港口起重設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)性能壽命綜合評估分析

摘要：在介紹了大型港口起重設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)性能壽命損失容限分析法和名義應(yīng)力法等評估方法后，對混合評估體系中評價值的合成進(jìn)行了認(rèn)真分析。最后，以某港口1臺門座起重機(jī)為檢測與評估分析對象，對其剩余使用壽命和綜合工作性能進(jìn)行了認(rèn)真分析研究。

關(guān)鍵詞：港口；起重設(shè)備；金屬結(jié)構(gòu)；性能壽命；檢測評估

中圖分類號: U653.92文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791(2011)02(b)-0000-00

全球經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，國際貿(mào)易得到快速發(fā)展，其中約90%以上的國際貿(mào)易量是通過水路航運(yùn)運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)。考慮到運(yùn)輸量的劇增，以及運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性的進(jìn)一步提高，船舶也基本趨向于大型化、集成化、專業(yè)化，在很大程度上推動了港口碼頭起重機(jī)械設(shè)備朝著重型、大功率、高速、專業(yè)化等方向快速發(fā)展。目前，大型港口岸橋其起重重量已高達(dá)65t，外伸距離也可以達(dá)到70m以上。金屬結(jié)構(gòu)是港口起重機(jī)械設(shè)備的核心支撐，其大約占整機(jī)重量的70~90%，也就是說起重設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)性能發(fā)生下降或失效，輕者會倒在起重機(jī)械設(shè)備失去其應(yīng)有的起吊運(yùn)輸功能，重者可能會給生產(chǎn)和工作人員人身財產(chǎn)安全帶來巨大危害。起重設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)在循環(huán)載荷或者隨機(jī)波動載荷等條件下持續(xù)工作，疲勞損傷破壞是一種主要的性能下降或失效因素，尤其對于已進(jìn)入服役后期或超服役階段的重型起重機(jī)械設(shè)備而言，其機(jī)械零件、金屬結(jié)構(gòu)等均存在不同程度的疲勞損傷，對港口碼頭起吊運(yùn)輸生產(chǎn)埋下巨大安全隱患，因此，對現(xiàn)役港口起重機(jī)械設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性能，充分考慮設(shè)備存在疲勞壽命問題，確保港口碼頭安全穩(wěn)定的運(yùn)輸生產(chǎn)，就已成為港口碼頭企業(yè)科學(xué)管理和安全高效生產(chǎn)研究的一個重要課題。

1 港口起重設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)性能壽命評估方法

1.1 損失容限分析法

上海海運(yùn)學(xué)院將斷裂力學(xué)理論應(yīng)用到金屬結(jié)構(gòu)疲勞分析中，形成損傷容限分析法。首先，根據(jù)待測金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試數(shù)據(jù)結(jié)果，以超過允許標(biāo)準(zhǔn)界限應(yīng)力的部位作為金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命計算監(jiān)控點(diǎn)。然后，根據(jù)計算監(jiān)控點(diǎn)的實(shí)測應(yīng)力數(shù)據(jù)計算出金屬結(jié)構(gòu)的臨界裂紋尺寸。其次，根據(jù)裂紋擴(kuò)展機(jī)理，結(jié)合起重設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)條件給出可能的裂紋模式。再次，根據(jù)裂紋模式計算出金屬結(jié)構(gòu)體中各疲勞裂紋計算點(diǎn)的裂紋擴(kuò)展壽命。最后，根據(jù)計算結(jié)果，起重機(jī)械設(shè)備的實(shí)際工作情況等因素，確定設(shè)備安全巡檢周期，以提高大型港口機(jī)械設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)綜合性能和使用壽命。

1.2 名義應(yīng)力法

名義應(yīng)力法是以疲勞強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)，形成的一種適用范圍較廣、應(yīng)用效果較好的大型港口起重機(jī)械設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)剩余疲勞壽命估算法。首先，根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試結(jié)果、應(yīng)力分析、以及實(shí)際工作中破壞概率情況等統(tǒng)計數(shù)據(jù)資料，確定起重機(jī)械設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)中可能存在的危險部位。然后，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)獲得金屬結(jié)構(gòu)確定疲勞載荷譜，并結(jié)合峰值法和雨流法等對金屬結(jié)構(gòu)疲勞載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)統(tǒng)計分析。其次，利用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范要求，求出待測金屬結(jié)構(gòu)相應(yīng)的S_N曲線，并由Miner理論計算出金屬結(jié)構(gòu)疲勞危險部位的結(jié)構(gòu)損傷值。再次，根據(jù)結(jié)構(gòu)損傷值累積計算出損傷比之和，并根據(jù)累積損傷之和的倒數(shù)求出該金屬結(jié)構(gòu)安全的總循環(huán)次數(shù)，在減去已使用的次數(shù)后，就可以估算出該金屬結(jié)構(gòu)的剩余壽命。最后，根據(jù)港口起重機(jī)械設(shè)備的綜合使用工況等因素，從而給出推薦的安全巡檢周期，確保港口起重機(jī)等特種起吊設(shè)備運(yùn)輸設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)具有較高安全穩(wěn)定性能。

