1、岸邊集裝箱裝卸橋金屬結(jié)構(gòu)裂紋的診斷與控制2008年9月25日1 斷裂力學(xué)的裂紋擴(kuò)展機(jī)理斷裂力學(xué)是研究具有初始缺陷的材料和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有力工具，它結(jié)合現(xiàn)代的無(wú)損探傷技術(shù)，能夠克服傳統(tǒng)研究方法中所表現(xiàn)出的弊端，如定量計(jì)入初始缺陷對(duì)疲勞壽命的影響，以裂紋的尺寸大小和裂紋的擴(kuò)展速率作為結(jié)構(gòu)損傷大小的判據(jù)，來(lái)判定剩余壽命和巡檢周期等1。裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子是這一方法的基礎(chǔ)，在裂紋臨界擴(kuò)展階段，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值K小于門檻值Kth時(shí)，裂紋擴(kuò)展速率da/dN的對(duì)數(shù)和應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值K的對(duì)數(shù)之間關(guān)系可用Paris公式描述。裂紋體存在一個(gè)臨界裂紋長(zhǎng)度ac，當(dāng)存在的裂紋長(zhǎng)度a<ac時(shí)，表示該裂紋體可以繼續(xù)使用

2、，如果aac，表示該裂紋體不可使用。ac是可通過(guò)材料的斷裂韌性常數(shù)KIC和材料應(yīng)力場(chǎng)的分布數(shù)據(jù)求得（1）式中 KIC材料的疲勞斷裂韌性F修正系數(shù)，取11.12max裂紋處最大主應(yīng)力值min裂紋處最小應(yīng)力值對(duì)于港口起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)，在計(jì)算ac時(shí)，可近似地采用min=0，即不吊重物時(shí)，構(gòu)件裂紋處的應(yīng)力為0。這樣計(jì)算值ac小于實(shí)際值，同時(shí)也有利于做出更安全的判斷。max可通過(guò)應(yīng)力測(cè)量測(cè)出或者有限元法算出2-3。2 裂紋的壽命診斷和控制2.1 巡檢部位的確定起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生裂紋的原因主要有超負(fù)荷工作、起重機(jī)失修、設(shè)計(jì)制造與材料的缺陷以及焊接工藝等的影響。港口起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)常見裂紋主要出現(xiàn)在焊縫及熱影

3、響區(qū)與結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中處，如箱形結(jié)構(gòu)尖角處、變截面處、非回滑過(guò)渡處等構(gòu)件截面轉(zhuǎn)折或突變部位。一般裂紋發(fā)生在構(gòu)件應(yīng)力值比較大和應(yīng)力集中的部位，且裂紋擴(kuò)展有可能達(dá)到臨界長(zhǎng)度ac，而出現(xiàn)失穩(wěn)擴(kuò)展。通過(guò)ANSYS分析集裝箱起重機(jī)前橋板殼在各個(gè)工況的受力情況，獲得其各工況應(yīng)力云圖，經(jīng)分析對(duì)比，確定圖1中的A、B、C3處的應(yīng)力較大，是應(yīng)重點(diǎn)巡檢部位。圖1 前橋板殼的巡檢部位示意圖圖2 巡檢部位C的裂紋敏感區(qū)在沒有應(yīng)力云圖參考的情況下，港口機(jī)械維護(hù)人員也可以采用應(yīng)力測(cè)試儀，參考圖3對(duì)港口起重機(jī)進(jìn)行巡檢，實(shí)測(cè)最大第1主應(yīng)力值。然后可根據(jù)巡檢部位的最大第1主應(yīng)力值，用裂紋壽命估算的方法推算出裂紋的使用壽命和巡檢周期

