碼頭重型軌道連接縫斷裂原因分析與對策

程大慶，虞學(xué)明，顧津瑋，黃明俊

（1.營口港務(wù)集團(tuán)有限公司，遼寧 營口 115007；2.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

引 言

港口碼頭起重機(jī)大車行走軌道是由一根根 12 m長的單根標(biāo)準(zhǔn)鋼軌連接而成，兩根鋼軌之間必然存在接頭，接頭主要有兩種型式，一種是焊接接頭，一種是伸縮縫接頭。焊接接頭主要是將兩節(jié)標(biāo)準(zhǔn)軌焊接成整體形成無縫鋼軌，一般采取現(xiàn)場鋁熱焊或電弧焊焊接工藝進(jìn)行連接。伸縮縫接頭是根據(jù)鋼材熱脹冷縮和焊接工藝的影響確保長軌溫度變形而設(shè)置一種接頭，是一種結(jié)構(gòu)性接頭，接頭設(shè)置的間距受接頭型式、環(huán)境溫差等因素影響，目前國內(nèi)外設(shè)計(jì)規(guī)范主要有平接頭、斜接頭、Z字形接頭和凸字形接頭等接頭型式（圖1）。隨著碼頭向重型化、大型化、自動(dòng)化的發(fā)展，碼頭起重設(shè)備的額定噸位越來越大，為了滿足大車行走的鋼軌承載能力、穩(wěn)定性和安全性的需要，對重型軌道的使用條件要求越來越高。近年來在碼頭建設(shè)中廣泛采用的軌道連接方式，是通過接頭聯(lián)結(jié)將長度12 m的軌道焊接后連接成長軌后再鋪設(shè)施工，可以大幅降低起重機(jī)行走經(jīng)過接頭時(shí)產(chǎn)生的沖擊力，保證大車行走和作業(yè)過程的平穩(wěn)性，可延長設(shè)備使用壽命。

圖1 接頭型式

早期碼頭起重機(jī)主要采用的是 P系列鐵路鋼軌，軌道伸縮縫接頭主要采用平接頭和斜接頭型式，基本上能夠滿足小型起重機(jī)使用的要求；隨著船舶大型化，碼頭起重機(jī)也相應(yīng)地向大型化、重型化發(fā)展。承載能力較大的QU系列重型鋼軌逐漸取代了P型鋼軌，為減小沖擊，產(chǎn)生了連續(xù)軌道概念，這樣焊接接頭組合Z字形接頭成為施工設(shè)計(jì)主流，個(gè)別港口也有采用凸字形接頭型式。隨著使用年限的增長，全國各港口均出現(xiàn)了軌道伸縮接頭斷裂、焊點(diǎn)開裂的現(xiàn)象，特別是大型礦石、集裝箱碼頭斷裂嚴(yán)重，在很大程度上影響了碼頭裝卸生產(chǎn)效率，對起重機(jī)安全作業(yè)造成了嚴(yán)重的安全隱患。

1 碼頭軌道斷裂原因初步分析

1.1 軌道焊接接頭

一般而言，承載鋼結(jié)構(gòu)焊接連接中要求焊接接頭比母材具有更高的靜載荷承載能力，以確保結(jié)構(gòu)連接的可靠性，但是實(shí)際作業(yè)操作時(shí)受焊接工藝、焊接作業(yè)水平、焊接環(huán)境控制等諸多因素影響，焊接過程中難免會存在各種焊接缺陷，形成的焊接接頭存在不同程度的結(jié)構(gòu)性能的不均勻性，尤其是一些非高標(biāo)準(zhǔn)要求的焊接施工中，在焊接結(jié)構(gòu)變形與焊接缺陷的影響下，焊接接頭在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷作用下的力學(xué)性能遠(yuǎn)不如母材，所以焊接工藝選擇和焊接質(zhì)量控制尤為重要。

