腐蝕對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響以及改進(jìn)措施

王文靜，耿 燾，賈曉楠，蓋文慶，王 欣

(1.大連益利亞工程機(jī)械有限公司，遼寧大連 116023;2.海洋石油工程股份有限公司安裝公司，天津 300451;3.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116023)

在實(shí)際應(yīng)用中，許多設(shè)備結(jié)構(gòu)在使用之前都做了相應(yīng)的防腐蝕措施，但隨著時(shí)間的推移，受工作環(huán)境以及設(shè)備保養(yǎng)條件的限制，腐蝕不可避免.當(dāng)腐蝕達(dá)到一定程度時(shí)，結(jié)構(gòu)的正常工作將受到影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)工作性能失效［1］.此外，腐蝕不僅使結(jié)構(gòu)遭受嚴(yán)重的破壞，導(dǎo)致金屬構(gòu)件或設(shè)備提前退役，還造成資源浪費(fèi)，由此間接增加了設(shè)備使用成本，降低了經(jīng)濟(jì)效益［2］.因此，對(duì)于重要的承載構(gòu)件，腐蝕是不容忽視的.腐蝕的形式分為兩大類:均勻腐蝕與局部腐蝕.均勻腐蝕指發(fā)生腐蝕位置和腐蝕程度較為均勻，局部腐蝕指腐蝕主要發(fā)生在一定區(qū)域內(nèi)，主要有點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕破裂、細(xì)菌腐蝕等，其中點(diǎn)蝕造成的危害較大［3］.

針對(duì)腐蝕，國(guó)內(nèi)展開(kāi)了大量的研究.張新偉等［4］、洪來(lái)鳳等［5］基于 ANSYS 有限元軟件分析了深海油路管道存在腐蝕缺陷條件下的強(qiáng)度，魏化中等［6］對(duì)腐蝕合理模型的建立進(jìn)行了詳細(xì)描述，李昕［7］則對(duì)單點(diǎn)腐蝕管道在內(nèi)壓作用下的受力做了詳細(xì)分析.但是已有的研究主要集中在金屬管道分析，而對(duì)于海洋用起重機(jī)，其臂架的腐蝕情況也不容樂(lè)觀，但國(guó)內(nèi)鮮有研究.文攀［8］也只是對(duì)正常狀態(tài)下，船用起重機(jī)臂架的應(yīng)力和穩(wěn)定性做了研究，但并未考慮腐蝕造成的影響.

為此，本文對(duì)海洋用起重機(jī)臂架單點(diǎn)腐蝕狀態(tài)下受力情況進(jìn)行了相關(guān)研究，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出了相關(guān)解決措施.

1 起重機(jī)使用情況介紹

本文以鋪管船用350 t固定回轉(zhuǎn)起重機(jī)的桁架臂為研究對(duì)象，如圖1所示.臂長(zhǎng)61 m;弦桿為角鋼結(jié)構(gòu)，尺寸為203.2 mm ×203.2 mm ×25.4 mm;腹桿為管材結(jié)構(gòu)，尺寸為 Φ60.3 mm ×3.9 mm，Φ73 mm ×5.2 mm，Φ88.9 mm ×5.5 mm，Φ101.6 mm ×5.8 mm.

圖1 鋪管船用起重機(jī)Fig.1 Crane on pipe-laying ship

在近期的質(zhì)檢過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)臂架弦桿結(jié)構(gòu)存在腐蝕現(xiàn)象，位置在底節(jié)與中間節(jié)處，如圖1所示.為了解腐蝕結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力變化的影響，本文將首先分析未腐蝕結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況，然后建立單點(diǎn)腐蝕結(jié)構(gòu)有限元模型，對(duì)比分析兩者的應(yīng)力變化及腐蝕結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)應(yīng)力的影響，最后提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，通過(guò)計(jì)算分析來(lái)驗(yàn)證改進(jìn)措施的有效性.

2 未腐蝕的臂架結(jié)構(gòu)建模與應(yīng)力分析

根據(jù)臂架實(shí)際結(jié)構(gòu)建立有限元模型，如圖2所示.弦桿與腹桿采用Beam188梁?jiǎn)卧?，板采用Shell63板單元建立，變幅繩采用Link10桿單元建立.模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為58 692，單元數(shù)為28 093.根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際約束情況，在臂架根部施加全位移約束，變幅繩根部鉸點(diǎn)處施加全位移約束.以常用的作業(yè)工況為計(jì)算工況，即臂架仰角58.4°，起重質(zhì)量154 t.根據(jù)文獻(xiàn)［9］，施加相應(yīng)風(fēng)載與海面波動(dòng)引起的側(cè)載(橫傾2°，縱傾3°).臂架自身質(zhì)量58 t，通過(guò)有限元軟件自動(dòng)施加于模型上.

圖2 臂架有限元模型Fig.2 Finite elementmodel of boom

相應(yīng)的有限元計(jì)算結(jié)果如圖3所示.從圖中可以看出，臂架四個(gè)弦桿的應(yīng)力因側(cè)載影響而有所不同，最大應(yīng)力達(dá)到276.817 MPa，位于臂架底節(jié)，此處是弦桿腐蝕點(diǎn)處，腹桿最大應(yīng)力為96.851 MPa，位于臂架的中間節(jié)部位，滿足許用應(yīng)力440 MPa的要求.

