應(yīng)用應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)檢驗(yàn)起重機(jī)的承載能力

張燕軍

（運(yùn)城市綜合檢驗(yàn)檢測(cè)中心，山西 運(yùn)城 044000）

通過(guò)應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)，可得出起重機(jī)設(shè)備的應(yīng)力結(jié)構(gòu)及受力區(qū)域，以應(yīng)力數(shù)據(jù)為依據(jù)間接了解起重機(jī)的承載能力，繼而判斷起重機(jī)受力區(qū)域強(qiáng)度是否符合《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 3811—2008）。為確保起重機(jī)能夠在使用期間安全運(yùn)行，避免出現(xiàn)安全事故，應(yīng)定期檢驗(yàn)起重機(jī)承載結(jié)構(gòu)受力情況，以此保障起重機(jī)性能。

1 起重機(jī)承載能力檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

在《起重機(jī)械安裝改造重大修理監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)則》（TSG Q7016—2016）中，對(duì)起重機(jī)主梁強(qiáng)度檢驗(yàn)提出了標(biāo)準(zhǔn)，指出可采用額載試驗(yàn)測(cè)量的方式，了解起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)的下?lián)隙葏?shù)，或設(shè)置1.25 倍靜載實(shí)驗(yàn)，用于檢驗(yàn)起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)裂紋狀況及塑性形變情況[1-2]。起重機(jī)設(shè)計(jì)制造體系現(xiàn)已完善，通過(guò)額載試驗(yàn)測(cè)量與1.25 倍靜載試驗(yàn)所得出的結(jié)果均符合要求，為精準(zhǔn)了解起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)的承載能力，需結(jié)合其他檢驗(yàn)辦法，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)測(cè)試及現(xiàn)有資料，發(fā)現(xiàn)可借助應(yīng)變測(cè)量技術(shù)檢驗(yàn)起重機(jī)設(shè)備的應(yīng)力數(shù)據(jù)，通過(guò)應(yīng)力數(shù)據(jù)間接得出起重機(jī)的承載能力情況。

2 起重機(jī)承載性故障問(wèn)題分析及應(yīng)力測(cè)量

2.1 故障表現(xiàn)

為了解應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)對(duì)于起重機(jī)承載能力的檢驗(yàn)效果及檢驗(yàn)要點(diǎn)，選擇一臺(tái)LY300/50-28A7 型號(hào)起重機(jī)設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)，該起重機(jī)主要負(fù)責(zé)吊運(yùn)熔融鋼水，主鉤、副鉤的額定起重量分別為300 t、50 t，設(shè)備跨度參數(shù)為28 m，A7 工作級(jí)別，經(jīng)長(zhǎng)期高頻重載運(yùn)行后，在起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)位置產(chǎn)生了諸多裂縫。結(jié)合起重機(jī)實(shí)踐應(yīng)用情況來(lái)看，起重機(jī)需吊運(yùn)約260 t的熔融鋼水，吊運(yùn)質(zhì)量為87%的額定起重量，屬于重載運(yùn)行，同時(shí)為滿足工作所需，該起重機(jī)設(shè)備需持續(xù)24 h 運(yùn)行[3]。上述吊運(yùn)任務(wù)為該起重機(jī)設(shè)備的日常工作載荷，除此之外，該起重機(jī)還需每月吊運(yùn)兩次重達(dá)100 t 的冶煉爐，冶煉爐與熔融鋼水重量之和已達(dá)吊重額載，吊運(yùn)負(fù)載進(jìn)一步提高。該起重機(jī)設(shè)備出廠并投入使用的時(shí)間為2007 年，起重機(jī)主梁為主要承載部位，主梁呈偏軌箱形梁結(jié)構(gòu)，主梁上蓋板與主腹板之間焊接相連，角焊縫呈K 形坡口[3-4]。結(jié)合上述信息可見(jiàn)，起重機(jī)生產(chǎn)時(shí)間較早，主梁上蓋板與主腹板連接時(shí)，并未采用當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的T形鋼。

