一種計(jì)入缺陷因素影響的起重機(jī)剩余工作壽命估算方法

鐘鵬，朱凱（沈陽(yáng)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，沈陽(yáng)110034）

一種計(jì)入缺陷因素影響的起重機(jī)剩余工作壽命估算方法

鐘鵬，朱凱
（沈陽(yáng)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，沈陽(yáng)110034）

應(yīng)用斷裂力學(xué)的理論，考慮在役起重機(jī)在使用過程中實(shí)際存在的缺陷因素，試探尋了一種對(duì)在役起重機(jī)計(jì)入缺陷因素影響的結(jié)構(gòu)完整性的剩余工作壽命評(píng)估的方法，從而使對(duì)在役起重機(jī)剩余工作壽命的評(píng)估工作較目前無(wú)缺陷剩余工作壽命理論更為準(zhǔn)確和科學(xué)。

小裂紋；剩余工作壽命；結(jié)構(gòu)完整性；壽命估算；斷裂力學(xué)

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.145

1 引言

目前，對(duì)于在役起重機(jī)剩余工作壽命的估算絕大多數(shù)采用許用應(yīng)力法。這種方法是根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的理論工作級(jí)別參數(shù)，結(jié)合該起重機(jī)的使用時(shí)間和作業(yè)的實(shí)際工況，利用Miner疲勞損傷積累公式計(jì)算出來(lái)的“無(wú)缺陷剩余壽命”。顯然，這種方法忽視了零部件內(nèi)部和表面實(shí)際存在的缺陷因素，是一種理想狀態(tài)的計(jì)算，存在準(zhǔn)確度和實(shí)用性不高等缺點(diǎn)。那么，探尋一種可以計(jì)入在役起重機(jī)工作中實(shí)際存在的缺陷因素影響的剩余工作壽命的估算方法是十分有意義的。

2 基于斷裂力學(xué)的結(jié)構(gòu)完整性的壽命評(píng)估

2.1 概述

20世紀(jì)初，國(guó)際上發(fā)生了一系列重大的低應(yīng)力脆斷災(zāi)難性事故，促進(jìn)了斷裂力學(xué)的發(fā)展與理論研究。斷裂力學(xué)理論認(rèn)為，組成金屬結(jié)構(gòu)的各個(gè)構(gòu)件或零部件內(nèi)部和表面均存在裂紋等缺陷。在進(jìn)行剩余工作壽命估算時(shí)，將這些實(shí)際存在的缺陷因素考慮在內(nèi)的計(jì)算方法顯然更為準(zhǔn)確、更接近于實(shí)際情況。我們將這種計(jì)算方法稱為“結(jié)構(gòu)完整性剩余工作壽命評(píng)估”或“含缺陷剩余工作壽命評(píng)估”。

2.2 評(píng)估準(zhǔn)備工作和條件

起重機(jī)剩余壽命的評(píng)估工作，無(wú)非是從經(jīng)濟(jì)性的角度評(píng)價(jià)起重機(jī)上主要受力結(jié)構(gòu)件（如主梁或支腿）的更換或維修的行為。那么，結(jié)構(gòu)完整性剩余工作壽命評(píng)估工作就應(yīng)從主要受力構(gòu)件的應(yīng)力分析計(jì)算開始。（1）確定主要受力構(gòu)件所受最大拉應(yīng)力的位置；（2）確定該拉應(yīng)力區(qū)域附近的過渡區(qū)域；（3）通過無(wú)損探傷方法掌握兩區(qū)域內(nèi)存在的缺陷的實(shí)際分布情況、形狀和尺寸大小等信息，為進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估奠定基礎(chǔ)。通過查閱大量的國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料，根據(jù)國(guó)內(nèi)探傷水平，將實(shí)際探傷面積增大為實(shí)際缺陷面積的2～3倍[1]。