碼頭鋼軌焊接工作基本上是在碼頭施工現(xiàn)場進(jìn)行，大多采用手工焊接方式，遼寧營口地區(qū)一般60～120 m為一個(gè)焊接單元，將5～10根標(biāo)準(zhǔn)鋼軌通過焊接方式連成通長無縫鋼軌。這類焊接接頭主要存在以下問題：

1）焊縫缺陷

夾渣，焊縫內(nèi)有焊條頭、鋼板條等雜物，焊縫與軌道母材未充分融合，焊縫不飽合，焊縫底部存在缺口等各種缺陷。其中，焊縫中的夾雜物對焊縫性能影響尤其是疲勞裂紋的萌生影響較大，如果夾雜物的熱膨脹系數(shù)大于母材的熱膨脹系數(shù)，那么在熱處理后冷卻的過程中，母材和夾雜物的交界處便會產(chǎn)生內(nèi)拉應(yīng)力，容易削弱了母材和夾雜物的結(jié)合強(qiáng)度，導(dǎo)致夾雜物和母材脫開，在夾雜物處便會形成“空穴”，導(dǎo)致應(yīng)力集中從而萌生出疲勞裂紋；反之，如果夾雜物的熱膨脹系數(shù)小于母材的熱膨脹系數(shù)，夾雜物就會受到壓應(yīng)力的作用，也會產(chǎn)生疲勞裂紋萌生的風(fēng)險(xiǎn)，此外，影響疲勞裂紋萌生型式的主要因素還包括夾雜物自身的彈塑性：夾雜物的彈性模量若是大于母材的彈性模量，在加載的過程中，夾雜物容易發(fā)生斷裂從而萌生疲勞裂紋；夾雜物的彈性模量若是小于母材的彈性模量，那么在加載過程中，夾雜物將使得周圍的母材應(yīng)力升高，容易產(chǎn)生滑移從而使得母材開裂，萌生疲勞裂紋。夾雜物對疲勞裂紋萌生的影響，除了跟夾雜物的彈塑性和熱性有關(guān)以外，還與夾雜物的形狀和大小有關(guān)，低周疲勞中疲勞裂紋比較容易在較大的夾雜物附近萌生，夾雜物形狀對應(yīng)力集中系數(shù)的影響較大，因此對疲勞裂紋萌生會有較大的影響。

2）工藝缺陷

焊接工藝執(zhí)行不到位，甚至沒有焊接工藝。普遍存在焊接前軌道母材不預(yù)熱，焊后不保溫的違規(guī)作業(yè)現(xiàn)象；軌道對接不成直線，位置公差超標(biāo)，以至于連成長軌后整體呈蛇形狀態(tài)，安裝到軌道梁上時(shí)，不可避免地人為造成預(yù)應(yīng)力；焊條選用與軌道材質(zhì)不匹配，焊機(jī)選用電流與焊條要求不匹配。

3）驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)不到位

由于軌道在碼頭整體工程中占比非常小，驗(yàn)收時(shí)往往只是憑人體感官查看鋼軌焊縫外表面，軌道施工在工程驗(yàn)收報(bào)告中基本沒有具體描述。

1.2 軌道伸縫縮接頭

伸縮縫接頭斷裂在Z字形接頭和凸字形接頭型式上比較常見，在斜接頭型式上發(fā)生概率很低，在平接頭型式上基本不會發(fā)生。主要存在以下問題：

1）加工缺陷

軌道原材料采購到場時(shí)，并沒有預(yù)先加工成Z字形接頭和凸字形接頭需要的形狀，加工是在施工現(xiàn)場進(jìn)行的。加工工藝采用機(jī)械切割方式，被加工的兩個(gè)平面交匯處的直角，不可避免地存在加工缺陷，形成應(yīng)力集中現(xiàn)象。觀察現(xiàn)場斷裂的軌道裂紋走向，裂紋都是從兩個(gè)加工面尖角處開始發(fā)生的。而裂紋擴(kuò)展方式的不同，也將引起不同的鋼軌傷損型式。斷裂力學(xué)理論指出裂紋擴(kuò)展過程是沿著能量降低的方向和遵循阻力最小的途徑來進(jìn)行的，裂紋擴(kuò)展的阻力由裂紋前緣金屬的性能和微觀的斷裂機(jī)制來決定，而溫度、應(yīng)變速度、應(yīng)力狀態(tài)及介質(zhì)對裂紋擴(kuò)展的阻力均有一定影響。