4、。圖3 55t-52.5m岸邊集裝箱裝卸橋巡檢部位1重點(diǎn)巡檢部位I 2重點(diǎn)巡檢部位II2.2 裂紋壽命估算構(gòu)件的裂紋從a0擴(kuò)展到ac所需應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（2）式中的c，m為材料常數(shù)，可由試驗(yàn)確定。若規(guī)定每一次裝卸為一個(gè)應(yīng)力循環(huán)，每天裝卸時(shí)間為t h，每小時(shí)裝卸次數(shù)為l，再考慮一個(gè)安全儲(chǔ)備n（安全系數(shù)），可得到構(gòu)件裂紋從a0擴(kuò)展到ac的時(shí)間（天數(shù)）T=N/ntl，裂紋的巡檢周期S=T/103。2.3 裂紋壽命算例集裝箱裝卸橋某構(gòu)件材料為Q235，a0=20mm，應(yīng)力循環(huán)min=0，用應(yīng)力測(cè)試儀測(cè)得該處max=62 MPa，取，c=（66.5）×10-14，m=3.84.4。由計(jì)算獲得：ac

5、=2418 mm，N=2245250次，取每小時(shí)裝卸次數(shù)l=25次，每天裝卸時(shí)間=16h，安全系數(shù)n=3，則裂紋剩余壽命為5 a。巡檢周期為0.5 a。由于安全使用期限較長(zhǎng)，所以，港口可根據(jù)算得的巡檢周期對(duì)該處裂紋的長(zhǎng)度進(jìn)行監(jiān)控，而不用停機(jī)檢修，使生產(chǎn)受任何影響3。2.4 結(jié)構(gòu)裂紋的修理措施（1）確定裂紋產(chǎn)生的原因是否屬于疲勞、銹蝕、脆性、焊接應(yīng)力等，再根據(jù)裂紋產(chǎn)生的原因確定進(jìn)行裂紋堆焊，或者更換損傷段母材。在用焊接嵌入物的方法更換損傷段時(shí)，沿封閉接口的對(duì)接應(yīng)采用高塑性焊條；（2）確定裂紋的長(zhǎng)度與深度，必要時(shí)用著色、探傷等方式確定是穿透性或非穿透性裂紋，然后制訂相應(yīng)的修理方法；（3）修理非穿透

6、性裂紋時(shí)，采用焊縫沿裂紋深度整個(gè)焊透的單面焊接的方法，并沿裂紋端部鉆止裂孔或者反向補(bǔ)焊的對(duì)接焊縫施焊，止裂孔不補(bǔ)焊。需要密封時(shí)，用油灰填平。在厚度超過(guò)12 mm的構(gòu)件上有非穿透性裂紋時(shí)，焊縫邊的斜面應(yīng)制作到裂紋整個(gè)深度；（4）修理穿透性裂紋時(shí)，要揭露整個(gè)裂紋的長(zhǎng)度，并沿裂紋長(zhǎng)度方向預(yù)制焊縫邊。在裂紋尾部鉆直徑810 mm的止裂孔。必要時(shí)可采用焊縫反面的底焊和借助墊板焊接。不允許對(duì)裂紋進(jìn)行不完全補(bǔ)焊，并對(duì)止裂孔不補(bǔ)焊；（5）發(fā)現(xiàn)焊縫有裂紋或者其他缺陷時(shí)，去掉裂紋長(zhǎng)度加15 mm，然后重新補(bǔ)焊。用氣割方法消除有其他缺陷的焊縫時(shí)，要修整到有金屬光澤。補(bǔ)焊時(shí)，該區(qū)域加熱到180200再進(jìn)行，補(bǔ)焊次數(shù)不宜多于3次；（6）推薦用剛性肋，加強(qiáng)帶有鉸支座和承受徑向載荷、軸向載荷腹板土的已補(bǔ)焊的環(huán)形裂紋，如運(yùn)行車架的腹板等3。3 結(jié)論利用斷裂力學(xué)法求解金屬結(jié)構(gòu)的疲勞壽命問題，是為了協(xié)助港口現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理人員從偏于安全的角度，盡量用直觀的方法分析和解決港口起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的裂紋診斷問題。所編寫的裂紋診斷與維修子系統(tǒng)軟件，已經(jīng)在上海等港口加以推廣應(yīng)用。利用該方法計(jì)算出的穿透性裂紋出現(xiàn)的時(shí)間與