2.2 故障分析

經(jīng)長(zhǎng)期高頻重載運(yùn)行，起重機(jī)承載部位所遭受載荷較重，現(xiàn)已在K 形坡口角焊縫部位產(chǎn)生裂縫，且上蓋板與主腹板間的三角加強(qiáng)筋區(qū)域同樣有裂縫出現(xiàn)，兩個(gè)部位的裂縫均為縱向裂縫，沿跨度方向，且裂縫均勻分布。起重機(jī)裂縫問(wèn)題將會(huì)帶來(lái)極大安全隱患，容易導(dǎo)致安全事故的發(fā)生，故在日常運(yùn)行檢查中發(fā)現(xiàn)上述裂縫問(wèn)題后，立即邀請(qǐng)具有維修資質(zhì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行處理，同時(shí)申報(bào)重大維修檢驗(yàn)。該起重機(jī)維修結(jié)束后，按照《起重機(jī)械安裝改造重大修理監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)則》（TSG Q7016—2016）要求對(duì)該起重機(jī)主梁吊運(yùn)撓度進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)起重機(jī)撓度參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)，故得出主梁承載結(jié)構(gòu)剛度參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)論，為進(jìn)一步了解裂縫處理后的起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)承載能力，決定采用應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)，對(duì)起重機(jī)主梁吊載危險(xiǎn)截面進(jìn)行檢驗(yàn)[5]。為便于檢驗(yàn)分析，按照?qǐng)D1 示意圖情況設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)，其中日常吊運(yùn)載荷工位為截面A、截面C，主梁跨中對(duì)應(yīng)截面B，截面A、B、C為非電氣側(cè)主梁檢測(cè)點(diǎn)位，而電氣側(cè)主梁檢測(cè)點(diǎn)位為截面D、E，如圖1 所示，截面D、E分別與截面B、A對(duì)應(yīng)。

圖1 主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測(cè)點(diǎn)示意圖

2.3 應(yīng)力測(cè)量

完成應(yīng)力檢測(cè)點(diǎn)設(shè)置后需確定試吊載荷，在本次應(yīng)力測(cè)量工作中，將試吊載荷定為兩種規(guī)格，即290 t、100 t。在正式檢測(cè)并采集數(shù)據(jù)前，對(duì)應(yīng)力檢測(cè)各通道的連接情況進(jìn)行檢驗(yàn)，同時(shí)清零現(xiàn)有數(shù)據(jù)，開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使主梁結(jié)構(gòu)呈南北方向巡回兩周，完后巡回運(yùn)行后將試吊載荷放下，在此期間，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將會(huì)記錄主梁結(jié)構(gòu)在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

2.4 應(yīng)變數(shù)據(jù)

對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所得應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出測(cè)量期間各應(yīng)力檢測(cè)通道的應(yīng)變數(shù)據(jù)，在100 t 荷載下的應(yīng)變數(shù)據(jù)如表1 所示，290 t 荷載情況下的應(yīng)變數(shù)據(jù)如表2 所示。在表1、表2 中，應(yīng)力為應(yīng)變數(shù)據(jù)與彈性模量（206 GPa）的乘積，（A～C）1、（D～E）3為危險(xiǎn)截面的載荷彎矩壓應(yīng)力；（A～C）2與（D～E）1為垂直輪壓應(yīng)力；（A～C）3為載荷彎矩拉應(yīng)力。

表1 100 t 荷載下的應(yīng)變數(shù)據(jù)

表2 290 t 荷載下的應(yīng)變數(shù)據(jù)

