門式起重機金屬結(jié)構(gòu)疲勞裂紋分析與修理方法.doc

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門式起重機金屬結(jié)構(gòu)疲勞裂紋分析與修理方法 對于門式起重機的金屬結(jié)構(gòu)而言，微裂紋的產(chǎn)生和擴展在實際工作中根本無法預防和監(jiān)測。因為人們往往關(guān)心宏觀裂紋的擴展時間，而微裂紋卻在被忽視的同時已加速擴展，最后形成宏觀裂紋，使得門式起重機存在嚴重的安全隱患。 在日常的檢驗中，起重機的檢驗重點是確定結(jié)構(gòu)的損傷部位，尋找與損傷部位相關(guān)連的缺陷: 1)結(jié)構(gòu)構(gòu)件和焊縫中的裂紋； 2)組合件及其組成構(gòu)件和局部殘余變形； 3)鉚接和螺栓連接零件的位移； 4)組合件的閉合箱體和結(jié)構(gòu)件的銹蝕； 5)鋼軋板件發(fā)生分化； 6)鉸連接構(gòu)件機械連接的損傷和磨損。 不難看出這六個方面最難發(fā)現(xiàn)的就是裂紋，裂紋造成的危害極大，引起起重機時有臂架折斷、圓筒整體斷裂等惡性事故。 為此，筆者針對性地研究疲勞裂紋的擴展因素以及相應的裂紋修理方法。 一、疲勞裂紋的擴展 對于宏觀裂紋尺寸，其擴展只取決于整體的工作性質(zhì)和條件，而不是某個局部的性質(zhì)和條件。從線彈性力學觀點來講，宏觀裂紋的擴展可用應力強度因子來描述。然而，正如靜態(tài)加載裂紋一樣，在擴展的疲勞裂紋尖端處也存在塑性區(qū)，這些塑性區(qū)的存在對裂紋的擴展也會產(chǎn)生重大影響。此外，環(huán)境也是影響宏觀裂紋擴展的一個重要因素。 對疲勞微裂紋擴展而言，關(guān)鍵在于裂紋從初始尺寸擴展到最大尺寸的允許值是多少，此時結(jié)構(gòu)恰好能避免破壞。因此，疲勞裂紋的擴展可用三個參數(shù)來描述，即初始裂紋尺寸、最大允許裂紋尺寸及裂紋擴展周期來描述。其中，用無損檢測技術(shù)能可靠測得裂紋的最小尺寸，它并不一定等于初始裂紋尺寸，而是取決于采用何種無損檢測技術(shù)。而在原理上能用線彈性斷裂力學或彈塑性斷裂力學來確定，以便預示裂紋失穩(wěn)斷裂的開始。 二、焊接結(jié)構(gòu)斷裂因素分析 對門式起重機這樣的大型焊接結(jié)構(gòu)，引起其脆性斷裂的因素很多，包括溫度、材料韌性、焊接工藝、殘余應力、疲勞、約束等。但斷裂力學認為，本質(zhì)上有影響的因素只有三個(其它因素只是影響這三個因素)，即材料韌性、裂紋尺寸和應力水平。 1、材料韌性 含缺口的材料在緩慢加載及線彈性特性情況下，承受載荷或抗塑性變形的能力可以用平面應力的臨界強度因子或平面應變的臨界強度因子來描述；在最大約束沖擊或動力加載及線彈性特性情況下，用動態(tài)應力強度因子來描述。 2、裂紋尺寸 復雜的焊接結(jié)構(gòu)在制造時總會存在一些缺陷(氣孔、未熔合、未焊透、表面夾渣、裂紋、焊瘤等)，而脆性斷裂總是從各種形式的細小缺陷開始，經(jīng)過疲勞和應力腐蝕就可能擴展到臨界尺寸。 3、應力水平 應力是引起脆性斷裂的必要條件，使用各種應力分析技術(shù)可確定該應力的大小。 總之，斷裂力學建立在應力分析基礎(chǔ)上，用應力強度因子描述裂紋尖端應力場的強度，反映裂紋擴展和材料的斷裂行為；用應力及裂紋尺寸描述斷裂特性，并預測結(jié)構(gòu)對脆性斷裂的敏感性。將這三個因素聯(lián)系起來，可以定量評價結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。三、裂紋易產(chǎn)生的部位 起重機的裂紋主要產(chǎn)生在焊縫區(qū)(母材或者焊縫本身)結(jié)構(gòu)截面轉(zhuǎn)折區(qū)或突變部位。表1是起重機容易產(chǎn)生裂紋的部位列表。 