鑄造起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的疲勞壽命晚期特征＊

平克楠

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024）

1 研究背景

鑄造起重機(jī)的安全使用年限與日常吊運(yùn)負(fù)荷、負(fù)荷運(yùn)行軌跡、吊運(yùn)負(fù)荷次數(shù)有關(guān)，也與日常點(diǎn)檢、定期檢修維護(hù)、軌道缺陷修復(fù)有關(guān)。按照目前國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)服役中的鑄造起重機(jī)使用經(jīng)驗(yàn)，設(shè)備服役量最大的國(guó)產(chǎn)A7級(jí)鑄造起重機(jī)在中等繁忙程度條件下，設(shè)備使用年限在20年以上；在繁忙程度條件下，設(shè)備使用年限在20年以內(nèi)；在非常繁忙程度條件下，設(shè)備使用年限在15年左右。

在安全使用期的最后2～3年，設(shè)備主要承載結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度指標(biāo)、剛度指標(biāo)趨于弱化，穩(wěn)定性指標(biāo)變化很小，結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度薄弱處、應(yīng)力集中處、截面突變處陸續(xù)出現(xiàn)開裂。因此，鑄造起重機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、安全評(píng)價(jià)、壽命預(yù)測(cè)技術(shù)與設(shè)備全生命周期的安全運(yùn)維密切相關(guān)。

2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的主要指標(biāo)

鑄造起重機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)的手段或安裝傳感器遠(yuǎn)程傳輸測(cè)試信號(hào)的手段，評(píng)價(jià)金屬結(jié)構(gòu)整體及關(guān)鍵部位的安全程度或健康狀態(tài)，是對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力的安全評(píng)估，還包括對(duì)結(jié)構(gòu)件長(zhǎng)期使用后出現(xiàn)強(qiáng)度損傷累積后的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)以及使用壽命的估算，分析結(jié)果將提示用戶了解設(shè)備的安全使用年限或更新時(shí)間點(diǎn)。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的主要指標(biāo)如表1所示[1]。

表1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)主要指標(biāo)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的主要指標(biāo)中，動(dòng)剛度指標(biāo)的變化是一個(gè)容易被忽視的數(shù)據(jù)，目前的工程實(shí)例顯示，動(dòng)剛度指標(biāo)的變化量與結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)聯(lián)，動(dòng)剛度的下降預(yù)示著結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)的上升。

3 結(jié)構(gòu)損傷部位的識(shí)別

鑄造起重機(jī)主要結(jié)構(gòu)易發(fā)生損傷破壞的部位位于距離移動(dòng)載荷作用位置最近的應(yīng)力集中處焊縫或截面突變處母材。

關(guān)鍵因素有2個(gè)，分別為移動(dòng)載荷的動(dòng)態(tài)沖擊部位、結(jié)構(gòu)自身的應(yīng)力集中部位。移動(dòng)載荷作用點(diǎn)一類是行走的主小車車輪，另一類是行走的大車車輪。應(yīng)力集中部位包括截面弧形過渡區(qū)、截面突變處、十字形焊縫、門孔、主梁角焊縫、對(duì)接交叉焊縫幾種部位。不同類型損傷破壞的識(shí)別如表2所示[2]。

表2 不同類型損傷破壞的識(shí)別

T型鋼與主腹板對(duì)接焊縫的損傷常出現(xiàn)在設(shè)備生命周期的中期，這是距主小車車輪移動(dòng)載荷最近的主焊縫，受輪壓往復(fù)交變作用的影響。當(dāng)小車軌道中心線與主腹板中心線的偏差超標(biāo)時(shí)或小車軌道接頭間隙、高低差超標(biāo)時(shí)，易發(fā)生此類焊縫開裂。

主梁副腹板門孔焊縫的損傷常出現(xiàn)在設(shè)備生命周期的中期或早期，門孔弧形焊接殘余應(yīng)力較高和孔邊應(yīng)力集中系數(shù)較高是此類焊縫開裂的原因，此處修復(fù)時(shí)需要局部加強(qiáng)。

主梁上蓋板與主腹板角接焊縫損傷常出現(xiàn)在設(shè)備生命周期的中期，在一些不使用T型鋼的箱型主梁內(nèi)常出現(xiàn)此類焊縫開裂，但目前鑄造起重機(jī)主梁的設(shè)計(jì)已很少采用這種形式[3]。

主梁T型鋼之間對(duì)接焊縫的損傷常出現(xiàn)在設(shè)備生命周期的中期，這是距主小車車輪移動(dòng)載荷最近的交叉焊縫，焊接工藝要求嚴(yán)，此處修復(fù)時(shí)需要局部加強(qiáng)。

主梁端部母材或焊縫的損傷常出現(xiàn)在設(shè)備生命周期的晚期，此處受到大車車輪的運(yùn)行沖擊影響，修復(fù)難度較高，再次開裂的可能性大，屬于危險(xiǎn)裂紋。

副主梁端部母材的損傷常出現(xiàn)在設(shè)備生命周期的中期，此處裂紋擴(kuò)展較慢，但日常點(diǎn)檢不易發(fā)現(xiàn)。

橋架端梁與車輪座連接處焊縫的損傷常出現(xiàn)在設(shè)備生命周期的晚期，這是距大車車輪座移動(dòng)載荷最近的角焊縫，受大車軌道現(xiàn)狀的影響很大，屬于危險(xiǎn)裂紋。

橋架端梁弧形過渡區(qū)焊縫的損傷常出現(xiàn)在設(shè)備生命周期的中期至晚期，這是距大車車輪移動(dòng)載荷最近的變截面焊縫，此類損傷往往在橋架幾個(gè)方位的相同形狀區(qū)相繼開裂，修復(fù)后再次開裂的可能性大，屬于危險(xiǎn)裂紋。