在斷裂力學(xué)理論中，夾渣、氣泡、偏析等缺陷通常被折算成裂紋來(lái)考慮。我們將探傷后各缺陷按系數(shù)折算成裂紋，過渡區(qū)域中的其他缺陷折算成裂紋時(shí)，可適當(dāng)考慮增大其比例系數(shù)。這樣就可以得到裂紋半長(zhǎng)ac的數(shù)值。將裂紋半長(zhǎng)與計(jì)算出的裂紋尖端塑性區(qū)域尺寸半徑rv比較，就可以判定裂紋所在位置的材料的屈服狀態(tài)。在彈塑性斷裂力學(xué)（EPFM）理論中，含缺陷構(gòu)件完整性評(píng)估是通過裂紋尖端張開位移（COD或CTOD）或J積分的辦法處理的。由于在役起重機(jī)主要受力構(gòu)件的材料是確定不變的，其力學(xué)性能是可以通過查閱資料或?qū)嶒?yàn)來(lái)確定的。這樣，系數(shù)K1（c材料的斷裂韌度）或δ（c即COD的臨界值）就是可知的，那么，裂紋的最大臨界尺寸也是可以計(jì)算的。

2.3 理論計(jì)算及參數(shù)

成熟的結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估方法對(duì)含有缺陷構(gòu)件的評(píng)定分為脆斷評(píng)定、疲勞評(píng)定和其他破壞方式評(píng)定3種，壽命評(píng)估屬于疲勞評(píng)定。一般情況下，壽命評(píng)估計(jì)算中被廣泛采用的是用于在裂紋的亞臨界擴(kuò)展階段使用的Paris公式。目前，在WEE/ 37、JWES和ASME等著名規(guī)程中也要求使用Paris公式進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展速率計(jì)算。而我國(guó)起重機(jī)的結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估工作尚未起步，在這種實(shí)驗(yàn)室所需軟硬件基礎(chǔ)條件不夠完備的情況下，顯然Paris公式最適于作為開展在役起重機(jī)結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估方法工作的基礎(chǔ)。Paris公式實(shí)際上是疲勞裂紋亞臨界擴(kuò)展速率公式。其具體形式是[2]：

式中，a為裂紋半長(zhǎng)；N為循環(huán)應(yīng)力；C為所用材料常數(shù)，可由實(shí)驗(yàn)得出；ΔK為裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化幅度（ΔK= YΔσ）。將上式積分后即得到剩余工作循環(huán)次數(shù)：

式中，C和m為所用材料常數(shù)；Δσ為應(yīng)力變化輻度；ΔK為裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化幅度；ac為裂紋半長(zhǎng)實(shí)測(cè)數(shù)值；a0為裂紋半長(zhǎng)按ASME規(guī)程簡(jiǎn)化計(jì)算后的數(shù)值；Y為彈性形變。

構(gòu)件中內(nèi)埋的、表面的和通透的裂紋缺陷的產(chǎn)生大致可分為裂紋的發(fā)生、穩(wěn)定擴(kuò)展和失穩(wěn)快速發(fā)展3個(gè)階段。疲勞裂紋亞臨界擴(kuò)展速率公式用于第二階段。在第一階段中，當(dāng)工況處于最大載荷時(shí)，裂紋尖端處于應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的幅度ΔK低于某一數(shù)值時(shí)，da/dN=0，即裂紋不發(fā)展，這個(gè)數(shù)值稱為下門檻值，以Kth表示；當(dāng)ΔK＞ΔKth后，裂紋快速發(fā)展到第二階段，此時(shí)在da/dN-ΔK圖上是一條斜直線，如果ΔK不變，則裂紋發(fā)展速率穩(wěn)定不變，但是隨著工作循環(huán)，裂紋在不斷變長(zhǎng)變大，當(dāng)ΔK大到某一數(shù)值時(shí)，裂紋會(huì)發(fā)生失穩(wěn)快速擴(kuò)展，進(jìn)入第三階段，此時(shí)的ΔK值，被稱為上門檻值，以ΔKt表示。此時(shí)，ΔKt幾乎已經(jīng)與材料的斷裂韌度K1c值相等了。

