﻿ 深水FPSO单点系泊主轴承疲劳寿命计算分析
 舰船科学技术  2022, Vol. 44 Issue (14): 100-106    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2022.14.022 PDF

1. 中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院 山东省油气储运安全省级重点实验室，山东 青岛 266580;
2. 海洋石油工程股份有限公司设计院，天津 300451

Fatigue lifetime calculation of main bearing in a deepwater FPSO turret mooring system
JU Xuan-ze1,2, LI Zi-li1, DONG Bao-hui2, MENG Xian-wu2, HUANG Shu-guang2
1. College of Pipeline and Civil Engineering, China University of Petroleum (East China), Shandong Key Laboratory of Oil & Gas Storage and Transportation Safety, Qingdao 266580, China;
2. Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Engineering Company, Tianjin 300451, China
Abstract: A deepwater FPSO has undergone various analysis and cross study of mechanical and ocean engineering for the weathervaning main roller bearing (MRB) in the turret mooring system. The mooring hydrodynamic motion and MRB mechanical motion were analyzed simultaneously. The mooring system was calculated through time domain coupled method, and the calculation methods of MRB basic rated dynamic load, equivalent dynamic load and basic rated life are given. The force transfer at turret bearing level under design extreme conditions (100-yr-RP) and design survival conditions (1000-yr-RP) was emphatically studied, the calculation method of an equivalent load on the MRB raceways was given. The equivalent revolutions cumulative effect was calculated during the 30 years of FPSO yaw motion. The results shown the supporting raceway with worst stress, the safety factor of fatigue life is 6.57, which is much higher than the required safety factor 2.
Key words: offshore oil engineering     FPSO     turret mooring system     weathervaning     main roller bearing
0 引　言

 图 1 转塔单点系泊FPSO与穿梭油轮 Fig. 1 Turret moored FPSO with a shuttle tanker

 图 2 典型三列滚柱转盘轴承结构示意图 Fig. 2 Schematic structure of a typical three-row roller slewing bearing assembly

1 FPSO单点系泊主轴承“风向标”效应

 图 3 FPSO单点系泊系统“风向标”效应 Fig. 3 “Weathering” effect of FPSO turret mooring system

 图 4 FPSO单点系泊转塔装置 Fig. 4 FPSO turret assembly

 图 5 单点系泊主轴承与其支撑结构的装配图 Fig. 5 Main roller bearing bolted on its supporting structure
2 单点系泊主轴承疲劳寿命分析方法 2.1 单点系泊主轴承受力模型与坐标系

 图 6 单点系泊主轴承力学模型 Fig. 6 Mechanical model of main roller bearing in a turret mooring system

 图 7 转塔单点系泊系统坐标系 Fig. 7 Coordinate system of turret mooring system

1）单点系泊转塔坐标系

X从转塔中心开始，船首向前为正；

Y从转塔中心开始，左舷为正；

Z从转塔中心与FPSO船底基线开始，向上为正。

2）FPSO船体坐标系

X从FPSO的船尾(后端)开始，船首为正；

Y从FPSO船中线开始，左舷对正；

Z从FPSO船底基线开始，向上为正。

2.2 单点系泊主轴承基本额定动载荷计算方法

 ${C}_{radial}={b}_{m}{f}_{c}{\left(i{L}_{we}{\rm{cos}}\alpha \right)}^{7/9}{Z}^{3/4}{{D}_{we}}^{29/27}，$ (1)

 ${C}_{axial}={b}_{m}{f}_{c}{\left({L}_{we}{\rm{cos}}\alpha \right)}^{7/9}{\rm{tan}}\alpha {Z}^{3/4}{{D}_{we}}^{29/27} 。$ (2)

2.3 单点系泊主轴承当量动载荷计算方法

 ${P}_{radial}=X{F}_{radial}+Y{F}_{axial} 。$ (3)

 ${P}_{axial}=X{F}_{radial}+Y{F}_{axial} 。$ (4)

