海洋钻井平台将军柱吊机十字头轴承的应用技术分析

项 凯

(中海油田服务股份有限公司，北京 101149)

0 引言

将军柱式吊机(Kingpost Crane)在海洋石油钻采平台上应用广泛，在浮式、固定式钻井平台及导管架生产平台上均有使用。将军柱式吊机具有结构简洁、安全性高的特点，其所特有的十字头轴承结构的应用、检修及更换一直是吊机维护工作的重点和难点。每次检修或更换故障轴承时，需要拆卸大量的相关部件，若遇到疑难状况甚至会导致吊机长时间的停机，进而影响整个平台的作业计划。

本文以实际工作中接触过的将军柱吊机典型的十字头轴承结构为对象，介绍十字头轴承的结构原理，并对几个典型的十字头轴承故障案例进行分析，然后针对某品牌将军柱吊机制定其十字头轴承修复及更换技术要点，最后结合理论与一线作业经验提出十字头轴承的结构优化建议。

1 十字头轴承结构及原理

将军柱吊机主要特征是吊机中央有一中柱，吊机回转体绕中柱的上下轴承旋转，如图1所示。上轴承即为十字头轴承，安装在柱头销处，可承受吊机整机自重及吊载载荷。十字头轴承结构通常由径向轴承和轴向推力轴承两部分组成，径向轴承连同吊机下轴承承受整机倾覆力矩，轴向推力轴承承受整机垂向载荷。鉴于十字头轴承受力形式及重载作业特点，径向轴承一般选用优质耐磨尼龙材质，轴向推力轴承常选用钢质调心滚子轴承或尼龙轴承。图2为两种不同的十字头轴承结构，图2(a)为钢质调心推力轴承，图2(b)为径向尼龙轴承。

图1 十字头轴承结构原理Fig.1 Structural principle of crosshead bearing

图2 典型十字头轴承结构Fig.2 The structures of typical crosshead bearing

2 十字头轴承故障案例

2.1 故障案例1

某自升式钻井平台将军柱吊机十字头轴承出现碎裂现象，轴承损坏严重，导致吊机回转体结构与将军柱出现硬接触，直接影响吊机的正常作业。如图3所示，径向轴承由于压溃而出现撕裂性损坏。

图3 损坏的径向轴承Fig.3 Damaged radial bearing

导致此故障的原因主要有两个方面。首先，钻井平台甲板吊机有舷内作业和舷外作业两种模式，而舷外作业受供给船运动、海上风浪流的影响，其作业中受到冲击较大，将军柱吊机自身巨大的中柱体在回转过程中的晃动也较大，导致十字头轴承频繁承受重载冲击载荷及循环应力；另外，尼龙轴承虽具有易于维护的特点，但在瞬时极端冲击载荷下变形和粘滞效应明显，在润滑不良时更易导致此类故障发生。

2.2 故障案例2

某半潜式钻井平台将军柱吊机十字头推力轴承上下座体出现切削现象，切削的金属碎屑进入滚道，严重影响吊机运转。如图4所示为损坏的轴向推力轴承上下座体。

图4 损坏的调心滚子推力轴承Fig.4 Damaged self-aligning roller thrust bearing

导致此故障的原因主要有两个方面。一是半潜式平台横倾、纵倾角比较大，吊机的作业环境恶劣，吊机回转体与将军柱的相对偏转偏大，具有调心作用的推力轴承上下座体就会有碰触的可能，这样两者就会有啃咬现象；二是吊机由于长期高负载作业，会导致将军柱柱头销变形，从而使吊机十字头轴承和下轴承的同轴度变差，这时调心滚子推力轴承将持续在偏转一定角度下旋转，一段时间后上下座体就会发生碰触切削。此外，如果推力轴承上下座体之间的间隙偏小，轴承在承受大倾覆载荷正常调心偏转时，上下座体很容易接触发生破坏。

3 十字头轴承更换技术要点

将军柱吊机十字头轴承需要每日进行润滑维护，每年进行拆检。一旦出现故障，一般需要更换径向轴承，更换径向轴承相对比较简单，只需将滑环和上压盖打开就可以进行操作。但若出现如故障案例2中的推力轴承故障时，就需要将整个回转体顶升后，才能进行更换作业。通常尼龙材质十字头径向轴承在其径向厚度方向磨损量超过5 mm时需要更换，尼龙材质轴向推力轴承在轴向厚度方向磨损量超过10 mm时需要换新。以下为十字头轴承结构更换技术流程。

