冶金鑄造起重機(jī)主梁裂紋產(chǎn)生原因及修補(bǔ)工藝

馬 波

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司煉鋼廠，山東濟(jì)南 271104）

0 引言

在煉鋼工序生產(chǎn)過程中，起重機(jī)在鐵水吊運(yùn)、物料運(yùn)輸、冷料入爐等諸多環(huán)節(jié)中發(fā)揮重要作用，堪稱為煉鋼工序的運(yùn)輸大動脈。其工作特點為負(fù)載臨近設(shè)計上限，作業(yè)頻繁高，對其安全性、穩(wěn)定性及運(yùn)行可靠性要求高。起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)屬于箱型鋼板焊接結(jié)構(gòu)，受焊接工藝及母材材料的影響，再加之長期滿負(fù)荷在高溫、高粉塵的惡劣環(huán)境作業(yè)，焊縫區(qū)域極易發(fā)生裂紋等缺陷。焊縫裂紋的具有較強(qiáng)的破壞性，一旦發(fā)現(xiàn)初始裂紋，在疲勞載荷作用下，裂紋成不規(guī)則線性情況蔓延，直至發(fā)生結(jié)構(gòu)斷裂，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至可能危及到作業(yè)人員的生命安全，故而對起重機(jī)主梁腹板及端部彎板區(qū)域焊縫定期檢查和疲勞壽命研究十分必要。

單位1 臺冶金鑄造起重機(jī)在專業(yè)點檢過程中，發(fā)現(xiàn)主梁端部彎板處與腹板結(jié)合面出現(xiàn)明顯的開裂現(xiàn)象。加之該部車服役周期較長，作業(yè)頻次較高，其裂紋在交變應(yīng)力的作用下會發(fā)生緩慢擴(kuò)展，直至主梁斷裂破壞。為了排除這一隱患且確保冶金鑄造起重機(jī)的正常運(yùn)行，現(xiàn)利用對該鑄造起重機(jī)進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)場校核的取得數(shù)據(jù)資料，系統(tǒng)計算裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行數(shù)據(jù)分級計算，同時利用局部補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)力消除法對裂紋部位的結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，確保冶金鑄造起重機(jī)的安全運(yùn)行。

1 裂紋的產(chǎn)生與分析

1.1 計算截面確定

主梁受力情況如圖1 所示，確定1，（1），2，3 點為計算危險點，如圖2 所示。計算點的截面性質(zhì)如圖3～圖6 所示。

經(jīng)計算，各截面的慣性矩：①1—截面。Ix=8.71×109mm4，Iy=6.39×109mm4；②（1）—截面。Ix=1.61×1010mm4，Iy=7.64×109mm4；③2—截面。Ix=2.21×1010mm4，Iy=8.55×109mm4；④3—截面。Ix=1.58×1010mm4，Iy=3.41×109mm4。

1.2 載荷計算

（1）動力效應(yīng)系數(shù)的計算。①起升沖擊系數(shù)φ1，0.9≤φ1≤1.1，對橋式鑄造起重機(jī)φ1=1.1；②起升動載系數(shù)φ2=1.2；③運(yùn)行沖擊系數(shù)φ4=1.1。

圖1 現(xiàn)場主梁受力情況

（2）載荷計算。①均布載荷，主梁自重Gm=73 510 N，小車軌道重量 Gg=9200 N，走臺及欄桿重量 G1=15 260 N，走臺上電氣設(shè)備重量Gd=22 000 N；②固定載荷，一組大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)重量Gy=19 260 N，司機(jī)室及其電氣設(shè)備的重量Gc=18 000 N；③活動載荷，起升重量Q=630 000 N，小車重量Gx=302 720 N；④主梁跨端支反力如圖7 和圖8 所示。

