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門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)疲勞裂紋分析與修理方法 對(duì)于門式起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)而言，微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展在實(shí)際工作中根本無法預(yù)防和監(jiān)測(cè)。因?yàn)槿藗兺P(guān)心宏觀裂紋的擴(kuò)展時(shí)間，而微裂紋卻在被忽視的同時(shí)已加速擴(kuò)展，最后形成宏觀裂紋，使得門式起重機(jī)存在嚴(yán)重的安全隱患。 在日常的檢驗(yàn)中，起重機(jī)的檢驗(yàn)重點(diǎn)是確定結(jié)構(gòu)的損傷部位，尋找與損傷部位相關(guān)連的缺陷: 1)結(jié)構(gòu)構(gòu)件和焊縫中的裂紋； 2)組合件及其組成構(gòu)件和局部殘余變形； 3)鉚接和螺栓連接零件的位移； 4)組合件的閉合箱體和結(jié)構(gòu)件的銹蝕； 5)鋼軋板件發(fā)生分化； 6)鉸連接構(gòu)件機(jī)械連接的損傷和磨損。 不難看出這六個(gè)方面最難發(fā)現(xiàn)的就是裂紋，裂紋造成的危害極大，引起起重機(jī)時(shí)有臂架折斷、圓筒整體斷裂等惡性事故。 為此，筆者針對(duì)性地研究疲勞裂紋的擴(kuò)展因素以及相應(yīng)的裂紋修理方法。 一、疲勞裂紋的擴(kuò)展 對(duì)于宏觀裂紋尺寸，其擴(kuò)展只取決于整體的工作性質(zhì)和條件，而不是某個(gè)局部的性質(zhì)和條件。從線彈性力學(xué)觀點(diǎn)來講，宏觀裂紋的擴(kuò)展可用應(yīng)力強(qiáng)度因子來描述。然而，正如靜態(tài)加載裂紋一樣，在擴(kuò)展的疲勞裂紋尖端處也存在塑性區(qū)，這些塑性區(qū)的存在對(duì)裂紋的擴(kuò)展也會(huì)產(chǎn)生重大影響。此外，環(huán)境也是影響宏觀裂紋擴(kuò)展的一個(gè)重要因素。 對(duì)疲勞微裂紋擴(kuò)展而言，關(guān)鍵在于裂紋從初始尺寸擴(kuò)展到最大尺寸的允許值是多少，此時(shí)結(jié)構(gòu)恰好能避免破壞。因此，疲勞裂紋的擴(kuò)展可用三個(gè)參數(shù)來描述，即初始裂紋尺寸、最大允許裂紋尺寸及裂紋擴(kuò)展周期來描述。其中，用無損檢測(cè)技術(shù)能可靠測(cè)得裂紋的最小尺寸，它并不一定等于初始裂紋尺寸，而是取決于采用何種無損檢測(cè)技術(shù)。而在原理上能用線彈性斷裂力學(xué)或彈塑性斷裂力學(xué)來確定，以便預(yù)示裂紋失穩(wěn)斷裂的開始。 二、焊接結(jié)構(gòu)斷裂因素分析 對(duì)門式起重機(jī)這樣的大型焊接結(jié)構(gòu)，引起其脆性斷裂的因素很多，包括溫度、材料韌性、焊接工藝、殘余應(yīng)力、疲勞、約束等。但斷裂力學(xué)認(rèn)為，本質(zhì)上有影響的因素只有三個(gè)(其它因素只是影響這三個(gè)因素)，即材料韌性、裂紋尺寸和應(yīng)力水平。 1、材料韌性 含缺口的材料在緩慢加載及線彈性特性情況下，承受載荷或抗塑性變形的能力可以用平面應(yīng)力的臨界強(qiáng)度因子或平面應(yīng)變的臨界強(qiáng)度因子來描述；在最大約束沖擊或動(dòng)力加載及線彈性特性情況下，用動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子來描述。 2、裂紋尺寸 復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)在制造時(shí)總會(huì)存在一些缺陷(氣孔、未熔合、未焊透、表面夾渣、裂紋、焊瘤等)，而脆性斷裂總是從各種形式的細(xì)小缺陷開始，經(jīng)過疲勞和應(yīng)力腐蝕就可能擴(kuò)展到臨界尺寸。 3、應(yīng)力水平 應(yīng)力是引起脆性斷裂的必要條件，使用各種應(yīng)力分析技術(shù)可確定該應(yīng)力的大小。 總之，斷裂力學(xué)建立在應(yīng)力分析基礎(chǔ)上，用應(yīng)力強(qiáng)度因子描述裂紋尖端應(yīng)力場的強(qiáng)度，反映裂紋擴(kuò)展和材料的斷裂行為；用應(yīng)力及裂紋尺寸描述斷裂特性，并預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)脆性斷裂的敏感性。將這三個(gè)因素聯(lián)系起來，可以定量評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。三、裂紋易產(chǎn)生的部位 起重機(jī)的裂紋主要產(chǎn)生在焊縫區(qū)(母材或者焊縫本身)結(jié)構(gòu)截面轉(zhuǎn)折區(qū)或突變部位。表1是起重機(jī)容易產(chǎn)生裂紋的部位列表。 四、裂紋修理常規(guī)原則及方法 1、在設(shè)計(jì)、修理和焊接連接的構(gòu)造時(shí)應(yīng)選擇具有最小應(yīng)力集中的方案。