2.4 单点系泊主轴承基本额定疲劳寿命计算方法

 ${L}_{10,radial}={\left(\frac{{C}_{radial}}{{P}_{radial}}\right)}^{10/3} ，$ (5)

 ${L}_{10,axial}={\left(\frac{{C}_{axial}}{{P}_{axial}}\right)}^{10/3} 。$ (6)

3 单点系泊主轴承疲劳寿命分析载荷计算 3.1 单点系泊系统与分析模型

 图 8 深水FPSO单点泊系统组成 Fig. 8 Turret mooring line for a deepwater FPSO

 图 9 深水FPSO系泊系统布置图 Fig. 9 General layout of a deepwater FPSO mooring system

1）环境条件组合如表1表2所示；

2）需要考虑的极端环境条件是台风工况下的100年重现期（100-yr-RP）设计极端工况（DEC）和1000年重现期（1000-yr-RP）的设计生存工况（DSC）；

3）风浪相对于系泊束的相对方向；波浪高度（种子）和风（种子）的时历实现，FPSO装载工况（见表3）。

3.2 单点系泊主轴承力作用面的极限转塔载荷计算方法

 ${F}_{\text{r}\text{adial}}=\sqrt{{F}_{X}^{2}+{F}_{Y}^{2}}，$ (7)
 ${F}_{\text{axial}}={F}_{Z} ，$ (8)
 ${M}_{b,{\rm{radial}}}=\sqrt{{M}_{b,x}^{2}+{M}_{b,y}^{2}},$ (9)
 ${F}_{{\rm{equi}}}=\frac{{4}{\mathrm{\cdot}}{M}_{b,\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{l}}}{D} ，$ (10)
 ${F}_{b,{\rm{max}}}={F}_{equi}-{F}_{\text{axial}} ，$ (11)
 ${F}_{b,{\rm{min}}}=-\left({F}_{\text{equi}}+{F}_{\text{axial}}\right) 。$ (12)

 ${F}_{{\rm{equ}}}{\rm{max}}={F}_{{\rm{axial}}}{\rm{max}}+4.1×\frac{{M}_{b,{\rm{radial}}}}{D} 。$ (13)
3.3 作用在单点系泊主轴承上的静态载荷

3.4 作用在单点系泊主轴承上的动态载荷

 图 10 FPSO首摇角度分布-参考年份 Fig. 10 FPSO yaw distribution – reference year

455次等效转数对应1-yr-RP环境条件以下的海况；190次等效转数对应1-yr-RP环境条件以上的海况。

2339次等效转数对应1-yr-RP环境条件以下的海况；19次等效转数对应1-yr-RP环境条件以上的海况。

4 单点系泊主轴承疲劳寿命计算分析

FPSO单点系泊系统所用的主轴承由于不断受到海洋环境的风、波、流载荷作用，受力呈现不稳定的波动，同时由于“风向标”效应，在FPSO的首摇作用下发生偏转、漂移和转动。因此，FPSO单点系泊设计分析是确保轴承能够承受不同工况条件下加载的载荷条件，提前执行不同的校核，以防止主轴承出现失效，可能的失效模式包括：①静态过载；②动态过载；③滚道的静态压芯失效；④滚道的疲劳压芯失效；⑤鼻环因静态过载而失效；⑥鼻环因疲劳交变载荷而失效；⑦固定环因静态过载而失效；⑧挡环因疲劳交变载荷而失效。另外，单点系泊主轴承的性能受到多方面的影响，比如不均匀的材质、制造工艺上的误差等，性能受到了影响，轴承使用寿命也就会受到相应的影响，导致主轴承的静载和动载承载能力降低，导致滚道表面产生凹坑，使得主轴承在运转中产生较大的噪声、振动等，影响主轴承的正常工作。因此，在单点系泊主轴承的选型设计中滚动体和滚道的循环应力引起滚道和滚动单元的疲劳脱落是考虑的重点。基于最大动态剪切应力理论、Hertz弹性接触理论和Palmgren额定动载荷理论，经过试验和数学推导得到简称为 $L-P$ 模型的理论寿命计算式[25] $L-P$ 模型规定，轴承的基本额定疲劳寿命是可靠度为90%的寿命，它以轴承表面工作表面出现疲劳剥落之前所完成的工作转数，或一定转速下的工作小时数计算。对于疲劳剥落可以用疲劳寿命来表征，具体来说表示为一百万转的基本额定疲劳寿命，定义为90%的可靠性。通过计算得到该深水FPSO单点系泊主轴承基本额定疲劳寿命 ${L}_{10}$ 的计算结果与安全系数如表6所示。可以看出受力最恶劣为主轴承的支持滚道，但动载能力达90%可靠性的基本额定疲劳寿命 ${L}_{10}$ 为197年，远超工程预期30年免维护的要求，具有6.57倍的安全系数，满足深水FPSO单点系泊主轴承设计的要求。项目的投产应用[26]，也证明了该设计流程与计算方法的可靠性，具有类似项目可借鉴性。

