橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)狀態(tài)檢測(cè)及養(yǎng)護(hù)措施研究

許躍騫

廈門(mén)嵩嶼集裝箱碼頭有限公司工程技術(shù)部，福建 廈門(mén) 361026

1 引言

橋式起重機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)岸橋)是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)不可或缺的重要設(shè)備，常用于港口、碼頭、工廠和建筑工地等人群密集場(chǎng)所，同時(shí)其承受的載荷大、移動(dòng)的范圍廣，從而對(duì)于岸橋的結(jié)構(gòu)可靠性要求很高[1]。隨著岸橋使用時(shí)間的積累，起重機(jī)必然會(huì)存在著安全隱患，而起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)作為岸橋的重要主體部分，其直接關(guān)系到起重機(jī)的安全運(yùn)行和整機(jī)的使用壽命[2]。因此，需要對(duì)岸橋金屬結(jié)構(gòu)狀態(tài)引起足夠的重視，現(xiàn)從幾何剛度、動(dòng)載強(qiáng)度以及疲勞裂紋出發(fā)，對(duì)其金屬結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并介紹了有效的護(hù)養(yǎng)措施，加強(qiáng)對(duì)岸橋金屬結(jié)構(gòu)的修復(fù)和護(hù)養(yǎng)。

2 橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)狀態(tài)檢測(cè)

岸橋由橋架、大車(chē)運(yùn)行結(jié)構(gòu)和小車(chē)起升以及電氣設(shè)備等組成[3]，圖1 為岸橋樣機(jī)外觀。依據(jù)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)規(guī)范與檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)（《起重機(jī)械安全規(guī)程第1 部分總則(GB 6067.1-2010)》、《起重機(jī)試驗(yàn)規(guī)范和程序(GB/T 5905-2011)》、《岸邊集裝箱起重機(jī)(GB/T 15361-2009)》、《岸邊集裝箱起重機(jī)安全規(guī)程(GB/T 21920-2008)》、GB/T 26951-2011《焊縫無(wú)損檢測(cè)磁粉檢測(cè)》、GB/T 26952-2011《焊縫無(wú)損檢測(cè)焊縫磁粉檢測(cè)驗(yàn)收等級(jí)》、GB/T 11345-2013《焊縫無(wú)損檢測(cè)超聲檢測(cè)技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》、GB/T 29712-2013《焊縫無(wú)損檢測(cè)超聲檢測(cè)驗(yàn)收等級(jí)》)對(duì)岸橋檢測(cè)內(nèi)容進(jìn)行歸納與總結(jié)，并結(jié)合實(shí)際的工程運(yùn)用，提出岸橋金屬結(jié)構(gòu)狀態(tài)檢測(cè)方式，其包含以下幾個(gè)部分。

圖1 岸橋樣機(jī)外觀圖

2.1 主要構(gòu)件幾何剛度檢測(cè)

主要構(gòu)件幾何剛度檢測(cè)包括前臂梁上拱度、門(mén)框下橫梁水平度、前臂梁與主梁下?lián)衔灰?、門(mén)架軌距、小車(chē)軌道高低差以及大梁上靜剛度等，對(duì)于岸橋金屬結(jié)構(gòu)的要求是其受載時(shí)產(chǎn)生的變形在允許范圍之內(nèi)[4]。

1)前臂梁對(duì)中度及旁彎度檢測(cè)是為了考察其此時(shí)的幾何形態(tài)狀況，在前門(mén)框和前臂梁上設(shè)置10 個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，具體如下圖2 所示：采用全站儀坐標(biāo)法測(cè)量，在空載工況小車(chē)位于停車(chē)位（后門(mén)框處），記錄測(cè)點(diǎn)相應(yīng)的坐標(biāo)值，將測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入三維分析軟件中，進(jìn)而得出前臂梁對(duì)中度及旁彎度指標(biāo)。

