港口起重機構(gòu)件裂紋失效研究

楊娜 石瑾 尼瑪扎西

摘 要：我國海域遼闊，岸長水深，海岸線長度為1.8萬公里，十分利于水運行業(yè)的發(fā)展。而其最重要的設(shè)備就是港口裝卸起重機，其可實現(xiàn)庫場堆碼、轉(zhuǎn)運和拆垛等。本文對港口起重機構(gòu)件的研究現(xiàn)狀進行了簡要的介紹，對構(gòu)件裂紋的安全性評價進行了研究，并指出了今后該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：港口起重機；裂紋；安全性評價

中圖分類號：U653.921 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）08-0055-02

1 引言

眾所周知，我國海域遼闊，岸長水深，海岸線長度為1.8萬公里，十分利于水運行業(yè)的發(fā)展，而水運的最大優(yōu)勢就是運量大，運費低。隨著經(jīng)濟全球化的不斷深化和我國對外經(jīng)濟的快速發(fā)展，新港口的建設(shè)成幾何量級增長。而港口內(nèi)最重要的設(shè)備就是港口裝卸起重機，其可實現(xiàn)庫場堆碼、轉(zhuǎn)運和拆垛等。我國港口起重機經(jīng)過十幾年的發(fā)展，已經(jīng)可以獨立自主的研制各類型港口起重機，滿足國內(nèi)對起重設(shè)備的需求。

1975年，我國首次頒布了港口起重機的基本參數(shù)，1983年頒布實施了《起重機設(shè)計規(guī)范》，于2008年實施了新版的《起重機設(shè)計規(guī)范》。港口起重機具有間歇性的工作性質(zhì)，其作業(yè)時通常周期性重復一個循環(huán)動作。港口起重機分為橋架型和臂架型兩類：橋架型包括岸邊集裝箱裝卸橋和橋門式起重機等，臂架型包括集裝箱正面吊和門座起重機等。

起重機雖然種類繁雜，但基本結(jié)構(gòu)只有三種：金屬結(jié)構(gòu)、工作結(jié)構(gòu)、動力裝置與控制系統(tǒng)等。而金屬結(jié)構(gòu)最為關(guān)鍵，作為起重機的支撐構(gòu)架，不僅用來支撐其自重，而且還用來支撐外部載荷。港口起重機構(gòu)件一旦出現(xiàn)裂紋，其短期內(nèi)不一定會造成事故，但長期工作下必然會引發(fā)事故，因而港口起重機構(gòu)件出現(xiàn)裂紋時必須引起足夠的重視。

2 構(gòu)件裂紋研究現(xiàn)狀

港口起重機的工作載荷大，且為交變載荷，作業(yè)條件惡劣，因此在大多數(shù)情況下，港口起重機基本都是在構(gòu)件存在缺陷的情況下工作。早在1997年，我國學者對港口起重機發(fā)生事故的原因進行了調(diào)查統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果顯示：起重機金屬結(jié)構(gòu)故障八成以上是由于其存在裂紋引起的，裂紋的存在已成為起重機安全使用的最大威脅。以門座起重機為例，其金屬構(gòu)件的重要部位全部發(fā)現(xiàn)過裂紋，裂紋長度從幾厘米到幾百厘米不等，而且起重機在運行10年左右，其金屬結(jié)構(gòu)重要部位就會產(chǎn)生宏觀裂紋。以深圳港口的54臺門座起重機為例：其中有27臺的主臂腹桿出現(xiàn)彎折斷裂現(xiàn)象；有10臺人字架、平衡梁和臂架等承載部位出現(xiàn)開裂現(xiàn)象；有23臺轉(zhuǎn)柱的門腿與回轉(zhuǎn)支撐滾道鏈接焊縫下側(cè)出現(xiàn)裂紋，最長的有70厘米；70臺流式起重機支腿部位存在裂紋。這些裂紋的存在足以表明：起重機承載部件最重要故障為裂紋[1]。由裂紋的存在引起的事故極大的制約了港口的安全生產(chǎn)，嚴重時會造成人員的傷亡。但是，起重機只要出現(xiàn)裂紋就對相關(guān)部件進行更換，也是不現(xiàn)實的，這牽涉到兩方面的問題：其一是港口起重機的噸位較大，更換成本很高，其二是即便存在裂紋，也不代表馬上就會出現(xiàn)事故，通過其它方式如維修、定期巡檢等可以使其繼續(xù)服役。