前面提到的探傷后裂紋半長(zhǎng)a0并不是探傷時(shí)構(gòu)件缺陷原始狀態(tài)的初始尺寸，它是通過探傷所得原始缺陷按ASME等規(guī)程進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算得出來(lái)的。如果rv/a的值較小，大約在0.1以下，則應(yīng)采用線彈性斷裂力學(xué)（LEFM）加修正的方法計(jì)算。如果裂紋尖端rv較大，處于大屈服或全面屈服狀態(tài)，則應(yīng)按EPFM理論用裂紋尖端張開值δc進(jìn)行計(jì)算。在式（2）中的計(jì)算，也要根據(jù)裂紋尖端的線彈性、小范圍屈服、大范圍屈服和全面屈服狀態(tài)選擇不同的公式。如果裂紋屬于內(nèi)埋或表面裂紋，還要將簡(jiǎn)化得到的a0進(jìn)行當(dāng)量化，轉(zhuǎn)化為相當(dāng)于大板中透裂紋相當(dāng)?shù)牧鸭yaˉ0，再進(jìn)行下一步計(jì)算。這是因?yàn)槟壳癈OD方法只有大板通透裂紋的解，如果直接用表面裂紋或內(nèi)埋裂紋的a是無(wú)法計(jì)算求解的。

論文在進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性剩余工作壽命評(píng)估時(shí)，將裂紋按其受力狀態(tài)分為受拉、剪切和撕裂3種，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子分別定義為K1、K11和K111。將裂紋分布的位置分為大板中間通透裂紋、表面裂紋和內(nèi)埋裂紋3種，在計(jì)算時(shí)，根據(jù)具體情況分別按斷裂力學(xué)的理論進(jìn)行。探傷位置的確定一般取在拉應(yīng)力最大的位置和焊縫處，特殊情況下，例如，可視為幾何瞬變系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，也將在鉸點(diǎn)的最外或最內(nèi)邊緣處予以重視。

綜上所述，目前可知的主要參數(shù)有C、m、Δσ、Y、a0及ac，其中Y和Δσ用于表示式（1）中的ΔK參數(shù)，K（應(yīng)力強(qiáng)度因子）和ΔK的取值求解過程，具有很好的獨(dú)立性。要確定在役起重機(jī)的剩余工作壽命，需要確定該設(shè)備哪里最薄弱，缺陷的形狀尺寸，材料的力學(xué)性能，實(shí)際工作載荷、工作狀態(tài)及工作環(huán)境等信息，再應(yīng)用斷裂力學(xué)的理論進(jìn)行計(jì)算。

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)構(gòu)完整性剩余工作壽命評(píng)估作為一個(gè)較大的工作項(xiàng)目，要得到進(jìn)一步發(fā)展，就需要從策略高度做一些長(zhǎng)期性工作，如建立專門的實(shí)驗(yàn)室、在材料檢測(cè)方面建立較為固定的服務(wù)關(guān)系、建立技術(shù)情報(bào)網(wǎng)絡(luò)等，通過長(zhǎng)期工作的經(jīng)驗(yàn)積累，形成在役起重機(jī)評(píng)估工作持續(xù)發(fā)展的必要基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)完整性剩余工作壽命評(píng)估是數(shù)理力學(xué)研究成果在工程技術(shù)方面的應(yīng)用。這種基于斷裂力學(xué)的結(jié)構(gòu)完整性技術(shù)在起重機(jī)方面的開展，將會(huì)使傳統(tǒng)的材料力學(xué)設(shè)計(jì)和機(jī)械零件設(shè)計(jì)發(fā)展到損傷容限設(shè)計(jì)，從而使起重機(jī)的制造工藝得到進(jìn)一步的改進(jìn)和創(chuàng)新，使我國(guó)起重機(jī)工業(yè)出現(xiàn)新的發(fā)展。

【1】李慶芬.斷裂力學(xué)及其工程應(yīng)用[J].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，1998(1)：72-75.

【2】伍穎.斷裂與疲勞[M].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2008.

An Estimation Method of the Residual Life of Cranes,Which is Affected by the Factors of Defect

ZHONG Peng,ZHU Kai
（Shenyang Special Equipment Inspection and Research Institute,Shenyang110034,China）

This paper applied the theory of fracture mechanics,considering the exist defect factors of crane in service,try to explore an estimation method of the residual life of cranes,which is affected by the factors of defect,so that the crane in service remaining life assessment work compared with the currently no remaining work life is more accurate and scientific.

small crack; residual service life; structural integrity; life estimation; fracture mechanics

U653.921

A

1007-9467（2016）12-0105-02

2016-10-25

鐘鵬（1978～），男，遼寧沈陽(yáng)人，工程師，從事起重機(jī)檢驗(yàn)檢測(cè)及事故調(diào)查研究。