結(jié)合表1、表2可見(jiàn)，在290 t吊運(yùn)荷載檢測(cè)期間，在非電氣側(cè)截面B主梁跨中部位檢測(cè)出了1 313 的最大微應(yīng)變，此時(shí)該部位所承受到壓應(yīng)力為270.3 MPa。結(jié)合《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 3811—2008）計(jì)算起重機(jī)額載許用應(yīng)力，得出額載許用應(yīng)力為233 MPa，而通過(guò)應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)得出的應(yīng)力數(shù)值為270.3 MPa，高于額載許用應(yīng)力，故可判定，該起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)不符合強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。根據(jù)非電氣側(cè)截面B的應(yīng)變數(shù)據(jù)繪制應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)載荷彎矩拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、輪壓數(shù)據(jù)在荷載條件下表現(xiàn)出同步變化特征，即當(dāng)截面B遭受外部壓力時(shí)，上述應(yīng)力同時(shí)增大[6-7]。

應(yīng)力檢測(cè)人員對(duì)該起重機(jī)完成應(yīng)力檢測(cè)并分析出主梁結(jié)構(gòu)承載力隱患后，將檢測(cè)結(jié)果立即告知相關(guān)人員，為避免該起重機(jī)在后續(xù)工作運(yùn)行中引發(fā)安全事故，故再次邀請(qǐng)具有起重機(jī)修理資質(zhì)的機(jī)構(gòu)，二次修理加固起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)，此時(shí)根據(jù)應(yīng)力檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，重點(diǎn)對(duì)非電氣側(cè)的跨中部分進(jìn)行加固處理。

3 起重機(jī)承載能力應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果分析

起重機(jī)共經(jīng)過(guò)兩次應(yīng)力檢測(cè)，當(dāng)完成第一次應(yīng)力檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)起重機(jī)主梁跨中部位存在較大安全隱患，導(dǎo)致起重機(jī)承載能力不達(dá)標(biāo)，此時(shí)按照應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行針對(duì)性加固維修，并再次展開(kāi)應(yīng)力檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)再次加固維修并未起到良好效果，主梁跨中部位仍存在較大應(yīng)力，承載能力仍不符合標(biāo)準(zhǔn)，且存在一定下降現(xiàn)象[8]。

對(duì)應(yīng)力數(shù)據(jù)展開(kāi)深入分析，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)上述情況的原因主要包括以下幾點(diǎn)：第一，在首次裂縫修理時(shí)采用的焊接修復(fù)方法，但受限于焊接條件，導(dǎo)致裂縫處理無(wú)法達(dá)到起重機(jī)主梁生產(chǎn)制造時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)，此外，完成裂縫焊接處理后，尚未采取去應(yīng)力措施，致使焊縫內(nèi)殘留較大應(yīng)力，繼而影響了起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)的承載能力。第二，案例起重機(jī)設(shè)備工作級(jí)別較高，且長(zhǎng)期處于高頻重載運(yùn)行狀態(tài)下，但在起重機(jī)實(shí)際運(yùn)行期間，無(wú)法從設(shè)備結(jié)構(gòu)外觀及使用過(guò)程中察覺(jué)到主梁結(jié)構(gòu)承載區(qū)域的變形情況，因而埋下了質(zhì)量隱患。第三，完成裂縫焊接修復(fù)處理后，采用表面滲透無(wú)損檢驗(yàn)技術(shù)及超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)檢驗(yàn)焊縫時(shí)，尚未發(fā)現(xiàn)焊縫存在裂縫，但結(jié)合材料結(jié)構(gòu)展開(kāi)分析，完成焊接后，焊縫材料與結(jié)構(gòu)原金屬并非同一種材料，兩種材料之間具有組織不連續(xù)性，繼而形成了材料性能差異，并對(duì)起重機(jī)整體承載能力產(chǎn)生負(fù)面影響。第四，起重機(jī)長(zhǎng)期高頻重載運(yùn)行，在主梁結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)了疲勞裂紋，隨著起重機(jī)的長(zhǎng)期運(yùn)行，主梁疲勞裂紋不斷延伸，在主梁金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部造成了缺陷，因此降低了主梁結(jié)構(gòu)剛度，當(dāng)主梁結(jié)構(gòu)發(fā)揮其承載作用時(shí)，其所遭受的形變量將會(huì)進(jìn)一步加大，加劇疲勞裂紋及組織缺陷。由此可見(jiàn)，對(duì)起重機(jī)主梁裂紋進(jìn)行修復(fù)加固并無(wú)法從根源處解決剛度與承載力下降的問(wèn)題，當(dāng)起重機(jī)出現(xiàn)主梁裂紋后，應(yīng)通過(guò)應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)明確主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變情況，以應(yīng)變數(shù)據(jù)為依據(jù)及時(shí)更換主梁結(jié)構(gòu)，以此避免無(wú)效維修加固造成不必要的支出，減少成本且有效提高起重機(jī)承載能力[9]。