圖2 對(duì)中度及旁彎度測(cè)點(diǎn)布置

2)門(mén)框下橫梁水平度檢測(cè)主要是為了在考察門(mén)框幾何狀態(tài)現(xiàn)狀的同時(shí)，也為可能出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)故障提供一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；根據(jù)一定的現(xiàn)場(chǎng)情況，在下橫梁上翼緣選擇特征合適的測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖3 所示：采用全站儀高度測(cè)量法，進(jìn)行直接測(cè)量，當(dāng)岸橋處于空載時(shí)，記錄各測(cè)點(diǎn)處高度數(shù)值。

圖3 水平度測(cè)點(diǎn)布置

3)前臂梁與主梁下?lián)衔灰茩z測(cè)主要是在動(dòng)載荷作用下，通過(guò)前臂梁與主梁下?lián)衔灰频拇笮?lái)評(píng)估前臂梁與主梁的剛度情況，采用全站儀高度法測(cè)量方法：在空載工況下，以主梁后鉸接點(diǎn)為零點(diǎn)，每隔2m-3m 設(shè)一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，并對(duì)稱(chēng)設(shè)置14 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)；記錄每個(gè)測(cè)點(diǎn)的初始高度值，然后小車(chē)起吊額定荷載，依次行走到主梁面測(cè)點(diǎn)1、3、5、6 和7，分別記錄對(duì)應(yīng)截面上測(cè)點(diǎn)的高度，下?lián)衔灰茰y(cè)點(diǎn)布置如圖4 所示。

圖4 下?lián)衔灰茰y(cè)點(diǎn)布置圖

4)門(mén)架軌距檢測(cè)是為岸橋大車(chē)行走提供一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，一般選取能表征軌距的大車(chē)臺(tái)車(chē)第一級(jí)平衡梁與門(mén)腿連接軸內(nèi)側(cè)的中心點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，具體如圖5所示：依靠全站儀坐標(biāo)測(cè)量法對(duì)軌距進(jìn)行測(cè)量。

圖5 基距、軌距和對(duì)角線測(cè)點(diǎn)示意圖

5)岸橋前臂梁主梁振動(dòng)檢測(cè)主要是為岸橋可能出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)故障提供一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，一般通過(guò)模擬岸橋在正常作業(yè)情況下，進(jìn)行起吊額定的載荷，在主梁與前臂梁的工作位置做上升制動(dòng)與下降制動(dòng)的操作，并及時(shí)記錄振動(dòng)數(shù)據(jù)，采用測(cè)振儀進(jìn)行檢測(cè)，記錄測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度量，具體布置檢測(cè)點(diǎn)如圖6 所示，其中測(cè)點(diǎn)信號(hào)通道號(hào)1-1 →X 向速度；信號(hào)通道號(hào)1-2 →Z向速度。

圖6 振動(dòng)檢測(cè)點(diǎn)位置圖

5)小車(chē)軌道高低差測(cè)量時(shí)，小車(chē)停在正常的停車(chē)位置，水準(zhǔn)儀校零，同時(shí)也以主梁后鉸接點(diǎn)為零點(diǎn)，每隔2m-3m 設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。同時(shí)檢測(cè)岸橋小車(chē)軌道高低差之前先對(duì)岸橋所在位置的大車(chē)軌道的軌頂高高低差測(cè)量；依次測(cè)量數(shù)據(jù)可以分析小車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)于調(diào)整小車(chē)啃軌現(xiàn)象可提供一定的參考。

6)大梁上靜剛度檢測(cè)旨在檢測(cè)岸橋主要構(gòu)件上關(guān)鍵受力部位和較大應(yīng)力點(diǎn)在額定載荷靜態(tài)作用下的應(yīng)力狀況，以進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度核算和安全性能評(píng)估；在主要金屬結(jié)構(gòu)件前臂梁拉桿、梯形門(mén)框斜撐桿等處布置應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，依據(jù)應(yīng)變計(jì)電測(cè)法來(lái)測(cè)試結(jié)構(gòu)應(yīng)力值，測(cè)點(diǎn)在20 點(diǎn)左右；測(cè)試工況及測(cè)點(diǎn)位置依據(jù)橋吊的具體特征和檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。

2.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)載強(qiáng)度檢測(cè)

