基于應(yīng)變測試法和磁記憶檢測法檢測起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)

龐瀛洲

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院張家港分院，江蘇 張家港 215600）

港口門座式起重機(jī)作為碼頭貨物裝卸的主要設(shè)備，其工作環(huán)境較惡劣，載荷繁重，每日工作循環(huán)次數(shù)多。因此隨著使用時(shí)間的推移，在載荷、環(huán)境等因素的作用下，起重機(jī)整體性能必然會(huì)衰退。依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，起重機(jī)通常設(shè)計(jì)使用年限為20 年，而所檢測的門座式起重機(jī)于1996 年生產(chǎn)并投入使用，至今已累計(jì)投入運(yùn)行達(dá)22 年，超過了起重機(jī)的一般設(shè)計(jì)使用年限。并且由于該起重機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)制造工藝較為老舊落后，使用單位為保證設(shè)備使用安全，特委托江蘇特檢院張家港分院對(duì)該設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行全面安全評(píng)估。為盡早發(fā)現(xiàn)老舊起重機(jī)存在的隱患，采用應(yīng)變檢測方法和磁記憶檢測方法對(duì)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢驗(yàn)。該門座起重機(jī)設(shè)備型號(hào)為MQ16-30A6，額定載荷為16T，變幅區(qū)間為8.5 ～16m。應(yīng)力測試工況為：起始起重機(jī)位于最小幅度，起升鋼絲繩處于松弛狀態(tài)，載荷通過吊具掛于吊鉤之上，隨后起升載荷至載荷完全脫離地面，保持載荷靜止后，啟動(dòng)變幅機(jī)構(gòu)至最大幅度，待載荷靜止后，下降載荷至起升鋼絲繩松弛。應(yīng)力測試載荷分別為：空載、5.54T、10.08T、14.62T。

1 應(yīng)力測試點(diǎn)

依據(jù)門座式起重機(jī)檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)起重機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和參考仿真計(jì)算結(jié)果，測點(diǎn)選取位置如圖1 所示。

圖1 應(yīng)力測試點(diǎn)分布圖

應(yīng)力測試點(diǎn)詳細(xì)位置說明如表1 所示。

表1 應(yīng)力測量位置表

2 起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試值

門座起重機(jī)在不同載荷下每個(gè)應(yīng)變測試點(diǎn)應(yīng)力測量值如表2 所示。

表2 各測試點(diǎn)應(yīng)力測量結(jié)果

圖2 各測試點(diǎn)應(yīng)變曲線圖

圖2 為在測試工況下各應(yīng)變測量點(diǎn)的應(yīng)變曲線圖，由圖中可以看到9#測試點(diǎn)應(yīng)變花三方向的應(yīng)變數(shù)據(jù)呈現(xiàn)同號(hào)同方向變化。由于采用第四強(qiáng)度理論進(jìn)行檢驗(yàn)，9#測試點(diǎn)計(jì)算獲得的應(yīng)力數(shù)值并不大。但通過對(duì)起重機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，變幅機(jī)構(gòu)作用力直接作用于9#測試點(diǎn)位置從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)臂架系統(tǒng)的變幅運(yùn)動(dòng)，并且該處金屬結(jié)構(gòu)受到典型疲勞載荷作用，因此采用磁記憶檢測設(shè)備對(duì)該處金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)檢。

3 磁記憶檢測理論及檢測結(jié)果

3.1 磁記憶無損檢測的機(jī)理

對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)的各種微觀和宏觀缺陷，磁記憶技術(shù)對(duì)之檢測的機(jī)理更類似于磁粉檢測，如圖3 所示，磁力線在通過缺陷處的介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生畸變，形成表面漏磁場，通過對(duì)漏磁昌Hp 的測定，來對(duì)缺陷進(jìn)行判斷。