5 结　语

1）根据主轴承在该深水系泊转塔中的位置，以及在风、波、流作用下的受力特点，结合主轴承轴承圆柱滚子与保持架、保持架与套圈引导面之间的动态接触关系，给出了单点系泊主轴承基本额定动载荷计算方法、当量动载荷计算方法和基本疲劳额定寿命计算方法，为类似工程提供设计参考。

2）依据该单点系泊系统所适应的极端环境条件，建立系泊系统性能分析工况组合，通过时域方法耦合系泊、转塔悬挂立管、脐带缆/海缆以及FPSO进行水动力分析，得到设计极端工况（100-yr-RP）和设计生存工况（1000-yr-RP）下，对主轴承的作用力及力矩，并给出了从系泊分析到轴承等效载荷的转换方法，同样是类似工程的重要设计参考。

3）单点系泊主轴承疲劳寿命是在FPSO首摇运动下的累计效应，计算得到在30年寿命期内由FPSO首摇将完成3003次等效转数，该值同时考虑了根据时域仿真计算出30年由于海况的波动引起FPSO首摇转数和在30年后报（Hindcast）数据库中，由于每个连续海况之间的首向变化而引起FPSO首摇转数，为类似工程疲劳计算提供了输入条件分析案例。

4）在单点系泊主轴承的选型设计中滚柱和滚道的循环应力引起滚道和滚动单元的疲劳脱落是考虑的重点，分析可知受力最恶劣为主轴承的支持滚道，通过计算其基本额定疲劳寿命 ${L}_{10}$ 为197年，远超工程预期30年免维护的要求，具有6.57倍的安全系数，满足了深水FPSO单点系泊主轴承设计的要求。随着该深水油田在2021年全面投产，设计分析结论均得到工程应用，验证了该计算设计模型与分析的可靠性，为类似深水FPSO系泊系统工程建设提供了设计经验。