2）承載缺陷

大型化的碼頭起重機(jī)需要重型軌道匹配，現(xiàn)有最大型號重軌QU120承載能力安全裕度較低，Z字形接頭和凸字形接頭加工成型后，承載能力降低一半以上；起重機(jī)經(jīng)過存在縫隙的兩個(gè)接頭時(shí)，會有很大的沖擊力，軌道伸縮縫處在使用過程中所受到的上部結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)的偏心載荷、水平力、彎曲應(yīng)力的復(fù)合作用，通過車輪的反復(fù)低周高強(qiáng)碾壓對軌道接頭截面變化處造成疲勞破壞，這種疲勞經(jīng)年累月逐漸積累造成軌道斷裂。

2 碼頭軌道施工和設(shè)計(jì)問題

2.1 軌道“爬行”

現(xiàn)行軌道存在向一個(gè)方向移動(dòng)，最終使得伸縮接頭預(yù)留間隙不斷縮小，甚至出現(xiàn)頂死的“爬行”現(xiàn)象。造成“爬行”現(xiàn)象的主要原因有兩個(gè)，一是軌道壓板螺栓防松措施不得力：緊固時(shí)沒有預(yù)緊力大小要求，現(xiàn)場隨意使用工具緊固；壓板與螺母接觸面存在角度，致使螺母無法與壓板表面完全接觸；基本沒有采用彈簧墊圈等必要的防松手段。致使軌道處于浮動(dòng)狀態(tài)。二是沿軌道長度方向，沒有采取任何有效的防竄動(dòng)措施。

2.5插管率高,愈合期長,這與老年人肺部基礎(chǔ)病多,肺組織修復(fù)技能減弱、感染、胸膜粘連形成多房、粘連牽拉致破口不易閉合有關(guān),為縮短愈合期,除加強(qiáng)抗感染外,還需注意吸氧、全身支持療法。

2.2 軌道基礎(chǔ)

膠墊板與找平鋼板、膠泥共同構(gòu)成鋼軌的基床，基床的剛度會影響特征長度的取值，影響鋼軌的內(nèi)力響應(yīng)。起重機(jī)在經(jīng)過軌道伸縮接頭時(shí)，由于車輪的輾壓力首先是作用在一側(cè)軌道上，相對于另一側(cè)的軌道接頭，本側(cè)軌道接頭下沉位移量很大。長期往復(fù)作用，致使軌道鋼墊板、填充膠泥漸漸變形、損壞，而膠墊板承受壓力，會產(chǎn)生壓縮變形，側(cè)向向外延展。在均勻荷載作用下，產(chǎn)生對稱的延展變形，在偏心荷載作用下就會產(chǎn)生不對稱的延展變形，這種不均勻擠壓，產(chǎn)生局部較大張力，反復(fù)作用下，容易造成局部變形過大，超過橡膠墊的伸長率而撕裂。膠墊板一旦發(fā)生破壞，存在較大的空隙時(shí)，上部鋼軌的應(yīng)力就會明顯加大，應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯。如此惡性循環(huán)，更加速了軌道伸縮接頭的損壞。

2.3 輪軌接觸

起重機(jī)行進(jìn)過程中，若存在偏心荷載，車輪與軌道接頭的接觸方式將由一點(diǎn)接觸變?yōu)槎帱c(diǎn)接觸（圖 2），除與鋼軌上表面接觸外，還與軌距角處發(fā)生接觸。