圖3 缺陷漏磁場的產(chǎn)生

如圖4 所示，對(duì)于應(yīng)力集中區(qū)，磁記憶檢測技術(shù)探測的機(jī)理可以表述為：處于地磁環(huán)境下的鐵磁工件受工作載荷的作用，其內(nèi)部發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向的和不可逆的重新取向，并在應(yīng)力與變形集中區(qū)形成局部磁極，即漏磁場Hp。漏磁場Hp 的切向分量Hp(x)具有最大值，而法向分量Hp(y)改變符號(hào)且具有零值點(diǎn)。這種磁狀態(tài)的不可逆變化在工作載荷消除后繼續(xù)保留。從而通過漏磁場的法向分量Hp(y)及其在長度方向的梯度值的測定，便可以準(zhǔn)確地推斷工件的應(yīng)力集中區(qū)。

圖4 外磁場作用下的應(yīng)力集中區(qū)的表面漏磁場

3.2 磁記憶檢測結(jié)果

對(duì)測試點(diǎn)9 進(jìn)行磁記憶檢測，該處金屬結(jié)構(gòu)磁記憶檢測結(jié)果如圖5 所示，并且在檢測現(xiàn)場對(duì)檢測結(jié)果異常區(qū)進(jìn)行標(biāo)記，標(biāo)記區(qū)域如圖6 所示。通過磁記憶檢測圖線可知測試點(diǎn)9 處有強(qiáng)烈的磁記憶信號(hào)波動(dòng)，反復(fù)過零點(diǎn)，漏磁場梯度明顯超過閾值，可以推測此處是應(yīng)力集中區(qū)，并且金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在缺陷。

圖5 測試點(diǎn)9 漏磁場強(qiáng)度Hp(y)分布曲線(上)和漏磁場梯度dH/dx 分布圖

4 檢測結(jié)論

由于該起重機(jī)的主要金屬結(jié)構(gòu)所用材料為Q235， 其 屈 服 強(qiáng) 度為235MPa，據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3811-2008《 起 重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》許用應(yīng)力235/1.34=174.07MPa，由應(yīng)力測量結(jié)果可以得出，金屬結(jié)構(gòu)的最大工作應(yīng)力67.62MPa，位于象鼻架上，且最大工作應(yīng)力小于設(shè)計(jì)許用應(yīng)力。雖然測量的最大工作應(yīng)力小于許用應(yīng)力，但不意味著金屬結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度和使用壽命，其原因如下：在測試點(diǎn)9(大臂連接鉸點(diǎn))處計(jì)算獲得的應(yīng)力值雖然不大，但該處第一和第三主應(yīng)力為同號(hào)應(yīng)力?？紤]到測試點(diǎn)9 處金屬結(jié)構(gòu)同時(shí)承受臂架系統(tǒng)自身重力、變幅機(jī)構(gòu)推拉力以及焊接時(shí)產(chǎn)生的焊接應(yīng)力，因此該處金屬結(jié)構(gòu)存在較大的固有應(yīng)力，并且部分金屬區(qū)域可能存在三向同號(hào)主應(yīng)力。依據(jù)第四強(qiáng)度理論，材料發(fā)生屈服失效的主要原因是畸變能密度達(dá)到極限值，即不論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)危險(xiǎn)點(diǎn)的畸變能密度達(dá)到材料的單向拉伸屈服強(qiáng)度時(shí)，材料就發(fā)生屈服失效。在考慮安全系數(shù)之后，第四強(qiáng)度計(jì)算公式為：，從計(jì)算公式可以看出，當(dāng)金屬承受三向同號(hào)且數(shù)值相近的主應(yīng)力時(shí)，材料的屈服強(qiáng)度貌似可以無限大，實(shí)際上是金屬材料塑形下降進(jìn)入脆性狀態(tài)，當(dāng)某一主應(yīng)力超過材料強(qiáng)度時(shí)則發(fā)生脆斷[E]。同時(shí)通過對(duì)該處金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行磁記憶檢測，發(fā)現(xiàn)測試點(diǎn)9 有多處高應(yīng)力區(qū)和疲勞損傷區(qū)，因此該區(qū)域金屬材料存在老化和脆化。

通過對(duì)門座起重機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析可知，此處金屬結(jié)構(gòu)難以更換修理，并且結(jié)合該起重機(jī)使用時(shí)間已超過一般設(shè)計(jì)年限，因此從經(jīng)濟(jì)性和安全性上建議設(shè)備使用單位及時(shí)更換該設(shè)備。

圖6 現(xiàn)場標(biāo)記磁記憶檢測異常區(qū)