岸边集装箱装卸桥金属结构裂纹的诊断与控制

岸边集装箱装卸桥金属结构裂纹的诊断与控制2008年9月25日1 断裂力学的裂纹扩展机理断裂力学是研究具有初始缺陷的材料和结构强度的有力工具，它结合现代的无损探伤技术，能够克服传统研究方法中所表现出的弊端，如定量计入初始缺陷对疲劳寿命的影响，以裂纹的尺寸大小和裂纹的扩展速率作为结构损伤大小的判据，来判定剩余寿命和巡检周期等1。裂纹尖端应力强度因子是这一方法的基础，在裂纹临界扩展阶段，当应力强度因子幅值K小于门槛值Kth时，裂纹扩展速率da/dN的对数和应力强度因子幅值K的对数之间关系可用Paris公式描述。裂纹体存在一个临界裂纹长度ac，当存在的裂纹长度aac时，表示该裂纹体可以继续使用，如果aac，表示该裂纹体不可使用。ac是可通过材料的断裂韧性常数KIC和材料应力场的分布数据求得（1）式中 KIC材料的疲劳断裂韧性F修正系数，取11.12max裂纹处最大主应力值min裂纹处最小应力值对于港口起重机金属结构，在计算ac时，可近似地采用min=0，即不吊重物时，构件裂纹处的应力为0。这样计算值ac小于实际值，同时也有利于做出更安全的判断。max可通过应力测量测出或者有限元法算出2-3。2 裂纹的寿命诊断和控制2.1 巡检部位的确定起重机金属结构件产生裂纹的原因主要有超负荷工作、起重机失修、设计制造与材料的缺陷以及焊接工艺等的影响。港口起重机金属结构常见裂纹主要出现在焊缝及热影响区与结构应力集中处，如箱形结构尖角处、变截面处、非回滑过渡处等构件截面转折或突变部位。一般裂纹发生在构件应力值比较大和应力集中的部位，且裂纹扩展有可能达到临界长度ac，而出现失稳扩展。通过ANSYS分析集装箱起重机前桥板壳在各个工况的受力情况，获得其各工况应力云图，经分析对比，确定图1中的A、B、C3处的应力较大，是应重点巡检部位。图1 前桥板壳的巡检部位示意图图2 巡检部位C的裂纹敏感区在没有应力云图参考的情况下，港口机械维护人员也可以采用应力测试仪，参考图3对港口起重机进行巡检，实测最大第1主应力值。然后可根据巡检部位的最大第1主应力值，用裂纹寿命估算的方法推算出裂纹的使用寿命和巡检周期。图3 55t-52.5m岸边集装箱装卸桥巡检部位1重点巡检部位I 2重点巡检部位II2.2 裂纹寿命估算构件的裂纹从a0扩展到ac所需应力循环次数（2）式中的c，m为材料常数，可由试验确定。若规定每一次装卸为一个应力循环，每天装卸时间为t h，每小时装卸次数为l，再考虑一个安全储备n（安全系数），可得到构件裂纹从a0扩展到ac的时间（天数）T=N/ntl，裂纹的巡检周期S=T/103。2.3 裂纹寿命算例集装箱装卸桥某构件材料为Q235，a0=20mm，应力循环min=0，用应力测试仪测得该处max=62 MPa，取，c=（66.5）10-14，m=3.84.4。由计算获得：ac=2418 mm，N=2245250次，取每小时装卸次数l=25次，每天装卸时间=16h，安全系数n=3，则裂纹剩余寿命为5 a。巡检周期为0.5 a。由于安全使用期限较长，所以，港口可根据算得的巡检周期对该处裂纹的长度进行监控，而不用停机检修，使生产受任何影响3。2.4 结构裂纹的修理措施（1）确定裂纹产生的原因是否属于疲劳、锈蚀、脆性、焊接应力等，再根据裂纹产生的原因确定进行裂纹堆焊，或者更换损伤段母材。在用焊接嵌入物的方法更换损伤段时，沿封闭接口的对接应采用高塑性焊条；（2）确定裂纹的长度与深度，必要时用着色、探伤等方式确定是穿透性或非穿透性裂纹，然后制订相应的修理方法；（3）修理非穿透性裂纹时，采用焊缝沿裂纹深度整个焊透的单面焊接的方法，并沿裂纹端部钻止裂孔或者反向补焊的对接焊缝施焊，止裂孔不补焊。需要密封时，用油灰填平。在厚度超过12 mm的构件上有非穿透性裂纹时，焊缝边的斜面应制作到裂纹整个深度；（4）修理穿透性裂纹时，要揭露整个裂纹的长度，并沿裂纹长度方向预制焊缝边。在裂纹尾部钻直径810 mm的止裂孔。必要时可采用焊缝反面的底焊和借助垫板焊接。不允许对裂纹进行不完全补焊，并对止裂孔不补焊；（5）发现焊缝有裂纹或者其他缺陷时，去掉裂纹长度加15 mm，然后重新补焊。用气割方法消除有其他缺陷的焊缝时，要修整到有金属光泽。补焊时，该区域加热到180200再进行，补焊次数不宜多于3次；（6）推荐用刚性肋，加强带有铰支座和承受径向载荷、轴向载荷腹板土的已补焊的环形裂纹，如运行车架的腹板等3。3 结论利用断裂力学法求解金属结构的疲劳寿命问题，是为了协助港口现场设备管理人员从偏于安全的角度，尽量用直观的方法分析和解决港口起重机金属结构的裂纹诊断问题。所编写的裂纹诊断与维修子系统软件，已经在上海等港口加以推广应用。利用该方法计算出的穿透性裂纹出现的时间与实际情况中发现结构的开裂时间基本相同1。港机多采用低碳钢材料，该类材料断裂力学特征常数、等效初始裂纹长度与初始缺陷的关系等还需要进一步的实验研究和实际积累，以期最终较好地解决港机金属结构裂纹诊断和控制的问题。