门式起重机金属结构疲劳裂纹分析与修理方法.doc

门式起重机金属结构疲惫裂痕分析与修理方法

关于门式起重机的金属结构而言，微裂痕的产生和扩展在实际工作中根本无法预防和监测。因为人们往往关心宏观裂痕的扩展时间，而微裂痕却在被忽视的同时已加速扩展，最后形成宏观裂痕，使得门式起重机存在严重的安全隐患。
    在日常的检验中，起重机的检验重点是确定结构的损伤部位，寻找与损伤部位相关连的缺陷:
    1)结构构件和焊缝中的裂痕；
    2)组合件及其组成构件和局部残余变形；
    3)铆接和螺栓连接零件的位移；
    4)组合件的闭合箱体和结构件的锈蚀；
    5)钢轧板件发生分化；
    6)铰连接构件机械连接的损伤和磨损。
    不难看出这六个方面最难发现的就是裂痕，裂痕造成的危害极大，引起起重机时有臂架折断、圆筒整体断裂等恶性事故。
    为此，笔者针对性地研究疲惫裂痕的扩展因素以及相应的裂痕修理方法。
    一、疲惫裂痕的扩展
    关于宏观裂痕尺寸，其扩展只取决于整体的工作性质和条件，而不是某个局部的性质和条件。从线弹性力学观点来讲，宏观裂痕的扩展可用应力强度因子来描述。然而，正如静态加载裂痕一样，在扩展的疲惫裂痕尖端处也存在塑性区，这些塑性区的存在对裂痕的扩展也会产生重大影响。此外，环境也是影响宏观裂痕扩展的一个重要因素。

    对疲惫微裂痕扩展而言，关键在于裂痕从初始尺寸扩展到最大尺寸的同意值是多少，此时结构恰好能避免破坏。因此，疲惫裂痕的扩展可用三个参数来描述，即初始裂痕尺寸、最大同意裂痕尺寸及裂痕扩展周期来描述。其中，用无损检测技术能可靠测得裂痕的最小尺寸，它并不一定等于初始裂痕尺寸，而是取决于采纳何种无损检测技术。而在原理上能用线弹性断裂力学或弹塑性断裂力学来确定，以便预示裂痕失稳断裂的开始。
    二、焊接结构断裂因素分析
    对门式起重机这样的大型焊接结构，引起其脆性断裂的因素很多，包括温度、材料韧性、焊接工艺、残余应力、疲惫、约束等。但断裂力学认为，本质上有影响的因素只有三个(其它因素只是影响这三个因素)，即材料韧性、裂痕尺寸和应力水平。
    1、材料韧性
    含缺口的材料在缓慢加载及线弹性特性状况下，承受载荷或抗塑性变形的能力可以用平面应力的临界强度因子或平面应变的临界强度因子来描述；在最大约束冲击或动力加载及线弹性特性状况下，用动态应力强度因子来描述。
    2、裂痕尺寸
    复杂的焊接结构在制造时总会存在一些缺陷(气孔、未熔合、未焊透、表面夹渣、裂痕、焊瘤等)，而脆性断裂总是从各种形式的细小缺陷开始，经过疲惫和应力腐蚀就可能扩展到临界尺寸。
    3、应力水平
    应力是引起脆性断裂的必要条件，使用各种应力分析技术可确定该应力的大小。
    总之，断裂力学建立在应力分析基础上，用应力强度因子描述裂痕尖端应力场的强度，反映裂痕扩展和材料的断裂行为；用应力及裂痕尺寸描述断裂特性，并猜测结构对脆性断裂的敏感性。将这三个因素联系起来，可以定量评价结构的安全性和可靠性。

