起重機金屬結(jié)構(gòu)焊縫的綜合檢測與壽命估算

陳 瑩

（新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗研究院，新疆烏魯木齊 830021）

0 引言

近些年，起重機械在電力、物流、機械制造及建筑行業(yè)等均有廣泛應(yīng)用，其運作過程安全性關(guān)系著生命財產(chǎn)安全。金屬結(jié)構(gòu)是大型起重機的主要結(jié)構(gòu)，其樣式復(fù)雜多樣，T形或薄壁箱形焊接結(jié)構(gòu)是主要的承載構(gòu)件。制造起重機械過程中，若設(shè)計不合理、鋼材內(nèi)存有冶金缺陷及焊接結(jié)構(gòu)時存有夾雜、咬邊等缺陷，均會成為形成裂痕問題的疲勞來源[1]。起重機作業(yè)環(huán)境偏差，在多種載荷作用下，很可能造成疲勞源出現(xiàn)裂痕隨即擴散，對整個機械的運行安全構(gòu)成威脅。

1 起重機金屬結(jié)構(gòu)焊縫的檢測方法

1.1 聲發(fā)射檢測

是近些年發(fā)展起來的一種局部損傷監(jiān)測技術(shù)。若起重機械金屬結(jié)構(gòu)存有裂紋并在荷載作用下發(fā)生擴展時，將會形成應(yīng)力波，通過采集和分析應(yīng)力波，能較科學(xué)地判斷出焊縫所處方位及準確辨識裂紋參數(shù)。

國外Curly J.M于50 t橋門式起重機上率先進行了聲發(fā)射測試；Jordon R.D等利用聲發(fā)射技術(shù)檢測電動橋式起重機主梁的載荷加載過程，也利用該項技術(shù)檢測退役起重機管狀吊桿的破壞性過程，全面分析了聲發(fā)射信號的強度與聲發(fā)射源[2]。

聲發(fā)射技術(shù)引進國內(nèi)的時間相對偏晚，但發(fā)展較快速。有人員對起重機梁加載開展疲勞試驗，配合使用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測加載過程，分析監(jiān)測聲發(fā)射信號，探究焊縫危險等級的測評方法。聲發(fā)射檢測技術(shù)有時效性好、檢測范圍較寬廣等優(yōu)點，在起重機結(jié)構(gòu)焊縫檢測領(lǐng)域中有較大的應(yīng)用空間。

1.2 PVDF檢測技術(shù)

PVDF為近些年開發(fā)出的一種新型高分子壓電功能材料。1969年探查到其壓電性處于較高水平，后期對PVDF進行研究。PVDF檢測技術(shù)應(yīng)用壓電材料的壓電效應(yīng)檢測被測對象[3]。粘貼于結(jié)構(gòu)表層的壓電薄膜順沿某方向在外力的作用下發(fā)生變形時，其內(nèi)部會逐漸出現(xiàn)極化表象，兩個在方位上形成相對關(guān)系的表面形成的電荷極性相反，消除外力后，其便能夠順利的復(fù)原到不帶電狀態(tài)。PVDF壓電薄膜的電荷輸出與結(jié)構(gòu)應(yīng)變成兩者存在正比關(guān)系，通過檢測壓電薄膜的輸出電荷能換算出結(jié)構(gòu)應(yīng)力，通過分析應(yīng)力數(shù)據(jù)去測評結(jié)構(gòu)焊縫嚴重程度。

1.3 紅外熱成像檢測

紅外熱成像檢測原理是采用外部紅外熱源對被檢結(jié)構(gòu)進行熱激勵，記錄被檢結(jié)構(gòu)表層時，因局部存有焊縫裂紋而導(dǎo)致溫度改變，通過分析結(jié)構(gòu)表面溫度場，去辨識及判斷焊縫。

既往有人員利用有限元分析方法探究在施加局部表面熱流工況下焊縫外表層溫度場的改變，解讀不同熱流密度對加熱熱流效果形成的影響，掌握了溫度場改變和鋼板焊縫缺陷規(guī)格、深度之間的相關(guān)性[4]。金屬結(jié)構(gòu)焊縫檢測屬于主動式紅外檢測的范疇，熱源激勵形式對檢測結(jié)果形成有較大影響。電磁激勵是一種新型紅外熱源激勵方法，電磁感應(yīng)定律和渦流效應(yīng)是其基本原理，有靈活性大，能夠選擇不同波形、頻率及激勵裝置的功率可以調(diào)控等諸多特點?？梢詤⒄諜z測目標對象的差異，設(shè)定不同參數(shù)，進而取得最佳的焊縫檢測效果。

