造船門式起重機支腿變形分析與修復

劉新波，王玉金，王躍文，黃進前，金瑞瑩

（河南衛(wèi)華重型機械股份有限公司，河南新鄉(xiāng) 453400）

0 引言

大型造船門式起重機基本上都使用在沿海地區(qū)，防風措施必不可少，通常會設置夾軌器、錨定裝置、防風拉鎖等，但如果遇到風速＞55 m/s以上的強臺風，就可能會造成支腿的局部變形，影響起重機的使用，存在巨大的安全隱患。

2017年8月，強臺風“天鴿”登陸珠海市，某造船廠的1臺200 t門式起重機受到臺風的影響，造成剛性支腿變形。經現場勘查，對起重機的整體狀況進行檢查并測量相關數據顯示，臺風來臨前起重機的錨定裝置和防風拉索都已按要求錨固，且未出現損壞現象，整機未發(fā)生位移。支腿變形位置在剛性支腿下部彎處，跨內側腹板出現凹凸塑性變形，造成屈服現象（圖1）。

1 起重機剛性支腿變形分析

圖1 現場剛性支腿下部彎處

對CM2x60+120/20 t-75 m造船用門式起重機建立有限元模型，并進行有限元分析，在非工作狀態(tài)下即最大風速為50 m/s（風力15級），結構強度最大應力位于剛性支腿下部彎處，應力為243.9 MPa（圖 2）。

根據珠海市氣象局提供資料，高欄島自動氣象局錄得的極大風速為52.9 m/s（風力16級）。據了解臺風登陸口恰為造船龍門所在位置，實際陣風風速可能超過52.9 m/s，且臺風登陸前無超15級風預警。

綜上分析，風速＞52.9 m/s的超強臺風“天鴿”是造成此臺造船門式起重機剛性支腿變形的原因，屬于不可抗拒的自然災害。

2 起重機剛性支腿變形修復方案

2.1 現場檢測數據

專業(yè)技術人員到現場了解起重機的整體狀況并測量主梁、剛性支腿等主要結構件的結構參數，其中主梁的檢測參數符合標準技術要求，對剛性支腿（地梁以上）變形處進行測量數據見表1。經分析，針對剛性支腿的檢測數據，剛性支腿在大車軌道平面內的垂直度應為h1≤H1/2000，其中，h1是剛性支腿下橫梁中心與剛性支腿上口中心點的水平偏移量，H1是剛性支腿與運行機構平衡梁兩鉸接孔連線的中心至主梁下平面的高度，符合GB/T 27997—2011《造船門式起重機》中剛性支腿的技術要求，主梁、剛性支腿上部的整體結構參數均在標準要求的范圍內，因此，可只針對剛性支腿下部的下橫梁進行修復。

圖2 非工作狀態(tài)應力云圖

表1 測量剛性支腿（地梁以上）變形處數據

2.2 修復方案

剛性支腿與地梁連接處變形為內、外側腹板凹凸變形，根據變形及整體結構情況，本著安全并保證質量的前提下，經多方討論最終擬定更換變形部位結構件的方案。

（1）制作剛性支腿穩(wěn)固梁，固定在剛性支腿兩側，設置4根立柱并將其焊接在下橫梁上，通過下橫梁將剛性支腿、主梁的自重轉移到軌道上，即通過制作中間過度段避開支腿變形部分。

（2）將剛性支腿下部變形部分內側腹板、蓋板、外側腹板依次割除，并將重新下好的料按切割順序重新焊接上，注意每割除掉一塊板立刻更換上相應板。

方案優(yōu)點：修復方案簡便，地基不用重新加固，修復工期短，修復成本低；缺點：現場焊接量大；

2.3 起重機剛性支腿變形修復計算

依照方案對剛性支腿設置穩(wěn)固梁、4根立柱并將其焊接在支腿和下橫梁上，然后對支腿變形處未割斷時建立有限元模型，并進行有限元分析（圖3），再對支腿變形處割斷結構進行有限元分析（圖4）。

圖3 割斷前剛腿與支架連接強度、剛度

圖4 割斷后剛腿與支架連接強度、剛度

2.4 計算結果（表2）

其中，[σⅡ]，nⅡ為有風工作工況下的許用應力和安全系數。

（1）支腿穩(wěn)固工裝在剛性支腿隔斷情況下最大應力值為102.5 MPa，小于許用應力314 MPa，剛性支腿隔斷前后，剛度最大差值＜2 mm，滿足結構強度、剛度要求。