結(jié)構(gòu)的動(dòng)載強(qiáng)度檢測(cè)是在靜載強(qiáng)度檢測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，主要為了試驗(yàn)工況下，檢測(cè)主要承載結(jié)構(gòu)件承受動(dòng)態(tài)載荷的能力。一般選擇在結(jié)構(gòu)靜載應(yīng)力測(cè)試中應(yīng)力值較大、波動(dòng)也較大，且能代表岸橋主要工作結(jié)構(gòu)的測(cè)點(diǎn)作為動(dòng)載應(yīng)力檢測(cè)點(diǎn)，進(jìn)而選取A1、C2 測(cè)點(diǎn)作為動(dòng)載應(yīng)力檢測(cè)點(diǎn)。圖7 為岸橋應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖，同時(shí)對(duì)于岸橋的外觀也需進(jìn)行合理檢測(cè)及測(cè)量。依據(jù)檢測(cè)點(diǎn)處的動(dòng)載應(yīng)力最大值、穩(wěn)定值、應(yīng)力對(duì)比值進(jìn)行岸橋結(jié)構(gòu)的動(dòng)載強(qiáng)度核算和安全性評(píng)估。

圖7 岸橋應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖

2.3 局部焊縫檢測(cè)

采用無(wú)損探傷設(shè)備或者技術(shù)對(duì)岸橋金屬結(jié)構(gòu)的局部焊縫易發(fā)生裂紋處進(jìn)行抽查無(wú)損探傷檢測(cè)，進(jìn)而確定發(fā)生焊縫裂紋的位置、裂紋的長(zhǎng)度以及裂紋發(fā)展的態(tài)勢(shì)，圖8 為鋼結(jié)構(gòu)焊縫示例圖。

圖8 鋼結(jié)構(gòu)焊縫示例圖

對(duì)一般部分的構(gòu)件本體和構(gòu)件間焊縫采用目測(cè)檢查，而關(guān)鍵部位的焊縫則采用磁粉探傷檢查加超聲波探傷檢查，對(duì)焊縫檢測(cè)長(zhǎng)度取為200mm。在計(jì)算疲勞焊縫裂紋剩余使用壽命時(shí)，需先確定初始裂紋長(zhǎng)度和失效裂紋長(zhǎng)度，在實(shí)際的工程項(xiàng)目中，一般情況下將焊縫缺陷引起的微小裂紋作為疲勞裂紋的初始的裂紋，長(zhǎng)度約為0.5mm ～2mm 之間，所以可取為0.5mm；通過(guò)材料的斷裂韌性計(jì)算獲得失效的裂紋長(zhǎng)度。參照現(xiàn)有的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)(《焊縫無(wú)損檢測(cè)焊縫磁粉檢測(cè)驗(yàn)收等級(jí)(GB/T 如圖 26952-2011)》、《焊縫無(wú)損檢測(cè)超聲檢測(cè)技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定(GB/T 如圖 11345-2013)》)，失效裂紋長(zhǎng)度一般可取70mm ～120mm，考慮到岸橋的實(shí)際工作狀況中所能承受的應(yīng)力范圍，建議設(shè)為120mm。

3 橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的護(hù)養(yǎng)措施

1)對(duì)于岸橋金屬結(jié)構(gòu)焊縫產(chǎn)生的裂紋，為了防止裂紋向四周的擴(kuò)張，需要對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。所采用的主要方法就是補(bǔ)焊，所采用材料是與金屬結(jié)構(gòu)相接近的原材料，同時(shí)需要對(duì)裂紋處進(jìn)行打磨和清除，再進(jìn)行補(bǔ)焊操作[5]。如果岸橋服役年限較長(zhǎng)而出現(xiàn)了明顯的結(jié)構(gòu)疲勞、剛性減弱等問(wèn)題，科學(xué)合理地對(duì)原金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固或者進(jìn)行必要的更換。