2 壽命估算

2.1 測試工況

應(yīng)以應(yīng)力數(shù)據(jù)采集為基礎(chǔ)估算機械的安全使用壽命，故而現(xiàn)場檢測記錄、采樣數(shù)據(jù)能呈現(xiàn)出被檢起重機機門的現(xiàn)實工作狀況。采樣長度要適宜，不可遺漏數(shù)據(jù)，也不能引進噪聲信號。測試現(xiàn)場，將模擬機門正常運作作為采樣工況。

2.2 機理分析

當前，國內(nèi)外均有文獻記載，雖然造成港口起重機金屬結(jié)構(gòu)失效的原因較多，但疲勞性破壞是主要原因。名義應(yīng)力法是當下估算疲勞壽命長短的主要方法。該方法的應(yīng)用思路如下：

將分析材料的S—N曲線特征、走勢等作為著手點，考慮各類影響系數(shù)，獲得和構(gòu)件相配套的S—N曲線，參照現(xiàn)場檢測到的應(yīng)力譜，基于Miner理論及其延伸出的壽命估算公式進行預(yù)測，具體是綜合分析起重機械的結(jié)構(gòu)樣態(tài)，對其安全應(yīng)用年限作出合理預(yù)測，執(zhí)行的基本過程如下[5]：

（1）借用雨流計數(shù)法完成計數(shù)，記錄應(yīng)力—時間階段應(yīng)力循環(huán)的總次數(shù)，摸索出其遵循的規(guī)律。

（2）針對實際測得到的應(yīng)力譜，采用古德曼等規(guī)劃設(shè)計出壽命曲線進行局部完善，使其演變成平均值是0的等效式載荷譜。

（3）將所有應(yīng)力循環(huán)細化成8級，按序依次記錄各級應(yīng)力循環(huán)的次數(shù)，采用其組成當量載荷譜。

（4）將冪函數(shù)的S—N關(guān)系整合至其內(nèi)，據(jù)此得到各級單向應(yīng)力相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。對Miner理論進行適度修整，獲得當量載荷譜作用下的循環(huán)總次數(shù)[6]：

式中 N1——第一級應(yīng)力作用下的循環(huán)頻次

Ti——第一級應(yīng)力作用下的循環(huán)數(shù)與總循環(huán)數(shù)的比值

ei、e1——分別是第i級、第1級應(yīng)力

k——應(yīng)力譜的級數(shù)

（5）估算壽命

式中 N——當量載荷譜作用下的總循環(huán)次數(shù)

n——采樣數(shù)據(jù)應(yīng)力—時間歷程中的循環(huán)次數(shù)

t——時間

h——起重機械的壽命

壽命估算采樣活動中，在門機上選取4個測點（A2、D6、E1、F1），因為主要依照應(yīng)力估算起重機械的疲勞壽命，對選定的4個測點對應(yīng)的應(yīng)力數(shù)值進行對比分析，最后擬定選取應(yīng)力幅值最大的A2點去估算疲勞壽命。

檢測階段對門機持續(xù)模擬了數(shù)個作業(yè)循環(huán)，歷經(jīng)比較與篩選過程后，擬定選取其內(nèi)兩個連貫性較好的作業(yè)循環(huán)作為壽命估算的初始數(shù)據(jù)。觀察分析A2的應(yīng)力—時間歷程圖，發(fā)現(xiàn)A2測點應(yīng)力的波動幅度偏大，以拉應(yīng)力為主、測點位置應(yīng)力數(shù)值有一定變化，作業(yè)載荷是導(dǎo)致應(yīng)力值變動的主要原因，主要發(fā)生在載荷升與降的起始、制動時及回轉(zhuǎn)啟動時。整體分析，應(yīng)力值變動不顯著，預(yù)示當下門機強度符合作業(yè)要求。

參照現(xiàn)行規(guī)范標準，材料參數(shù)設(shè)定情況如下[4]：

eb=448 MPa，e-1k=132 MPa，缺口系數(shù)Ks=1.3，利用雨流計數(shù)法完成A2測點的應(yīng)力—時間歷程的計數(shù)，提取全部的應(yīng)力循環(huán)并開展統(tǒng)計分析，獲得當量載荷譜。其中e1、N1分別是64 MPa、16 MPa，代入式（1）算出總循環(huán)次數(shù)N，歷經(jīng)前期設(shè)定的換算流程后，便能計算出剩余疲勞壽命為8.6年。

3 結(jié)束語

起重機門機疲勞壽命的預(yù)測、計算是在相對正常的工況下執(zhí)行，其對Miner理論表現(xiàn)出較高的依賴性，但該項工作推進階段時而會出現(xiàn)超載、突然啟制動等異常情況，外加機械作業(yè)工況條件偏差，以上因素若長期不被解除，將不利于起重機械的安全使用?？紤]到門機的作業(yè)時間與發(fā)生銹跡、裂痕等狀況，本文獲得的測量結(jié)果較保守。