某港口的門座起重機在對小塊鑄鐵進行卸載時，其空斗在下降過程中，臂架變幅處出現(xiàn)彎折變形，導致拉桿彎折變形、象鼻梁掉進了船艙。此次事故原因為：存在于臂架處的裂紋進行了擴展，導致縱向筋板彎曲，加強筋失效，失去作用而造成臂架失穩(wěn)[2]。2010時，某起重機在吊運一根8噸重的鋼棒材時，出現(xiàn)整機墜落事故，后分析事故原因時認為：在超負荷交變載荷的作業(yè)條件下，基礎(chǔ)螺栓產(chǎn)生了疲勞裂紋，隨著疲勞裂紋的不斷擴展，其工作界面逐漸減小，應力逐漸增大，導致裂紋加速延伸，剩余有效承載面積不能夠支撐載荷時，就發(fā)生了瞬時斷裂。

港口管理員必須高度關(guān)注兩個問題：重要部件帶有裂紋缺陷是否影響到了港口起重機的連續(xù)性作業(yè)？裂紋達到多大時，必須進行維修？時刻注意這兩個問題，可以有效的減小由裂紋造成的事故的發(fā)生。

對港口起重機的母材上的裂紋來說，目前已能夠?qū)ζ浞蹓勖M行相關(guān)的計算，依據(jù)該計算可以制定相關(guān)的巡檢周期，并對裂紋的大小進行監(jiān)控。同時裂紋達到一定的長度時，可通過多種維修手段對其進行維修。但是對于港口起重機焊縫處的裂紋，目前為止并沒有相關(guān)計算公式，還有待后人進行研究。

3 裂紋安全性評價

工程上對于港口起重機裂紋的研究，可分為三個方面：裂紋的檢測；裂紋的維修與處理；構(gòu)件存在裂紋的安全性評價。

3.1 裂紋的檢測

構(gòu)件中如果存在裂紋，其在低于額定載荷的情況下也會發(fā)生斷裂[3]。因此，對于港口起重機這類大型設(shè)備，及時的發(fā)現(xiàn)裂紋的存在并采取相關(guān)的措施至關(guān)重要。裂紋的檢測通常依靠無損探傷等，當然也可通過新興的手段進行檢測。

常規(guī)無損探傷包括：磁粉檢測、超聲波探傷、射線檢測、液體滲透等。雖然這些檢測手段都相對成熟，但是也存在很多的局限性。新興的檢測技術(shù)有渦流檢測、導波檢測、聲發(fā)射檢測和紅外檢測等。其中，聲發(fā)射檢測技術(shù)功能強大，聲發(fā)射裝置所需的能量由被檢測物體提供，而非由無損檢測設(shè)備提供。聲發(fā)射檢測技術(shù)的優(yōu)勢在于，由于Kaiser效應的存在導致聲發(fā)射檢測技術(shù)能夠動態(tài)的檢測裂紋存在的情況，而靜態(tài)的裂紋則不能顯示出來。目前聲發(fā)射檢測技術(shù)的應用范圍非常的廣發(fā)，包括石油化工、建筑、電力、航空航天、鐵路運輸?shù)葒窠?jīng)濟的各個領(lǐng)域。