當(dāng)橋架主梁與端梁之間是鉸接形式連接時(shí)，連接軸的軸套在使用數(shù)年后易發(fā)生磨損晃動(dòng)，繼而引發(fā)連接軸的磨損，如不及時(shí)更換軸和軸套，會(huì)引起車輪座連接焊縫更易受到水平方向的沖擊。此類損傷常出現(xiàn)在設(shè)備生命周期的中期。

近幾年的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)顯示，設(shè)備生命周期晚期出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)損傷往往是多個(gè)相同形式區(qū)域或部位發(fā)生有規(guī)律的、成組成對(duì)的開裂破壞。當(dāng)這組部位的破壞得到修復(fù)加固處理后，新的一組應(yīng)力集中區(qū)又會(huì)發(fā)生有規(guī)律的、成組成對(duì)的開裂破壞。這種損傷破壞的遞推性是疲勞壽命晚期的重要特征。

4 工程實(shí)例

某煉鋼廠260t-27m鑄造起重機(jī)，2007年投入使用，承擔(dān)鋼水包的搬運(yùn)工作，日常工作載荷約260 t。2007—2020年的工作頻率按每天84個(gè)工作循環(huán)估算，2021年起的工作頻率按每天100個(gè)工作循環(huán)估算。工作頻率從繁忙程度進(jìn)入非常繁忙程度。

2016年12月檢測(cè)試驗(yàn)，相隔4年3個(gè)月后，2021年3月再次檢測(cè)試驗(yàn)。2次的檢測(cè)試驗(yàn)為觀測(cè)該設(shè)備橋架結(jié)構(gòu)疲勞壽命的中后期歷程及疲勞損傷的部位變化，提供了直接數(shù)據(jù)。

4.1 橋架主梁結(jié)構(gòu)疲勞使用壽命估算

主梁跨中截面最大拉應(yīng)力在13個(gè)工作循環(huán)狀態(tài)下的測(cè)試應(yīng)力譜如表3所示。

表3 主梁應(yīng)力幅—頻次數(shù)據(jù)表

這一結(jié)果表示某煉鋼廠260t-27m鑄造起重機(jī)橋架主梁結(jié)構(gòu)的疲勞壽命應(yīng)達(dá)到468 990個(gè)工作循環(huán)。

設(shè)備2007年投入使用，以一年工作360 d，每天作業(yè)量84個(gè)滿負(fù)荷估算。至2020年12月已完成了423 360個(gè)工作循環(huán)。

從2021年開始計(jì)算，主梁疲勞剩余壽命為45 630個(gè)工作循環(huán)。如每天作業(yè)量增加至100個(gè)滿負(fù)荷，則剩余工作時(shí)間456個(gè)工作日，至2022年4月。設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)在2022年4月后進(jìn)入安全隱患加劇時(shí)期。

需要提示的是，疲勞壽命估算技術(shù)的意義是提示設(shè)備從安全使用進(jìn)入到隱患頻發(fā)的時(shí)間段或窗口期。局部的補(bǔ)焊修復(fù)在不改變損傷破壞的必然進(jìn)程中，可能會(huì)對(duì)損傷破壞的擴(kuò)展時(shí)間起到一定的延緩作用。

4.2 橋架結(jié)構(gòu)健康指標(biāo)的檢測(cè)及晚期變化

橋架主梁靜剛度變化如表4所示。起重機(jī)動(dòng)剛度變化如表5所示。橋架強(qiáng)度變化如表6所示。損傷部位擴(kuò)展變化如表7所示。

表4 橋架主梁靜剛度變化

表5 起重機(jī)動(dòng)剛度變化

表6 橋架強(qiáng)度變化

表7 損傷部位擴(kuò)展變化

5 結(jié)論

鑄造起重機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的目的和意義是對(duì)在役承載結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，是依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在線或離線分析以及損傷檢測(cè)的手段，評(píng)估金屬結(jié)構(gòu)整體及關(guān)鍵部位的安全程度或健康狀態(tài)。因此，定義健康指標(biāo)、變化特征及其與結(jié)構(gòu)疲勞壽命晚期癥狀的關(guān)聯(lián)性是一項(xiàng)具有很高工程價(jià)值的工作。不但對(duì)強(qiáng)度損傷歷史累積后的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及鑄造起重機(jī)報(bào)廢時(shí)間點(diǎn)具有指導(dǎo)意義，而且直接驗(yàn)證起重機(jī)疲勞使用壽命估算技術(shù)的準(zhǔn)確性。

按照前述工程實(shí)例，在疲勞壽命估算的中后期至晚期，結(jié)構(gòu)靜剛度、動(dòng)剛度、應(yīng)力強(qiáng)度之間發(fā)生著明顯且互相關(guān)聯(lián)的變化。主梁上拱度逐步下降，結(jié)構(gòu)彈性逐步衰退。主梁靜剛度加大，剛性弱化。整機(jī)動(dòng)剛度明顯衰減，結(jié)構(gòu)逐步柔性化。在強(qiáng)度指標(biāo)方面，結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度薄弱處、應(yīng)力集中處依據(jù)受外載荷作用的敏感程度順序，顯現(xiàn)應(yīng)力明顯增長(zhǎng)，強(qiáng)度衰減。

在疲勞壽命估算的中后期至晚期，位于距離移動(dòng)載荷作用位置最近的（或較近的）應(yīng)力集中處焊縫或截面突變處母材，發(fā)生有規(guī)律的、成組成對(duì)的開裂破壞[4]。特別是在疲勞壽命晚期，此類破壞具有不易排查、不易修復(fù)、擴(kuò)展加快、部位遞推的特點(diǎn)。