圖2 主梁圖紙危險點分布

圖3 1—截面計算

N=Nq+Ng+Ny，其中，Nq=φ1×（Gm+Gg+G1+Gd）/2=1.1×（735 10+9200 +15 260 +22 000）/2=65 983 N，Ng=φ1×Gy×（S-Ly）/S+φ1×Gc×Lc/S=1.1×19 260×（16 000-3050）/16 000+1.1×18 000×2200/160 00=19 869N，Ny=（φ1×Gx+φ2×Q）×（S-1）/2S=（1.1×302 720+1.2×630 000）×（16 000-3050）（/2×16 000）=440 701 N。N=65 983+19 869+440 701=526 553 N。

1.3 各計算點焊縫應(yīng)力計算

（1）1 點。σ1=526 553×571×（1063-540）/8.71×109+0.15×526 553×571 318/6.39×109=20.2 MPa。

（2）（1）點。σ1=526 553×1005×（1265-641）/1.61×1010+0.15×526 553×1005×318/7.64×109=23.8 MPa。

（3）2 點。σ1=526 553×1359×（1431-723.5）/2.21×1010+0.15×526 553×1359×318/8.55×109=26.9 MPa。

（4）3 點。σ1=526 553×1502×（1340-756.5）/1.58×1010+0.15×526 553×1502×318/3.41×109=40.2 MPa。

2 焊縫許用應(yīng)力計算

加強(qiáng)版與母材材料均為Q345-B，焊條采用E5016，根據(jù)工作級別A7，應(yīng)力集中等級K2及材料Q345，查得［σ-1］=79 MPa，焊縫拉伸疲勞許用應(yīng)力為

圖4 （1）—截面計算

3 問題求解

（1）從計算結(jié)果看，1，（1），2，3 各點的焊縫應(yīng)力均遠(yuǎn)小于焊縫拉伸疲勞許用應(yīng)力［σrt］，說明本加固方案是可靠的。

（2）應(yīng)力集中點為1，（1），2，3。

4 主梁彎板處腹板及彎板裂紋修理原則

圖5 2—截面計算

（1）采用碳弧氣刨清理腹板裂與主梁之間的焊縫直至清理至母材，刨開區(qū)域采用紅白粉PT 探傷進(jìn)行檢測。將以前所有補(bǔ)強(qiáng)焊接的鋼板全部去除，殘留焊縫磨去。采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊（焊條采用E5016或E5015）對結(jié)合面清根焊縫為全融透焊縫，焊接時采用多層多道焊。

（2）在主梁腹板上每處裂紋沿裂紋的端部鉆Φ8～Φ10 止裂孔，并將裂紋用砂輪磨成坡口，然后焊實并磨平，如圖9 所示。

圖6 3—截面計算

圖7 主梁跨端支反力分布計算

圖8 主梁跨端支反力（含小車）分布計算

圖9 止裂孔分布位置及坡口形式

（3）補(bǔ)焊加強(qiáng)板一（圖10）。加強(qiáng)板材料Q345-B。以前未加補(bǔ)強(qiáng)板的如圖11 所示。

圖10 補(bǔ)焊加強(qiáng)板一安裝示意

圖11 以前未加補(bǔ)強(qiáng)板區(qū)域安裝示意

（4）補(bǔ)焊加強(qiáng)板二（圖12）。在加強(qiáng)板一焊好后，在其外側(cè)焊加強(qiáng)板二，材料Q345-B。

（5）所有對接焊縫全部實施滿焊焊接作業(yè)，角焊縫焊高為6 mm。焊后對新修復(fù)的焊縫進(jìn)行PT 著色探傷檢驗。檢驗合格后對修復(fù)部位涂刷防銹漆及面漆。

圖12 補(bǔ)強(qiáng)板二安裝示意

5 結(jié)束語

通過整改，經(jīng)過對冶金起重機(jī)幾個月的連續(xù)運(yùn)行觀察，未發(fā)現(xiàn)主梁彎板處腹板及腹板裂紋有延伸現(xiàn)象，并經(jīng)無損檢測，未發(fā)現(xiàn)有裂紋再次發(fā)生。