港口起重設備金屬結構性能壽命綜合評估分析

摘要：在介紹了大型港口起重設備金屬結構性能壽命損失容限分析法和名義應力法等評估方法后，對混合評估體系中評價值的合成進行了認真分析。最后，以某港口1臺門座起重機為檢測與評估分析對象，對其剩余使用壽命和綜合工作性能進行了認真分析研究。

關鍵詞：港口；起重設備；金屬結構；性能壽命；檢測評估

中圖分類號: U653.92文獻標識碼：A文章編號：1672-3791(2011)02(b)-0000-00

全球經濟的進一步發展，國際貿易得到快速發展，其中約90%以上的國際貿易量是通過水路航運運輸實現。考慮到運輸量的劇增，以及運輸經濟性的進一步提高，船舶也基本趨向于大型化、集成化、專業化，在很大程度上推動了港口碼頭起重機械設備朝著重型、大功率、高速、專業化等方向快速發展。目前，大型港口岸橋其起重重量已高達65t，外伸距離也可以達到70m以上。金屬結構是港口起重機械設備的核心支撐，其大約占整機重量的70~90%，也就是說起重設備金屬結構性能發生下降或失效，輕者會倒在起重機械設備失去其應有的起吊運輸功能，重者可能會給生產和工作人員人身財產安全帶來巨大危害。起重設備金屬結構在循環載荷或者隨機波動載荷等條件下持續工作，疲勞損傷破壞是一種主要的性能下降或失效因素，尤其對于已進入服役后期或超服役階段的重型起重機械設備而言，其機械零件、金屬結構等均存在不同程度的疲勞損傷，對港口碼頭起吊運輸生產埋下巨大安全隱患，因此，對現役港口起重機械設備金屬結構進行安全性能，充分考慮設備存在疲勞壽命問題，確保港口碼頭安全穩定的運輸生產，就已成為港口碼頭企業科學管理和安全高效生產研究的一個重要課題。

1 港口起重設備金屬結構性能壽命評估方法

1.1 損失容限分析法

上海海運學院將斷裂力學理論應用到金屬結構疲勞分析中，形成損傷容限分析法。首先，根據待測金屬結構應力測試數據結果，以超過允許標準界限應力的部位作為金屬結構疲勞壽命計算監控點。然后，根據計算監控點的實測應力數據計算出金屬結構的臨界裂紋尺寸。其次，根據裂紋擴展機理，結合起重設備金屬結構條件給出可能的裂紋模式。再次，根據裂紋模式計算出金屬結構體中各疲勞裂紋計算點的裂紋擴展壽命。最后，根據計算結果，起重機械設備的實際工作情況等因素，確定設備安全巡檢周期，以提高大型港口機械設備金屬結構綜合性能和使用壽命。

1.2 名義應力法

名義應力法是以疲勞強度理論為基礎，形成的一種適用范圍較廣、應用效果較好的大型港口起重機械設備金屬結構剩余疲勞壽命估算法。首先，根據金屬結構應力測試結果、應力分析、以及實際工作中破壞概率情況等統計數據資料，確定起重機械設備金屬結構中可能存在的危險部位。然后，根據實測數據獲得金屬結構確定疲勞載荷譜，并結合峰值法和雨流法等對金屬結構疲勞載荷數據進行循環統計分析。其次，利用鋼結構設計規范要求，求出待測金屬結構相應的S_N曲線，并由Miner理論計算出金屬結構疲勞危險部位的結構損傷值。再次，根據結構損傷值累積計算出損傷比之和，并根據累積損傷之和的倒數求出該金屬結構安全的總循環次數，在減去已使用的次數后，就可以估算出該金屬結構的剩余壽命。最后，根據港口起重機械設備的綜合使用工況等因素，從而給出推薦的安全巡檢周期，確保港口起重機等特種起吊設備運輸設備金屬結構具有較高安全穩定性能。

2 港口起重機械設備金屬結構性能壽命混合評估體系

應用安全性評價系統對港口起重機械設備金屬結構性能壽命進行綜合評估分析，可以大大提高起重設備綜合使用安全性能和壽命。目前，應用到起重設備金屬結構性能壽命評估的系統較多，但由于港口起重設備金屬結構性能影響因素較多，加上其工作條件較為復雜，單一的評估體系很難真實反映金屬結構疲勞損傷情況，因此，需要在性能壽命評估體系中，引入兩種或兩種以上的合成評估模型形成混合評估體系模型。

2.1 正常構件評價值的合成

起重設備中正常構件性能壽命的綜合評價技術指標，是由多個評價值相互合成搭配形成，而結構中的故障構件評價值不存在合成問題，它可以通過一個明確的故障指標評價值來定義。正常構件的評價技術指標體系，包含強度、剛度、以及穩定性等影響因素，影響因素相互間是對等的，不存在明顯偏向性，也就是說在混合評估體系中，對于政策構建而言，允許單因素評價值間進行等量補償，以優化評估模型。

2.2 單構件子系統評價值的合成

大型港口起重設備金屬結構，由眾多單構件子系統共同組成，其在實際運行過程中雖某個特定單構件發生故障的概率并不高，但對于整個設備金屬結構體系而言，其單構件發生故障的概率卻較高。單構件發生安全隱患或故障初期，其對整個金屬結構體的安全穩定性影響不是很大，但隨工作次數和荷載強度的增加，故障構件的性能會越來越差，這樣對整個金屬結構的安全穩定運行就會產生較大影響。因此，在分析整個金屬結構安全性能時，利用單構件評價值的合成，結合安全影響系數，就可確定受單構件小評價值影響整個金屬結構性能壽命評價值的合成。

2.3 實例分析

某港口集團有限公司港埠公司現役1臺MQ10-25型門座起重機，其母材為 Q235，每天大約起吊420次。于1989年投產，在2010年進行性能壽命綜合評估檢測時，其總共工作時長為22年。經綜合評估分析得出以下結論：

從測試結構發現，活配重平衡梁鉸點附近、轉臺后伸距主梁下翼緣根部、以及轉臺和轉柱結合部，其動應力峰值較大，尤其轉臺和轉柱結合部位，其動應力值已接近材料最大許用應力值。起重機活配重平衡梁及鉸點支座結構設計較為單薄，其在起吊運輸工作過程中抖動較大，易產生裂紋；轉臺后伸距主梁下翼緣根部以及轉臺和轉柱結合部，屬于應力非常集中部位，也容易產生裂紋。從結構外部直觀檢查可以發現上述兩部位均已出現裂紋，對整個金屬結構的安全穩定工作運行影響較大，易造成平衡梁發生折斷和起重機整機傾覆等安全事故。起重機臂架承受波動較大的交變載荷，長期處于壓彎狀態，且工作頻率較高，易產生局部變形為題。從結構外觀檢測來看，臂架上翼緣板已出現局部變形，臂架內部角鋼橫肋焊縫部分開裂，經荷載實際測試得到該起重機實際承載能力已下降為額定承載能力的91.8%。總體評估結果為該門座起重機已使用22年，使用時間較長，且受到工作環境、工作頻率等因素的影響，金屬結構中許多單件結構安全性能較差，整機已處于不安全狀態，剩余使用壽命僅為2年。

3 結束語

總之，在大型港口起重機金屬結構性能壽命綜合評估測試分析工作中，具體那種評估測試方法更加符合實際，還有待在實際工作中進行進一步實踐積累和探索研究。

參考文獻

[1] 李慶芬.斷裂力學及其工程應用[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2008.

[2] 劉小貞，潘存治，邢海軍.起重機應力狀態監測的無線檢測系統[J].起重運輸機械，2008(1):36-37.