4 提高起重機(jī)承載能力的有效措施

在上述起重機(jī)結(jié)構(gòu)中，引發(fā)主梁疲勞裂紋的主要原因在于起重機(jī)長(zhǎng)期高頻重載運(yùn)行，故為延長(zhǎng)起重機(jī)壽命，保障其承載性能，首先需合理規(guī)劃起重機(jī)的持續(xù)運(yùn)行時(shí)間及吊運(yùn)載重方案，盡可能抑制主梁疲勞裂縫的出現(xiàn)。根據(jù)上述起重機(jī)兩次應(yīng)變檢測(cè)情況，通過(guò)更換主梁結(jié)構(gòu)的方式提高了其承載能力，在此基礎(chǔ)上，對(duì)提高起重機(jī)承載能力的方式進(jìn)行思考，主要得出以下結(jié)果：第一，重視起重機(jī)承載結(jié)構(gòu)在日常運(yùn)行使用過(guò)程中的實(shí)際承載力，定期通過(guò)應(yīng)力檢測(cè)了解起重機(jī)應(yīng)力形變情況，并注意計(jì)算起重機(jī)的疲勞抗力。第二，進(jìn)一步提高起重機(jī)各類(lèi)金屬結(jié)構(gòu)的抗形變、抗銹蝕能力，從金屬結(jié)構(gòu)角度保障起重機(jī)承載性能。第三，根據(jù)起重機(jī)工作級(jí)別及設(shè)備承載性能設(shè)置荷載限制閾值，并在起重機(jī)內(nèi)安設(shè)起升荷載限制器，當(dāng)起重機(jī)吊運(yùn)荷載超出閾值時(shí)將會(huì)停止警報(bào)，提醒操作人員注意控制荷載質(zhì)量，若吊運(yùn)荷載遠(yuǎn)超閾值或存在運(yùn)行隱患，起升荷載限制器將會(huì)控制起重機(jī)停止運(yùn)行，以此避免安全事故的發(fā)生。第四，對(duì)起重機(jī)承載結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，完善運(yùn)行傳動(dòng)裝置，通過(guò)調(diào)整優(yōu)化起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)來(lái)減少荷載，以此提升起重機(jī)承載能力[10]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，起重機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行使用可能會(huì)出現(xiàn)裂縫等問(wèn)題，對(duì)起重機(jī)承載能力造成負(fù)面影響，案例里的起重機(jī)設(shè)備經(jīng)歷兩次應(yīng)力檢測(cè)分析，根據(jù)應(yīng)力數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，起重機(jī)在長(zhǎng)期高頻重載使用后容易出現(xiàn)疲勞裂縫[11-14]，且此時(shí)采用補(bǔ)焊加固方式進(jìn)行處理將不會(huì)產(chǎn)生良好效果，仍會(huì)影響起重機(jī)設(shè)備承載能力。針對(duì)該現(xiàn)象，應(yīng)根據(jù)應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果及起重機(jī)受力區(qū)域，科學(xué)更換主梁結(jié)構(gòu)，防止無(wú)效維修造成額外成本。