3 腐蝕對(duì)臂架結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響分析

由該起重機(jī)的腐蝕檢測(cè)報(bào)告得知，底節(jié)弦桿上具有較多腐蝕點(diǎn)，且腐蝕的最大深度為3.5 mm.通過(guò)觀測(cè)腐蝕點(diǎn)的形狀，可將腐蝕結(jié)構(gòu)近似為圓柱形或倒錐形凹槽.因此，為研究腐蝕點(diǎn)對(duì)弦桿受力的影響，根據(jù)圣維南原理，選取底節(jié)中500 mm長(zhǎng)度的弦桿，建立實(shí)體有限元模型，在實(shí)體模型上開(kāi)設(shè)圓柱型凹槽模擬腐蝕結(jié)構(gòu)，模型如圖4所示.

為考慮不同腐蝕深度對(duì)弦桿應(yīng)力的影響，在弦桿上分別建立1.5，2.5和3.5 mm 深度的凹槽，如圖4b所示.同時(shí)考慮到腐蝕直徑對(duì)弦桿受力也有影響，因此與前面不同深度的凹槽進(jìn)行組合，分別建立腐蝕直徑為3，5，10 mm的凹槽.本文對(duì)于腐蝕直徑為3 mm的模型采用圓柱型凹槽，腐蝕直徑為5和10 mm的模型采用倒錐形凹槽，斜度為 30°.

模型的約束方面，在弦桿模型的一端施加位移與角位移全約束，另一側(cè)端施加100 MPa的均布?jí)簯?yīng)力，如圖5所示.

圖3 應(yīng)力分布圖Fig.3 Stress distribution diagram

圖4 弦桿實(shí)體模型Fig.4 Dummy of chord

圖5 約束和載荷施加圖Fig.5 Applied restraint and load diagram

圖6 腐蝕點(diǎn)處應(yīng)力分布圖Fig.6 Stress distribution diagram of corrosion point

根據(jù)上述模型與約束及載荷，進(jìn)行有限元計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖6所示.由于相同腐蝕直徑，不同腐蝕深度計(jì)算出的應(yīng)力分布情況相似，因此這里只列出了腐蝕深度為2.5 mm、不同腐蝕直徑下的應(yīng)力分布.從圖中可以看出，腐蝕點(diǎn)附近存在應(yīng)力集中.對(duì)于腐蝕直徑為3mm的腐蝕點(diǎn)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在凹槽外側(cè);腐蝕直徑為5 mm時(shí)，最大應(yīng)力位于錐型凹槽內(nèi)壁;腐蝕直徑為10 mm時(shí)，最大應(yīng)力位于錐型凹槽底部.隨著腐蝕直徑的增大，腐蝕點(diǎn)處的最大應(yīng)力依次減小，分別為225.255，201.486，161.229 MPa.遠(yuǎn)離腐蝕點(diǎn)部位的應(yīng)力均在100 MPa左右.

對(duì)不同深度、不同直徑的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了匯總，見(jiàn)表1.從表1可以看出，隨著腐蝕直徑的減小以及腐蝕深度的增加，應(yīng)力是隨之增加的，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，應(yīng)力增加的幅值最大可達(dá)到135.35%.因此可以看出，腐蝕點(diǎn)對(duì)應(yīng)力的影響很大，應(yīng)特別引起注意.

表1 不同腐蝕深度與腐蝕直徑應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Tab.1 Stress calculation results for different corrosion depths and corrosion diameters

4 腐蝕處的改進(jìn)措施

由第3節(jié)計(jì)算結(jié)果可以看出，腐蝕點(diǎn)的存在對(duì)應(yīng)力的影響很大，需要及時(shí)對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)與改進(jìn).采用弦桿的整體替換是最行之有效的方法，但是施工周期長(zhǎng)，影響生產(chǎn)作業(yè).如果對(duì)腐蝕結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部補(bǔ)焊，由于腐蝕面積較大，容易出現(xiàn)焊后變形現(xiàn)象，且施工工藝復(fù)雜.為此，本文從其腐蝕深度不大的角度考慮，提出對(duì)腐蝕的弦桿進(jìn)行打磨，并與未打磨處按1∶4方式進(jìn)行坡度過(guò)渡的改進(jìn)措施，如圖7所示.打磨的弦桿長(zhǎng)度約為20 000 mm，打磨的深度約3.5 mm.

由此，對(duì)打磨處的弦桿有限元模型進(jìn)行修改，并施加相同的約束與載荷，其計(jì)算結(jié)果如圖8所示.從圖中可以看出，打磨處弦桿應(yīng)力為282.011 MPa，比原值276.817 MPa增加2%，仍在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，并且對(duì)附近的腹桿應(yīng)力沒(méi)有影響.由此看出，此改進(jìn)措施是行之有效的.

圖7 腐蝕位置打磨處理三維圖Fig.7 Three-dimension diagram of polishing corrosion location

圖8 弦桿打磨后應(yīng)力分布圖Fig.8 Stress distribution diagram of polished chord

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)腐蝕結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析，可以看出腐蝕點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響很大，如不及時(shí)采取措施，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效.針對(duì)腐蝕深度不大的結(jié)構(gòu)，本文采用沿厚度打磨的措施，通過(guò)計(jì)算分析對(duì)比，打磨后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力雖有所增加，但增加幅值不大，仍滿足許用應(yīng)力要求，表明此種措施是有效的.

值得提出的是，本文僅對(duì)單點(diǎn)腐蝕的應(yīng)力影響進(jìn)行了分析，而實(shí)際結(jié)構(gòu)往往存在多點(diǎn)腐蝕情況，點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離很近，必然會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力產(chǎn)生相互影響.因此，本文的單點(diǎn)腐蝕分析僅是本項(xiàng)工作的基礎(chǔ)，后續(xù)將對(duì)多點(diǎn)腐蝕情況做進(jìn)一步深入研究.

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