2)在實(shí)際的工作中，需要及時(shí)地做好金屬結(jié)構(gòu)的維修護(hù)養(yǎng)工作。岸橋設(shè)備長(zhǎng)期暴露在潮濕、海洋、日照等惡劣自然環(huán)境中，在沒(méi)有任何有效的防護(hù)措施下，會(huì)造成金屬結(jié)構(gòu)形成銹蝕以及發(fā)生形變和應(yīng)力變差等問(wèn)題。因此，需要定期對(duì)岸橋金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)防銹的保護(hù)，涂上防銹漆以及保持周邊環(huán)境清潔。目前設(shè)備油漆涂裝采用富鋅底漆涂料、厚漿型中層漆涂料和面漆涂料的配套組合；同時(shí)采用局部油漆修補(bǔ)和日常巡視檢查動(dòng)態(tài)相結(jié)合的方式進(jìn)行。

3)在日常生產(chǎn)過(guò)程中，需要加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的維修保養(yǎng)檢查，制定完整的檢驗(yàn)制度。在安全的檢查過(guò)程中，嚴(yán)格依據(jù)檢驗(yàn)制度進(jìn)行相應(yīng)的檢查。對(duì)于一般性的金屬結(jié)構(gòu)部位的修復(fù)，可以通過(guò)目檢方式，而對(duì)于焊縫的補(bǔ)焊修復(fù)，則采用磁粉加超聲探傷進(jìn)行檢驗(yàn)，在檢驗(yàn)合格后方可投入使用。

4)在岸橋使用過(guò)程中，一定要嚴(yán)格遵循使用規(guī)范，不能使起重機(jī)機(jī)械超負(fù)荷工作，在作業(yè)頻率上進(jìn)行有效的控制，使機(jī)器能夠進(jìn)行合理的修整和休息。與此同時(shí)也需要不斷地提升相應(yīng)管理人員在這方面的認(rèn)識(shí)[6]，注重對(duì)岸橋的護(hù)養(yǎng)。

5)對(duì)岸橋金屬結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估設(shè)定指標(biāo)，依據(jù)指標(biāo)方法進(jìn)行量化，量化評(píng)估可分為0-60 和90-100 五個(gè)等級(jí)，大于60 的量化階段為安全范圍，依據(jù)金屬結(jié)構(gòu)裂紋的張開(kāi)型與滑開(kāi)型來(lái)評(píng)估裂紋值，而幾何剛度的評(píng)估值則是依靠數(shù)據(jù)的線性映射來(lái)反映[7]，其中評(píng)定指標(biāo)為1 級(jí)是岸橋金屬結(jié)構(gòu)安全，在周期過(guò)后，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)與修理；2 級(jí)則是相對(duì)安全，采用的措施與1 級(jí)同樣，3 級(jí)則是岸橋金屬結(jié)構(gòu)處于了臨界安全的情況，少數(shù)的指標(biāo)是臨界狀態(tài)，4 級(jí)則是岸橋金屬結(jié)構(gòu)不安全，需盡快進(jìn)行相應(yīng)修復(fù)，并進(jìn)行項(xiàng)目復(fù)查，最后一級(jí)是岸橋金屬結(jié)構(gòu)很不安全，多數(shù)的指標(biāo)達(dá)不到規(guī)定要求，必須馬上進(jìn)行修理。在對(duì)岸橋起重機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行消除后，則對(duì)其重新進(jìn)行金屬結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)，進(jìn)而達(dá)到安全指標(biāo)。

4 總結(jié)

橋式起重機(jī)是港口、碼頭、工廠和建筑工程等地方重要的作業(yè)機(jī)器，它能有效地促進(jìn)作業(yè)的高效進(jìn)行及安全性。本文從三大部分幾何剛度、動(dòng)載強(qiáng)度以及疲勞裂紋出發(fā)，提出岸橋金屬結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)方案以及相應(yīng)的安全許可范圍；然后介紹了有效的護(hù)養(yǎng)措施。加強(qiáng)對(duì)岸橋的金屬結(jié)構(gòu)修復(fù)和護(hù)養(yǎng)，對(duì)于設(shè)備的正常運(yùn)作、延長(zhǎng)岸橋使用壽命及減少維修費(fèi)用都具有十分重大的意義。