产生较大的冲击力，也就直接反应在回转支承的受力上面。

根据回转支承的结构形式可以判断，当出现滚道磨损后，在轻微情况下，会出现回转支承的轴向间隙增大。而当磨损严重时，回转支承在动作时则会出现异响，或在内外圈滑动面之间出现金属碎屑等情况。

为了判断准确性，将已经损坏的某两个平台起重机的回转支承进行了拆解。从拆检结果来看，当出现间隙增大至4～6 mm时，滚道的淬火层已经磨损较大；当出现异响或金属屑时，滚道的磨损已经很严重。图6 所示为被严重磨损的滚道，回转支承需要立即更换。

图6 磨损严重的滚道

3 判断方法与指标

通过以上分析，得知回转支承的啮合齿面和滚道位置最易磨损而发生故障，所以针对两方面磨损值的测量给出以下检查判断方法与推荐指标[4]。

3.1 齿面磨损检查

海上平台起重机一般处于平台上的最高点，所处位置环境恶劣，无法使用精密仪器进行测量。通过多年的实践经验，发现使用啮合间隙测量法是最为便捷和有效的，即在回转支承齿圈上均布地选取8个点，利用起重机的回转动作，将驱动小齿轮转到预定的第1个点位；清洁周边的润滑脂及污渍等。如图7所示，利用塞尺分别测量啮合轮齿的两侧，按下式计算出齿面磨损量：

式中：V 为齿面磨损量，mm；J1为左侧间隙值，mm；J2为右侧间隙值，mm；J0为原始间隙值，mm。

图7 齿侧间隙测量

根据上述方法，再依次测量第2～8个点位，分别将数据记录在表格中，查看各点位的磨损量是否超过如下许用标准值：

式中：V 为齿面磨损量，mm；[ V ]为允许的最大齿面磨损量，mm，是根据齿轮的模数计算得来，为0.15m，m 为齿轮的模数。

同时将每次定期检查的测量值做长期地对比和跟踪，即可发现回转支承齿面磨损的发展趋势，给维修提供决策依据。

3.2 滚道系统磨损检查

滚道系统磨损的测量是回转支承定期检查的重点内容。对磨损量的长期跟踪，能够提早发现问题，避免设备出现计划外的停机，减少不必要的经济损失。回转支承滚道系统的磨损量测量，海上最容易实现的是采用倾翻法进行，即按照图8所示固定百分表。测量时，要尽量避免因周边钢结构的变形对测量值的影响，故要将测量点尽量靠近滚道中心。

在设备刚组装完投入使用前，要进行参照测量，步骤为：选取回转支承上均布的8 个点位，并做好标记；将空载下的吊臂旋转至待测量的第1 个点位，同时将变幅角度下放至工作角度的最低值，测量标记点的垂直高度，记录到表中；然后旋转吊臂，使标记的第2 个点位达到测量位置，进行记录，以此类推，直至将全部8 个点位测量完成。在后期的使用过程中，一定时间后利用同样的方法进行测量，且测量同一点位，即可掌握回转支承的磨损趋势。

回转支承的滚道通常采用的热处理方法为感应淬火，其厚度与回转支承的滚动体规格相对应。当滚道均匀磨损量达到如表2～3所列的数值时，则应及时报废、更换。

图8 滚道系统磨损测量

表2 四点接触球式允许磨损值mm

表3 三排滚柱式允许磨损值mm

4 回转支承的使用维护

（1）起重机投入使用后，首次运转50 h 后或停用6 个月以上的，要将滚道系统内部重新加注新的润滑脂。以后每运行100 h检查一次润滑状态，并根据情况加注润滑脂[5]。

（2）为了及时跟踪回转支承磨损面的情况，每6 个月需要对回转机构齿轮啮合尺侧间隙和轴向磨损量进行跟踪测量，并完整记录到一套表格资料中，为后续维修决策提供依据[6-8]。

5 结束语

本文通过分析回转机构的工作原理，指出海上平台基座式起重机回转支承的常见故障，并提出检查的方法与磨损允许值，且通过多个实例得到验证，能给其他类似设备提供重要的借鉴和参考。

最后结合回转支承的故障原因，本文还给出了针对回转支承的使用与维护建议，给现场的使用者和管理提供切实可行的使用维护方法。