2 港口起重機(jī)械設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)性能壽命混合評估體系

應(yīng)用安全性評價系統(tǒng)對港口起重機(jī)械設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)性能壽命進(jìn)行綜合評估分析，可以大大提高起重設(shè)備綜合使用安全性能和壽命。目前，應(yīng)用到起重設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)性能壽命評估的系統(tǒng)較多，但由于港口起重設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)性能影響因素較多，加上其工作條件較為復(fù)雜，單一的評估體系很難真實(shí)反映金屬結(jié)構(gòu)疲勞損傷情況，因此，需要在性能壽命評估體系中，引入兩種或兩種以上的合成評估模型形成混合評估體系模型。

2.1 正常構(gòu)件評價值的合成

起重設(shè)備中正常構(gòu)件性能壽命的綜合評價技術(shù)指標(biāo)，是由多個評價值相互合成搭配形成，而結(jié)構(gòu)中的故障構(gòu)件評價值不存在合成問題，它可以通過一個明確的故障指標(biāo)評價值來定義。正常構(gòu)件的評價技術(shù)指標(biāo)體系，包含強(qiáng)度、剛度、以及穩(wěn)定性等影響因素，影響因素相互間是對等的，不存在明顯偏向性，也就是說在混合評估體系中，對于政策構(gòu)建而言，允許單因素評價值間進(jìn)行等量補(bǔ)償，以優(yōu)化評估模型。

2.2 單構(gòu)件子系統(tǒng)評價值的合成

大型港口起重設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)，由眾多單構(gòu)件子系統(tǒng)共同組成，其在實(shí)際運(yùn)行過程中雖某個特定單構(gòu)件發(fā)生故障的概率并不高，但對于整個設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)體系而言，其單構(gòu)件發(fā)生故障的概率卻較高。單構(gòu)件發(fā)生安全隱患或故障初期，其對整個金屬結(jié)構(gòu)體的安全穩(wěn)定性影響不是很大，但隨工作次數(shù)和荷載強(qiáng)度的增加，故障構(gòu)件的性能會越來越差，這樣對整個金屬結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定運(yùn)行就會產(chǎn)生較大影響。因此，在分析整個金屬結(jié)構(gòu)安全性能時，利用單構(gòu)件評價值的合成，結(jié)合安全影響系數(shù)，就可確定受單構(gòu)件小評價值影響整個金屬結(jié)構(gòu)性能壽命評價值的合成。

2.3 實(shí)例分析

某港口集團(tuán)有限公司港埠公司現(xiàn)役1臺MQ10-25型門座起重機(jī)，其母材為 Q235，每天大約起吊420次。于1989年投產(chǎn)，在2010年進(jìn)行性能壽命綜合評估檢測時，其總共工作時長為22年。經(jīng)綜合評估分析得出以下結(jié)論：

從測試結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，活配重平衡梁鉸點(diǎn)附近、轉(zhuǎn)臺后伸距主梁下翼緣根部、以及轉(zhuǎn)臺和轉(zhuǎn)柱結(jié)合部，其動應(yīng)力峰值較大，尤其轉(zhuǎn)臺和轉(zhuǎn)柱結(jié)合部位，其動應(yīng)力值已接近材料最大許用應(yīng)力值。起重機(jī)活配重平衡梁及鉸點(diǎn)支座結(jié)構(gòu)設(shè)計較為單薄，其在起吊運(yùn)輸工作過程中抖動較大，易產(chǎn)生裂紋；轉(zhuǎn)臺后伸距主梁下翼緣根部以及轉(zhuǎn)臺和轉(zhuǎn)柱結(jié)合部，屬于應(yīng)力非常集中部位，也容易產(chǎn)生裂紋。從結(jié)構(gòu)外部直觀檢查可以發(fā)現(xiàn)上述兩部位均已出現(xiàn)裂紋，對整個金屬結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定工作運(yùn)行影響較大，易造成平衡梁發(fā)生折斷和起重機(jī)整機(jī)傾覆等安全事故。起重機(jī)臂架承受波動較大的交變載荷，長期處于壓彎狀態(tài)，且工作頻率較高，易產(chǎn)生局部變形為題。從結(jié)構(gòu)外觀檢測來看，臂架上翼緣板已出現(xiàn)局部變形，臂架內(nèi)部角鋼橫肋焊縫部分開裂，經(jīng)荷載實(shí)際測試得到該起重機(jī)實(shí)際承載能力已下降為額定承載能力的91.8%?？傮w評估結(jié)果為該門座起重機(jī)已使用22年，使用時間較長，且受到工作環(huán)境、工作頻率等因素的影響，金屬結(jié)構(gòu)中許多單件結(jié)構(gòu)安全性能較差，整機(jī)已處于不安全狀態(tài)，剩余使用壽命僅為2年。

3 結(jié)束語

總之，在大型港口起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)性能壽命綜合評估測試分析工作中，具體那種評估測試方法更加符合實(shí)際，還有待在實(shí)際工作中進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)踐積累和探索研究。

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