港口大型起重機械技術(shù)性能評估探討

袁 征

（福建省特種設(shè)備檢驗研究院 福建 福州 350008）

港口大型起重機械技術(shù)性能評估探討

袁 征

（福建省特種設(shè)備檢驗研究院 福建 福州 350008）

港口大型起重機械是港口碼頭貨物裝卸的核心設(shè)備，準確評估其技術(shù)性能狀態(tài)，具有重要的意義和較大的工程運用價值。文中探討了港口大型起重機械技術(shù)性能評估體系的建立，并討論了應力測試、無損檢測、有限元分析、壽命預測等技術(shù)手段在技術(shù)性能評估中的運用。

港口；起重機械；技術(shù)性能；評估

1 引言

福建是一個沿海省份，有3000多公里的海岸線，有著建設(shè)港口的地理優(yōu)勢。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，港口建設(shè)成為海西建設(shè)的重點建設(shè)領(lǐng)域。門座起重機、岸邊集裝箱起重機、裝卸橋、軌道式集裝箱起重機、輪胎式集裝箱起重機等港口大型起重機械是港口碼頭貨物裝卸的核心設(shè)備。這些設(shè)備處于腐蝕性較強的海邊環(huán)境，且使用頻繁、工作級別高，整體結(jié)構(gòu)和受力狀況較為復雜，使用較長年限后，容易產(chǎn)生金屬結(jié)構(gòu)腐蝕斷裂變形、重要零部件損壞、電氣控制系統(tǒng)老化等現(xiàn)象。設(shè)備故障率增加，容易形成較大的安全隱患。另一方面，港口大型起重機械設(shè)備價值較大，更新周期較長，因此如何準確評估在用港口大型起重機的技術(shù)性能，對起重機故障進行預見性分析，并形成有效的維護管理，對起重機使用單位具有重要的意義和較大的工程應用價值。

2 技術(shù)性能評估體系的建立

建立合理的港口大型起重機械的技術(shù)性能評估體系，對于準確的掌握大型起重機械的狀態(tài)，加強對起重機的安全技術(shù)管理，有效控制起重機使用風險，減少各類事故的發(fā)生，降低人員傷亡和經(jīng)濟損失，具有重要的意義。為能準確地反映港口大型起重機的技術(shù)性能狀態(tài)，其評估體系的建立，應遵循系統(tǒng)、全面、科學、可操作性等原則。

（1）系統(tǒng)性。目前，對起重機械技術(shù)性能的評估的研究，往往只局限于起重機械的金屬結(jié)構(gòu)或者安全防護措施，并不能完全反映整機狀態(tài)。起重機械技術(shù)性能受到各個部件的影響，因此，評估體系的建立應綜合考慮對起重機械技術(shù)性能產(chǎn)生影響的各個環(huán)節(jié)。針對港口大型起重機械的結(jié)構(gòu)特點，參照起重機械定期檢驗、安裝改造維修監(jiān)督檢驗規(guī)則和相關(guān)的國家標準、行業(yè)標準等技術(shù)規(guī)范，將港口大型起重機械技術(shù)性能分為不同的部類進行評價。如圖1所示，起重機械的部類可分為作業(yè)環(huán)境和外觀、金屬結(jié)構(gòu)、主要零部件、安全防護裝置、電控系統(tǒng)5個部分[1]。

圖1 技術(shù)性能評估框架

（2）全面性。在技術(shù)性能評估中，對風險的識別是其重要的內(nèi)容之一。風險的識別應包含所有可能存在危險的有害因素，正常工作狀態(tài)下的危險有害因素要識別，檢修狀態(tài)及一些意外狀態(tài)（如臺風等惡劣天氣）的危險有害因素也不能忽略。因此，在對港口大型起重機械進行上述部類劃分后，還應將各部類分解成不同的檢驗項目，每個檢驗項目根據(jù)其特點及要求，由不同的要素來進行綜合評定。檢驗要素就是港口大型起重機械技術(shù)性能評估的基礎(chǔ)內(nèi)容，其內(nèi)容應覆蓋全面，不僅應包含現(xiàn)行檢驗規(guī)范要求，還應參照其他國家標準和行業(yè)標準。

（3）科學性。不同的危險或有害因素，發(fā)生的可能性和可能造成的影響程度也是不同的，應本著科學合理的原則對其進行準確的描述。在建立大型港口起重機械技術(shù)性能評估體系時，對各風險因素綜合考慮生產(chǎn)損失、安全影響、事故概率等級、整改成本等因素，可利用矩陣圖法綜合評定各因素的整改優(yōu)先等級。

圖2 風險識別體系

（4）可操作性。起重設(shè)備的技術(shù)性能通過各檢驗單項的評價綜合得到，這個過程需要有一個科學、合理、可操作的方法進行。該方法不僅要能反映各部件的重要程度，也要突出缺陷（不符合要求項）對整機評估的影響。模糊層次分析法是建立港口大型起重機技術(shù)性能評估體系的重要方法，可實現(xiàn)從檢驗要素評價到整機評估整個過程。權(quán)重和計算方法是模糊層次分析法重要內(nèi)容，通過無量綱化和同向化處理，將評價因素統(tǒng)一為0～1之間的指標，通過專家構(gòu)權(quán)法分配權(quán)重，得到相應檢驗項目得分。部類的評價則可以通過檢驗項目的分值，通過單準則的AHP法得到權(quán)重值，并綜合利用加權(quán)幾何平均法得到。結(jié)合部件的價值比重，利用模糊綜合評價法就可得到整機的技術(shù)性能評估值。