若在進(jìn)行焊接修理時(shí)，應(yīng)在考慮等強(qiáng)度原則前提下，采用堿性焊條。 2、在裂紋長度不超過被損傷構(gòu)件截面尺寸的5%以上時(shí)，應(yīng)盡可能不采用焊接方法進(jìn)行修理，因?yàn)楹缚p的存在可能使應(yīng)力集中系數(shù)急劇增大。而推薦使用鉆止裂孔的方法。在對(duì)裂紋狀態(tài)進(jìn)行周期性觀察的條件下，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)不用對(duì)裂紋再予以補(bǔ)焊就能使裂紋停止擴(kuò)展。如果在周期觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋端部在繼續(xù)擴(kuò)展，并超出止裂孔的范圍，那么起重機(jī)應(yīng)停止工作，直到采取適當(dāng)?shù)男迯?fù)手段消除裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展為止。 3、在發(fā)現(xiàn)分化(軋制板層化現(xiàn)象)時(shí)，為揭示其在板厚中的分布可用細(xì)鑿刺入扎件外表面直到碰到堅(jiān)實(shí)的金屬，故障檢驗(yàn)應(yīng)考慮到分化時(shí)板截面的削弱。如果構(gòu)件還具有工作能力，所有的分化表面應(yīng)清除，在金屬中的形成凸尖角應(yīng)刨光。 4、在可能的情況下，應(yīng)盡可能采用對(duì)接焊縫。但對(duì)于型材，如果采用直接對(duì)接的話，有較大的應(yīng)力集中，因此不推薦采用直接對(duì)接的方式。在采用對(duì)接焊縫進(jìn)行修理時(shí)，如果原有焊縫是經(jīng)過打磨處理的，則推薦修理后該處焊縫也進(jìn)行打磨處理。焊接時(shí)要求坡口形狀和間隙應(yīng)符合有關(guān)國標(biāo)或國標(biāo)中對(duì)接焊縫的要求，并應(yīng)在修理方案圖紙上標(biāo)注引出墊板的所有尺寸(如果需加引出墊板的話)。如果不需打坡口，則用于對(duì)接的兩塊板厚度差也應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。 5、角焊縫一般在焊縫截面上應(yīng)具有凹或平整的截面形狀，角焊縫的高度a不應(yīng)超過0.7S(s為用角焊縫聯(lián)接的兩塊板中較薄板的厚度)。如果S1.5a,允許采用兩面角焊縫，否則兩焊縫之間的距離應(yīng)滿足L2S。(見圖1) 6、對(duì)于箱形截面構(gòu)件，腹板和翼板的局部加強(qiáng)不允許采用焊接墊板。 7、允許用焊接墊板整體加強(qiáng)梁的翼板的型材截面桿件。 8、在構(gòu)件腹板上添置補(bǔ)充剛性肋時(shí)不推薦把其放置在距離工具對(duì)接焊縫或者裝配對(duì)接焊縫100mm以內(nèi)(圖2)。剛性肋的自由度端應(yīng)按圖4制造。在肋的端部應(yīng)從肋的兩邊和端部焊牢(圖3)。推薦打磨端部焊縫，以形成向母材平滑過渡。 9、為了增強(qiáng)局部穩(wěn)定性而在構(gòu)件腹板上添置補(bǔ)充剛性肋時(shí)，如果生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)時(shí)添加了對(duì)接焊縫，則應(yīng)將剛性肋放置在距對(duì)接焊縫100mm-200mm以外剛性肋的自由端，按圖4的弧度制造，并推薦打磨焊縫，以形成向母材的平滑過渡。 10、在借助于嵌入物的方法更換被損傷段時(shí)，沿封閉裂口的對(duì)接應(yīng)采用塑性較高的焊條(可略低于母材強(qiáng)度)。對(duì)沒有擴(kuò)展到外邊緣的疲勞裂紋構(gòu)件的修理，應(yīng)采用沿裂紋的端部鉆孔方法，以防止應(yīng)力集中作用擴(kuò)大裂紋；同時(shí)用反向焊補(bǔ)的對(duì)接焊縫施焊或者焊縫沿裂紋深度整個(gè)焊透的單面焊接的方法完成，在焊補(bǔ)裂紋時(shí)被鉆的孔不補(bǔ)焊(如果需要密封，止裂孔可用油灰填充)。如果條件限制不能按上述方法實(shí)施，則作為例外，允許用角縫接的墊板覆蓋。此時(shí)，焊縫可以不焊補(bǔ)，但必須在焊縫端部鉆孔。 11、推薦用剛性肋補(bǔ)充加強(qiáng)帶有鉸支座和除承受徑向載荷外還承受軸向載荷腹板上的已補(bǔ)焊環(huán)形裂紋。在圖4中給出了補(bǔ)焊環(huán)形裂紋后，再用剛性肋補(bǔ)充加強(qiáng)的例子。 12、在修理節(jié)點(diǎn)板與弦桿聯(lián)接焊縫中的裂紋時(shí)，推薦切除節(jié)點(diǎn)板的一部分，并打磨切口表面和插入板的邊緣(圖5)。 通過對(duì)上述修理方法的應(yīng)用，門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋得以較好地修復(fù)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。因此，筆者認(rèn)為在日常工作中以上方法值得推廣。 第 5 頁 共 5 頁