 [1] 吴伦楷. 浮式生产系统新的发展动向[J]. 中国海洋平台, 2002(5): 8-11. DOI:10.3969/j.issn.1001-4500.2002.05.002 [2] 海洋石油工程设计指南编委会. 海洋石油工程设计指南: 海洋石油工程FPSO与单点系泊系统设计[M]. 北京: 石油工业出版社, 2007. [3] 杜庆贵, 沈晓婵, 檀国荣, 等. FPSO应用现状及发展趋势浅析[J]. 海洋工程装备与技术, 2017, 4(2): 63-68. DOI:10.3969/j.issn.2095-7297.2017.02.001 [4] 吴洁, 卢冬冬, 姚潇, 等. FPSO转塔领域技术综述[J]. 船舶工程, 2020, 42(10): 113-119+148. [5] 李达, 白雪平, 易丛. “海洋石油118”单点系泊系统选型设计[J]. 船海工程, 2016, 45(5): 166-171. DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.041 [6] 中国船舶及海洋工程设计研究院. 大国重器之“海洋石油119”FPSO[J]. 船舶, 2021, 32(1): 120-123. [7] 王忠畅, 白雪平, 李达, 等. 内转塔式单点系泊系统敏感性研究[J]. 舰船科学技术, 2017, 39(17): 85-90+122. DOI:10.3404/j.issn.1672-7649.2017.09.017 [8] WANG S Q, LU P, EMILIO L. Weathervaning characteristics of a turret moored fpso in squalls[C]// SNAME 20th Offshore Symposium, Houston, Texas, U. S. A. , February 2015. [9] GÖNCZ P, POTOFINIK R, GLODEŽ S. Load capacity of a three-row roller slewing bearing raceway[J]. Procedia Engineering, 2011(10): 1196-1201. [10] ZHOU C, YU C G. Theoretical analysis and simulation calculation of three-row-roller slewing bearings stiffness[C]. //2nd International Conference on Machinery, Electronics and Control Simulation (MECS 2017), Taiyuan, China, 2017. [11] KANIA L. Modelling of rollers in calculation of slewing bearing with the use of finite elements[J]. Mechanism and Machine Theory, 2006, 41(11): 1359-1376. DOI:10.1016/j.mechmachtheory.2005.12.007 [12] 郑红梅, 田贵, 梁昌文, 等. 基于弹塑性有限元方法的转盘轴承材料许用接触应力研究[J]. 轴承, 2016(1): 36-39. DOI:10.3969/j.issn.1000-3762.2016.01.012 [13] LAI J, LUND T, RYDÉN K, et al. The fatigue limit of bearing steels – Part I: A pragmatic approach to predict very high cycle fatigue strength[J]. International Journal of Fatigue, 2012(38): 155-168. [14] GÖNCZA P, POTOČNIK R, GLODEŽ S. Fatigue behaviour of 42CrMo4 steel under contact loading[J]. Procedia Engineering, 2010, 2(1): 1991-1999. DOI:10.1016/j.proeng.2010.03.214 [15] 祝溪明. 滚动轴承材料热处理及其新技术应用研究[J]. 机械设计与制, 2012(12): 220-221. [16] CHEN G C, WEN G, XIAO Z M, et al. Experimental study on contact force in a slewing bearing[J]. Journal of Tribology, 2018, 140(7): 02140201-02140210. [17] 许东海, 方成刚, 杨春. 转盘轴承实验台模型的建立[J]. 机械设计与制造, 2014(1): 226-228. DOI:10.3969/j.issn.1001-3997.2014.01.069 [18] NACIRI M, JAMET C, DARAN R, et al. FPSO turret mooring system: A 5000-ton mooring force challenge [C]// Deep Offshore Technology International, PennWell Corp United Kingdom, New Orleans, 2011. [19] VOGT C, GOODMAN M L, COMMANDEUR, et al. Turret mooring system: the key to oil production in the extreme atlantic frontier environment[C]//Offshore Technology Conference, SPE and AIE, Houston, Texas, U. S. A. , 1999. [20] 蔡世亮. CALM单点系泊系统国产化可行性探讨[J]. 石油规划设计, 2021, 32(1): 41-47+66. [21] 邓毅锋. 30万t单点系泊系统大型滚柱轴承润滑故障分析及解决方案[J]. 润滑与密封, 2010, 35(8): 117-120. DOI:10.3969/j.issn.0254-0150.2010.08.030 [22] 武宏伟, 温景波, 陈相东, 等. 单点系泊系统用转盘轴承的研制[EB]. 河南省, 洛阳LYC轴承有限公司, 2012−12−20. [23] 吕岩, 琚选择, 李秀锋, 等. 海上原油装卸单点建设条件及场址选择技术研究[J]. 海洋工程装备与技术, 2018, 5(5): 300-304. [24] 马邦勇. CALM单点系泊系统浮筒主轴承选型研究[J]. 石油机械, 2018(7): 45-50. [25] 蒋玉孝, 刘少军. ISO 281: 1990与ISO 281: 2007滚动轴承寿命计算标准的比较[J]. 机械强度, 2015, 37(3): 498-503. [26] ISO 281 SECOND EDITION. Rolling Bearings-Dynamic load ratings and rating life[S]. 2007.