3.2 裂紋的維修與處理

對于修復結(jié)構(gòu)件上已存在的裂紋，使其恢復原有的結(jié)構(gòu)性能，這類研究相對較少，沒有形成系統(tǒng)的理論，大多數(shù)是憑借一線的工程技術(shù)人員的維修經(jīng)驗。對于存在裂紋的港口起重機，港口管理人員通常是通過降載使用、定期巡檢和定期修補進行處理的。

銀建中[4]等人對“人工楔塊”的作用機理進行了系統(tǒng)的介紹，楔塊導致P=0時的裂紋尖端的張開位移不為零，即存在一個預張開位移，這樣在后續(xù)載荷的作用下，能夠顯著的降低疲勞裂紋的擴展速度。所謂的“人工楔塊”是指在構(gòu)件受到載荷的情況下，裂紋張開，將粘結(jié)劑注入裂紋的尖端，待粘結(jié)劑固化后隨即卸載。趙章焰[5]研究了裂紋尖端的應力應變場，提出了新的維修裂紋的方法，其核心思想就是消除裂紋尖端存在的奇異性。

3.3 構(gòu)件存在裂紋的安全性評價

工程上依據(jù)裂紋的不同受力情況，可分為三種情況：張開型、滑移型和撕開型。其中，張開型裂紋最為危險。在實際的工程問題上，構(gòu)件受力是非常復雜的，多形成復合型裂紋，這就要求工程技術(shù)人員將復合型裂紋看成張開型裂紋，不僅可以將問題簡單化，而且這種處理方法安全系數(shù)高。

對裂紋的安全性進行評價，需要有足夠的財力、人力、物力的投入，因而只能在一些高端的領(lǐng)域內(nèi)進行，如大型承壓設(shè)備、航空航天、國防武器等領(lǐng)域。在上述領(lǐng)域已形成了相關(guān)的法律或行業(yè)標準。

當前的安全性評價主要存在兩種思路：一是剩余強度評價方法，通過對裂紋進行測定，獲得其長度值，進而通過計算得到其在當前載荷下的極限裂紋尺寸，為維修、更新等提供理論參考。而是剩余壽命預測，主要是為定期巡檢提供理論依據(jù)，其方法是通過現(xiàn)有的裂紋尺寸，結(jié)合當前設(shè)備工作情況，計算其剩余的運行時間。

在大型的機械承載設(shè)備領(lǐng)域，有一系列的標準、法規(guī)。在實際的工程應用中，通常依據(jù)裂紋前端的應力應變場來計算應力強度因子，再根據(jù)斷裂準則計算出極限裂紋長度，隨后進行積分求解，最終求解出設(shè)備能夠承受的載荷循環(huán)次數(shù)，用以確定巡檢周期。

4 結(jié)語

本文就港口起重機的事故故障情況進行了調(diào)查研究，得出了裂紋是導致港口起重機構(gòu)件失效的基本結(jié)論。港口起重機構(gòu)件存在裂紋時仍可繼續(xù)工作，但裂紋會生長，這就要求研究者對裂紋進行安全性評價。港口起重機母材上的裂紋機理已經(jīng)研究透徹了，但尚未有學者對焊縫處的裂紋安全性評價進行系統(tǒng)性的研究，這是未來重點發(fā)展的方向。

參考文獻

[1]趙章焰.起重機金屬結(jié)構(gòu)故障分布及分析[J].水利電力機械，1998，（03）：35-36.

[2]陳本瑤，徐連榮，馮建平，等.一個港口固定式起重機整體傾覆事故的分析[J].起重運輸機械，2011，（9）：80-82.

[3]吳寧祥，謝里陽，由美雁，等.裂紋檢測的結(jié)構(gòu)動力學方法研究進展[J].機械制造，2006，（12）：56-60.

[4]銀建中，王炎炎.壓力容器疲勞止裂技術(shù)—“人工楔塊”止裂方法的研究[J].化工機械，1997，（03）：139-142.

[5]趙章焰，孫國正.金屬結(jié)構(gòu)裂紋維修的矩陣表達方法[J].起重運輸機械，2003，（03）：7-8.