四、裂紋修理常規(guī)原則及方法 1、在設(shè)計、修理和焊接連接的構(gòu)造時應選擇具有最小應力集中的方案。若在進行焊接修理時，應在考慮等強度原則前提下，采用堿性焊條。 2、在裂紋長度不超過被損傷構(gòu)件截面尺寸的5%以上時，應盡可能不采用焊接方法進行修理，因為焊縫的存在可能使應力集中系數(shù)急劇增大。而推薦使用鉆止裂孔的方法。在對裂紋狀態(tài)進行周期性觀察的條件下，可能會發(fā)現(xiàn)不用對裂紋再予以補焊就能使裂紋停止擴展。如果在周期觀察時發(fā)現(xiàn)裂紋端部在繼續(xù)擴展，并超出止裂孔的范圍，那么起重機應停止工作，直到采取適當?shù)男迯褪侄蜗鸭y的繼續(xù)擴展為止。 3、在發(fā)現(xiàn)分化(軋制板層化現(xiàn)象)時，為揭示其在板厚中的分布可用細鑿刺入扎件外表面直到碰到堅實的金屬，故障檢驗應考慮到分化時板截面的削弱。如果構(gòu)件還具有工作能力，所有的分化表面應清除，在金屬中的形成凸尖角應刨光。 4、在可能的情況下，應盡可能采用對接焊縫。但對于型材，如果采用直接對接的話，有較大的應力集中，因此不推薦采用直接對接的方式。在采用對接焊縫進行修理時，如果原有焊縫是經(jīng)過打磨處理的，則推薦修理后該處焊縫也進行打磨處理。焊接時要求坡口形狀和間隙應符合有關(guān)國標或國標中對接焊縫的要求，并應在修理方案圖紙上標注引出墊板的所有尺寸(如果需加引出墊板的話)。如果不需打坡口，則用于對接的兩塊板厚度差也應符合有關(guān)標準的要求。 5、角焊縫一般在焊縫截面上應具有凹或平整的截面形狀，角焊縫的高度a不應超過0.7S(s為用角焊縫聯(lián)接的兩塊板中較薄板的厚度)。如果S1.5a,允許采用兩面角焊縫，否則兩焊縫之間的距離應滿足L2S。(見圖1) 6、對于箱形截面構(gòu)件，腹板和翼板的局部加強不允許采用焊接墊板。 7、允許用焊接墊板整體加強梁的翼板的型材截面桿件。 8、在構(gòu)件腹板上添置補充剛性肋時不推薦把其放置在距離工具對接焊縫或者裝配對接焊縫100mm以內(nèi)(圖2)。剛性肋的自由度端應按圖4制造。在肋的端部應從肋的兩邊和端部焊牢(圖3)。推薦打磨端部焊縫，以形成向母材平滑過渡。 9、為了增強局部穩(wěn)定性而在構(gòu)件腹板上添置補充剛性肋時，如果生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)時添加了對接焊縫，則應將剛性肋放置在距對接焊縫100mm-200mm以外剛性肋的自由端，按圖4的弧度制造，并推薦打磨焊縫，以形成向母材的平滑過渡。 10、在借助于嵌入物的方法更換被損傷段時，沿封閉裂口的對接應采用塑性較高的焊條(可略低于母材強度)。對沒有擴展到外邊緣的疲勞裂紋構(gòu)件的修理，應采用沿裂紋的端部鉆孔方法，以防止應力集中作用擴大裂紋；同時用反向焊補的對接焊縫施焊或者焊縫沿裂紋深度整個焊透的單面焊接的方法完成，在焊補裂紋時被鉆的孔不補焊(如果需要密封，止裂孔可用油灰填充)。如果條件限制不能按上述方法實施，則作為例外，允許用角縫接的墊板覆蓋。此時，焊縫可以不焊補，但必須在焊縫端部鉆孔。 11、推薦用剛性肋補充加強帶有鉸支座和除承受徑向載荷外還承受軸向載荷腹板上的已補焊環(huán)形裂紋。在圖4中給出了補焊環(huán)形裂紋后，再用剛性肋補充加強的例子。 12、在修理節(jié)點板與弦桿聯(lián)接焊縫中的裂紋時，推薦切除節(jié)點板的一部分，并打磨切口表面和插入板的邊緣(圖5)。 通過對上述修理方法的應用，門式起重機金屬結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋得以較好地修復，具有較高的實用價值。因此，筆者認為在日常工作中以上方法值得推廣。 第 5 頁 共 5 頁