3 關(guān)鍵技術(shù)探討

在港口大型起重機械中，金屬結(jié)構(gòu)的重量占整機重量的60%以上，金屬結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生失效事故，后果往往很嚴重，會極大地影響作業(yè)，造成巨大的經(jīng)濟損失。一方面，起重機中金屬結(jié)構(gòu)件的壽命對整機的壽命有關(guān)鍵性的影響，另一方面，準確掌握起重機械的金屬結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)，也是港口大型起重機技術(shù)性能評估的難點之一。文中著重討論在起重機評估中的幾個關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 應力測試技術(shù)

應力測試是利用檢測儀器對受力結(jié)構(gòu)的應力狀況進行檢測的一種技術(shù)手段，目前主要的測試方法有電測法、光纖光柵法、振弦式應變測量等[2]。在起重機評估中常用的是電測法，即利用電阻應變效應，在所需測試的部位布置一定數(shù)量的電阻應變片，測取、記錄測點處應變值的大小。應力測試又分為靜態(tài)應力測試和動態(tài)應力測試，主要目的是檢測金屬結(jié)構(gòu)的強度、動剛度、動載系數(shù)等，也可作為壽命預估的數(shù)據(jù)采集方法。在起重機評估中，應力測試點的選擇是應力測試的關(guān)鍵。通常應力測試點應選擇：a）均勻高應力區(qū)；b）應力集中區(qū)；c）彈性屈曲區(qū)；d）結(jié)構(gòu)尺寸突變處。對于在用起重機械，使用過程中易出現(xiàn)裂紋、腐蝕等缺陷的部位，也應作為應力測試點選擇的重點。

3.2 無損檢測技術(shù)

無損檢測主要是通過一定的技術(shù)手段，對起重機金屬結(jié)構(gòu)的焊縫或母材可能存在的缺陷（如裂紋、氣孔、夾渣等）進行檢測，并進行定位和定性評價。常見的無損檢測方法有射線探傷、超聲波探傷、磁粉探傷、滲透探傷、聲發(fā)射探傷及TOFD等。無損檢測是起重機評估的重要手段，有利于發(fā)現(xiàn)金屬機構(gòu)潛在的、肉眼無法識別的安全隱患。無損檢測時，應著重選擇金屬結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件及其連接部位，應力較大部位和腐蝕嚴重部位。

3.3 有限元分析

有限元技術(shù)是目前最常用的的數(shù)值模擬分析方法之一，目前著名的有限元分析軟件主要有ANSYS、ALGOR、ADINA、NASTRAN、ADAMS等[3]。強度、剛度、穩(wěn)定性等指標是對起重機金屬結(jié)構(gòu)進行技術(shù)性能評估的重要指標?，F(xiàn)場檢測是獲取這些指標的重要技術(shù)手段，但這往往會需要很高的成本，并且有些指標很難或根本無法通過現(xiàn)場檢測的方法實現(xiàn)，如部分破壞性的試驗指標。而利用有限元技術(shù)，通過數(shù)值模擬，對起重機金屬結(jié)構(gòu)進行仿真計算，則可以以較低的成本得到高精度的評價值。如圖3起重機結(jié)構(gòu)強度分析有限元分析法所示。

圖3 港口門座起重機強度分析

3.4 疲勞壽命評估

結(jié)構(gòu)件在交變應力的反復作用下，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后，在起重機金屬機構(gòu)應力集中部位（如有缺陷的焊縫）萌生裂紋，裂紋不斷擴展，最終導致金屬結(jié)構(gòu)突然斷裂，這一失效過程稱為疲勞破壞，對應的應力循環(huán)數(shù)就是結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命。通過采集結(jié)構(gòu)件的交變應力，并對應力循環(huán)進行一定的處理和統(tǒng)計，利用疲勞損傷積累理論，結(jié)合設(shè)備已完成的工作量，就可估算該結(jié)構(gòu)的剩余壽命。

圖4 福建省特種設(shè)備檢驗研究院自行開發(fā)的壽命評估系統(tǒng)

4 總結(jié)

通過系統(tǒng)性、全面性、科學性、可操作性等四個方面分析了港口大型起重機械技術(shù)性能評估體系的建立過程。并討論了應力測試、無損檢測、有限元分析、壽命預測等技術(shù)手段在技術(shù)性能評估中的運用。為起重機械的技術(shù)性能評估提供參考。

[1]黃祥聲.在用港口門座起重機評估與更新分析[J].起重運輸機械,2014,（12）:68-70.

[2]李飛.應力測試結(jié)合無損檢測在起重機金屬結(jié)構(gòu)安全評估中的應用[J].起重運輸機械,2016,（5）:85-87.

[3]劉金，王新華，齊凱.有限元分析技術(shù)在大型起重機金屬結(jié)構(gòu)安全評估中的應用研究[J].中國水運，2013,13（10）:104-105,109.

Study on the Technical Evaluation of Large Harbor Crane

YUAN Zheng
(Fujian Special Equipment Inspection and Research Insititute,Fuzhou,350008,Fujian,China )

The large harbor cranes are the core equipments of port terminals. The accurate technical evaluation of large harbor crane has important signi ficance and high engineering value. The establishing of the large harbor crane technical evaluation is studied in the paper,and the technology of stress testing,nondestructive testing, finite element analysis and life prediction is discussed.

Harbor; Crane; Technical performance; Evaluation

2017-03-02

袁 征，男，福建省特種設(shè)備檢驗研究院，高級工程師