（2）改造后的支腿腹板材料Q345B，建議厚度由12 mm更換為16 mm，力學性能大于改造前，滿足使用要求。

表2 計算結果

3 修復工藝

3.1 修復前準備工作

（1）將主小車、副小車運行至主梁柔性支腿側，以減輕剛性支腿側的自重影響，便于剛性支腿的修復工作。

（2）重新將錨定及防風拉索固定好。

（3）起重機斷電，將剛性支腿下部的電氣相關電纜等應拆除或放置在剛性支腿上部不影響修復的部位。

（4）制作支撐工裝。

3.2 剛性支腿的穩(wěn)固

（1）支撐梁吊裝到位并焊接，對接焊縫100%UT（Ultrasonic Test，超聲波檢驗）探傷。

（2）搭設腳手架及相應平臺。

3.3 剛性支腿的修復

將剛性支腿下部變形部分按內側腹板、蓋板、外側腹板依次割除并更換。

（1）畫線切割剛性支腿變形處的內側腹板，切割精確尺寸按需更換上去的內側腹板實際尺寸+5 mm（便于組裝及焊縫留出間隙）。平直的割縫切割設備優(yōu)先選用半自動切割小車，圓弧彎曲部位由操作人員使用手工切割完成。

（2）坡口開制，在起重機上的腹板上下割口處開制單面30°坡口，切割設備優(yōu)先選用半自動切割小車，完成后將坡口位置腹板兩側的割渣、油漆等雜物清理干凈，用磨光機將腹板內外兩側20 mm范圍內修磨出金屬光澤。

（3）內側角鋼的切割，在切割腹板的時候將腹板對應部位的內側角鋼一并割除。上部豎直的角鋼由腹板割口向上再切割（300～500）mm，注意切割時不得傷及腹板母材，待將腹板就位后將角鋼補齊。

（4）內部大筋板的填加，將已經解體的大筋板逐件從腹板切開的部位吊裝至支腿內部，組裝到位后焊接。

（5）腹板焊縫的焊接，采用CO2氣體保護焊進行焊接，先焊接腹板上下對接焊縫，焊接完成后進行100%UT探傷，探傷合格后再進行下一道工序。整個焊接可由焊工進行全位置焊接，為保證探傷質量，可以采用雙面焊接的方式，背面打底后正面清根后再焊，采用多層多道焊接，注意層道間的清理及熔合，不得夾雜以影響探傷質量。

（6）蓋板切割，切割精確尺寸按需更換上去的蓋板實際尺寸+5 mm。平直的割縫切割設備優(yōu)先選用半自動切割小車，圓弧彎曲部位由操作人員使用手工切割完成。兩側蓋板需要分步切割焊接，先將一側的蓋板切割進行更換，焊接完成后再按照同樣方法更換另一塊蓋板。

（7）坡口開制，在起重機上的蓋板上、下割口處開制單面30°坡口，切割設備優(yōu)先選用半自動切割小車，完成后將坡口位置蓋板兩側的割渣、油漆等雜物清理干凈，用磨光機將蓋板內外兩側20 mm范圍內修磨出金屬光澤。

（8）蓋板焊縫的焊接，采用CO2氣體保護焊進行焊接，先焊接蓋板上下對接焊縫，焊接完成后進行100%UT探傷，探傷合格后再焊接蓋板與內側腹板的角焊縫。整個焊接可由焊工進行全位置焊接，為保證探傷質量，可以采用雙面焊接的方式，背面打底后正面清根后再焊，采用多層多道焊接，注意層道間的清理及熔合，不得夾雜以影響探傷質量。

（9）外側腹板的更換，參照內側腹板更換步驟和方法執(zhí)行。注意：外側腹板上有門，切割的短縫較多，門的切割尤其重要，切割的時候不得傷及門框的母材，門框外側的包邊先行割除，待腹板更換完成后再復原裝焊（圖5）。

3.4 檢驗

檢驗與修復工作同步進行，每修復完成一道焊縫需按要求進行檢驗合格后才能進入下一步的工作。

3.5 其余部件的修復或復位

（1）對剛性支腿修復部位處的電梯井進行修復，恢復電梯的正常運行。

（2）對梯子、平臺、電氣等與維修部位相關的部件進行重新安裝調整。

3.6 其他

（1）風繩、錨定、支撐梁等結構件的拆除。

（2）對大車運行機構的車輪同位差等參數進行調整并檢驗。

3.7 涂裝并按標準要求對整機進行試驗

起重機的試驗應遵循GB/T 5905—2011規(guī)定的規(guī)范和程序。

圖5 現場剛性支腿修復

4 結束語

大型造船龍門支腿變形因設備自重大，修復難度高，此次剛性支腿變形修復方案的成功實施，為此類超大型造船龍門的支腿修復提供了很好的實踐驗證，也為大型造船門機類似部位的修復開拓了思路，指引新的方向。