3.1 准备工作

①将臂架置于臂架搁置架；②布置作业区安全警戒线；③将扒杆绞车适当松绳，松绳程度以确保后续更换作业臂架形态安全为准；④吊机停机。

3.2 更换作业技术流程

(1)在回转体上门架轴向推力轴承附近焊接工装焊件，准备4件8.8级全螺纹六角头螺栓，并将其安装于前述工装焊件上，见图5。焊接时务必按照标准焊接规程进行工装焊件的焊接，以免对门架造成损伤。

图5 焊接工装焊件Fig.5 Welding tooling weldment

(2)拆除滑环，断开进气管及电缆，注意做好防护，以免气管及电缆坠入将军柱内。

(3)拆除回转限位组件。

(4)拆除十字头径向轴承顶部盖板，见图6。

图6 拆除轴承顶部盖板Fig.6 Removing bearing top cover plate

(5)拆除十字头轴承及下轴承润滑组件。

(6)在将军柱大齿圈有加强筋板位置处放置3件千斤顶，千斤顶下衬垫25 mm厚钢板，以保护大齿圈，见图7。

图7 加钢板衬垫Fig.7 Pad with steel plate

(7)3件千斤顶同步顶升，将门架(吊机回转体)整体顶升50～60 mm，见图8。

图8 顶升门架Fig.8 Jacking gantry upward

(8)在靠近千斤顶位置放置3件同高度的钢柱或垫木，以防千斤顶失效垮塌。

(9)调整步骤(2)中的4件工装螺栓，使将军柱柱头销与上门架同轴心，以便十字头径向轴承能顺利取出，见图9。

图9 调整将军柱柱头销轴心Fig.9 Adjusting the axis of column head pin

(10)使用2件带有螺纹的吊杆，将十字头径向轴承取出更换，见图10。

图10 取出十字头径向轴承Fig.10 Taking out crosshead radial bearing

(11)更换十字头轴向推力轴承(一般为3瓣)。

(12)卸力顶部工装螺栓，移除将军柱大齿圈上的支承钢柱，将步骤(7)、(8)、(9)所述的千斤顶缩降直至门架(吊机回转体)复位。

(13)重新装配十字头径向轴承顶部盖板。

(14)重新连接滑环进气管和电缆。

(15)重新装配回转限位组件和滑环。

(16)重新装配十字头轴承及下轴承润滑组件，并对十字头轴承及下轴承进行充分润滑。

(17)移除千斤顶及垫板，更换作业结束。

4 十字头轴承结构优化建议

结合前述故障案例和更换技术流程，给出以下优化建议：

(1)调心滚子推力轴承座的设计时充分考虑重载倾覆力矩下的大偏转，确保上下座体之间有足够的间隙，容纳偏转角。

(2)选用性能更好的非金属材料。例如，目前普遍采用的Nylon GSM在重载且润滑不足时会有粘滞效应，造成吊机回转卡顿，而性能更好的Nylon 703则不会有此问题；此外，非金属热固材质的轴承在海工领域的应用得到普遍的认可，其具有自润滑、易维护、耐磨损等诸多优点，建议适当选择此类材质替代钢制轴承或尼龙轴承。

(3)优化将军柱的加工制造工艺，以获得将军柱柱头销和下耐磨带更好的同轴度，这样十字头轴承的偏磨会大幅减少，同时调心滚子推力轴承的偏转也会得到更好的抑制。

(4)将十字头轴承的推力轴承设计成球面滑动轴承，如图11所示结构，这种结构能很好地适应吊机作业时结构的大角度倾覆翻转。经过与吊机厂家联合技术推进，该方案的详细设计将在后续某平台吊机上进行验证试用。

图11 球面推力轴承与径向轴承Fig.11 Spherical thrust bearing and radial bearing

5 结语

海工钻采领域有大量的将军柱吊机在使用，十字头轴承结构是实现吊机带载回转作业的关键部件，本文结合故障分析和维保更换技术梳理的基础上，给出了该结构优化方向，一些工程实践表明，这些工作将大幅延长此类吊机的作业寿命。