圖2 車輪與鋼軌接觸型式

軌距角處接觸面積小，壓應(yīng)力大，雖然鋼軌在裝船機(jī)正常工作狀態(tài)時(shí)處于彈性階段，但是如果某些地方產(chǎn)生地基沉降，鋼軌應(yīng)力將明顯增大。通過現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鋼軌在使用過程中受到車輪反復(fù)低周碾壓，表層接觸區(qū)域受到反復(fù)的拉壓應(yīng)力作用，鋼軌表層較薄弱的區(qū)域在剪切應(yīng)力的作用面上形成滑移帶，產(chǎn)生明顯塑性變形，當(dāng)塑性變形達(dá)到一定程度，隨著鋼軌受到循環(huán)剪切應(yīng)力作用次數(shù)的增加，鋼軌中的累積塑性應(yīng)變將達(dá)到材料的裂紋萌生臨界值，導(dǎo)致滑移帶開裂從而萌生微小裂紋，分散的微小裂紋貫穿后便會形成宏觀裂紋，出現(xiàn)斷裂情況。

3 碼頭軌道斷裂對策

3.1 焊接接頭

1）嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝

手工焊接前，必須制訂完善的軌道焊接工藝，并嚴(yán)格執(zhí)行：對接軌道找正，對接縫隙留好；根據(jù)軌道材質(zhì)選用焊條型號；選用合適的電焊機(jī)，調(diào)節(jié)好焊接電流等等。有條件的，優(yōu)先選用鋁熱焊。

2）加強(qiáng)驗(yàn)收

采用MT和UT綜合檢測第一個(gè)焊縫的質(zhì)量，作為碼頭工程總體項(xiàng)目驗(yàn)收必不可少的一項(xiàng)驗(yàn)收內(nèi)容，需提供現(xiàn)場檢測驗(yàn)收報(bào)告。

3.2 伸縮接頭

1）總體原則

盡量減少伸縮接頭數(shù)量；伸縮接頭縫隙大小要根據(jù)當(dāng)?shù)貥O限溫差預(yù)留；伸縮接頭盡量安排在起重機(jī)不經(jīng)常作業(yè)的區(qū)域（如兩個(gè)泊位之間），以便降低損壞的頻率；可采用門式起重設(shè)備小車軌道止擋塊的技術(shù)措施（圖 3），止塊與軌道焊接，擋塊與鋼墊板焊接，防止碼頭軌道“爬行”，造成伸縮縫擠死現(xiàn)象；伸縮接頭處基礎(chǔ)采用高等級的加強(qiáng)設(shè)計(jì)，并施工。

圖3 軌道加裝止擋塊

2）優(yōu)先原則

優(yōu)先選用平接頭。具有不用再加工，承載力大、損壞概率極低等不可替代的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是對起重機(jī)行走沖擊力大，可采取根據(jù)溫度選用不同長度的，便拆式硬質(zhì)橡膠等塑性材質(zhì)填充接頭縫隙減少?zèng)_擊力。

3）加工工藝

改變設(shè)施設(shè)計(jì)時(shí)，軌道接頭只給出名義尺寸的慣用做法，要明確出形位公差，兩個(gè)加工面接合處的尖角應(yīng)該采取圓角過渡等有效的消除應(yīng)力設(shè)計(jì)。

4）設(shè)計(jì)新型接頭

水運(yùn)工程中較少有涉及碼頭鋼軌設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范和規(guī)程，鋼軌的設(shè)計(jì)主要參考設(shè)計(jì)圖集進(jìn)行選型，常用的幾種伸縮縫接頭在很多港口均存在斷裂等適應(yīng)性問題，開展系統(tǒng)的技術(shù)研究和試驗(yàn)，提出和設(shè)計(jì)適應(yīng)性更好的碼頭鋼軌接頭是一個(gè)重要的方向。

4 結(jié) 語

分析了碼頭起重機(jī)軌道在使用過程中產(chǎn)生斷裂的原因和問題，提出了解決方案和對策，對碼頭軌道實(shí)際維護(hù)具有極大指導(dǎo)作用，也為今后推動(dòng)碼頭軌道設(shè)計(jì)規(guī)范的制訂及施工設(shè)計(jì)提供具有積極意義的理論和實(shí)踐支撐。