  三、裂痕易产生的部位
    起重机的裂痕主要产生在焊缝区(母材或者焊缝本身)结构截面转折区或突变部位。表1是起重机容易产生裂痕的部位列表。

    四、裂痕修理常规原则及方法
    1、在制定、修理和焊接连接的构造时应选择具有最小应力集中的方案。假设在进行焊接修理时，应在合计等强度原则前提下，采纳碱性焊条。
    2、在裂痕长度不超过被损伤构件截面尺寸的5%以上时，应尽可能不采纳焊接方法进行修理，因为焊缝的存在可能使应力集中系数急剧增大。而推举使用钻止裂孔的方法。在对裂痕状态进行周期性观察的条件下，可能会发现不用对裂痕再予以补焊就能使裂痕停止扩展。如果在周期观察时发现裂痕端部在持续扩展，并超出止裂孔的范围，那么起重机应停止工作，直到采用适当的修复手段消除裂痕的持续扩展为止。
    3、在发现分化(轧制板层化现象)时，为显示其在板厚中的分布可用细凿刺入扎件外表面直到碰到坚实的金属，故障检验应合计到分化时板截面的削弱。如果构件还具有工作能力，所有的分化表面应清除，在金属中的形成凸尖角应刨光。
    4、在可能的状况下，应尽可能采纳对接焊缝。但关于型材，如果采纳直接对接的话，有较大的应力集中，因此不推举采纳直接对接的方式。在采纳对接焊缝进行修理时，如果原有焊缝是经过打磨处理的，则推举修理后该处焊缝也进行打磨处理。焊接时要求坡口形状和间隙应符合有关国标或国标中对接焊缝的要求，并应在修理方案图纸上标注引出垫板的所有尺寸(如果需加引出垫板的话)。如果不需打坡口，则用于对接的两块板厚度差也应符合有关标准的要求。
    5、角焊缝一般在焊缝截面上应具有凹或平整的截面形状，角焊缝的高度a不应超过0.7S(s为用角焊缝联接的两块板中较薄板的厚度)。如果S1.5a,同意采纳两面角焊缝，否则两焊缝之间的距离应满足L2S。(见图1)

    6、关于箱形截面构件，腹板和翼板的局部强化不同意采纳焊接垫板。
    7、同意用焊接垫板整体强化梁的翼板的型材截面杆件。
    8、在构件腹板上添置补充刚性肋时不推举把其放置在距离工具对接焊缝或者装配对接焊缝100mm以内(图2)。刚性肋的自由度端应按图4制造。在肋的端部应从肋的两边和端部焊牢(图3)。推举打磨端部焊缝，以形成向母材平滑过渡。

  9、为了加强局部稳定性而在构件腹板上添置补充刚性肋时，如果生产厂家在生产时添加了对接焊缝，则应将刚性肋放置在距对接焊缝100mm-200mm以外刚性肋的自由端，按图4的弧度制造，并推举打磨焊缝，以形成向母材的平滑过渡。
    10、在借助于嵌入物的方法改换被损伤段时，沿封闭裂口的对接应采纳塑性较高的焊条(可略低于母材强度)。对没有扩展到外边缘的疲惫裂痕构件的修理，应采纳沿裂痕的端部钻孔方法，以防止应力集中作用扩展裂痕；同时用反向焊补的对接焊缝施焊或者焊缝沿裂痕深度整个焊透的单面焊接的方法完成，在焊补裂痕时被钻的孔不补焊(如果需要密封，止裂孔可用油灰填充)。如果条件限制不能按上述方法实施，则作为例外，同意用角缝接的垫板覆盖。此时，焊缝可以不焊补，但必须在焊缝端部钻孔。
    11、推举用刚性肋补充强化带有铰支座和除承受径向载荷外还承受轴向载荷腹板上的已补焊环形裂痕。在图4中给出了补焊环形裂痕后，再用刚性肋补充强化的例子。

    12、在修理节点板与弦杆联接焊缝中的裂痕时，推举切除节点板的一部分，并打磨切口表面和插入板的边缘(图5)。

    通过对上述修理方法的应用，门式起重机金属结构的疲惫裂痕得以较好地修复，具有较高的有用价值。因此，笔者认为在日常工作中以上方法值得推广。