在役卸船機鋼結構壽命評估

孔佶磊，宋志偉，張偉剛，徐俊華

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院泰州分院，江蘇 泰州 225300）

在役卸船機鋼結構壽命評估

孔佶磊，宋志偉，張偉剛，徐俊華

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院泰州分院，江蘇 泰州 225300）

文章通過對長春化工的一臺抓斗卸船機的鋼結構有限元分析，確定卸船機主要應力集中點，并采用現場應力測試方式對卸船機的主要受力部位進行動應力數據采集，繪制應力譜。通過疲勞積累損傷理論Miner法則確定該設備鋼結構的剩余壽命。

卸船機:應力測試:Miner法則

0 引言

隨著全球經濟的發展，世界范圍內的散料運輸量越來越大，海運則是國際經濟貿易中最主要的運輸方式。據相關資料統計，全球貿易總運量中2/3以上以及我國進出口貨物的絕大部分都是通過海運方式實現的。因此專業化碼頭的地位在經濟不斷發展的今天顯得越發重要，而卸船機作為散貨碼頭的重要卸船和輸送設備，橋式抓斗卸船機在作業過程中存在反復啟動和制動，各結構件經常承受比較強烈的振動和沖擊，所以，在役卸船機鋼結構壽命的評估變得非常重要。國外對卸船機的使用有著嚴格的規范，一般維護手冊要求每5年對卸船機的主體鋼結構進行一次檢測評估[1]。因此，對在役卸船機鋼結構進行合理有效的整體壽命評估，以確定這些卸船機是否可以安全有效地使用，以及還能安全地使用多長時間，成為各港口企業十分關心的問題。

本文以一臺使用10多年的長春化工的額定生產率為600t/h，起重量為16t的抓斗式卸船機為評估對象，該設備2007年至2011年，年卸煤量為24萬噸，2012年之后年卸煤量為48萬噸。

1 卸船機有限元分析

卸船機的結構相對復雜，目前對其自重應力無法計算，也沒有可靠有效的測試手段，因此根據客戶提供的圖紙，采用ProE建模后導入Ansys進行有限元模擬，找到卸船機在空載、滿載、動載等各種工況下的應力集中部位，以及這些部位的自重應力值[2]。

根據卸船機裝卸運行時，小車移動位置不同，將其結構有限元計算分為三個不同的計算工況，工況分析及說明見下表1。

表1 卸船機裝卸運行時工況說明

工況編號 工況說明2 小車位于前拉桿下鉸點位置，起吊額定載荷（計入動載效果），考慮結構自重影響，最大工作風載，由陸側向江側吹。3小車位于前后門框間跨中工作位置，起吊額定載荷（計入動載效果），考慮結構自重影響，最大工作風載，由陸側向江側吹。

圖1 小車在海側端應力云圖

圖2 小車在前拉桿位置應力云圖

圖3 小車在跨中位置應力云圖

通過有限元分析發現下圖中ABCDEFG等位置應力較為集中。

圖4 卸船機應力集中點示意圖

2 應力測試

抓斗橋式卸船機金屬機構的動載應力測試旨在測定其如大梁、拉桿、門架、門腿等主要承載構件關鍵受力截面和較大應力截面在實況作業中由于動態載荷或者沖擊載荷的作用而引起的結構載荷應力的波動，定量分析被測點動載應力的峰谷值，進行結構的強度核算。

應力測試根據卸船機作業的實際情況，安排載荷運動方式和測試工況，具體步驟安排說明如下：

Ⅰ系統調零：首先在調零位置把卸船機自行小車停在料斗上方，抓斗擱置在料斗中，鋼絲繩松弛，然后進行動態應變儀的調零。

Ⅱ整個測試的載荷運動過程：動載應力測試按下面所述的載荷軌跡和規定動作進行操作，首先從調零位置起升，然后完成如下工況：

a：小車從調零位置起升運動至前大梁外端位置，抓斗抓滿物料后進行上升制動，下降制動（各3次）。

b：滿載小車運動至前大梁跨中位置上升制動、下降制動（各3次）。

c：小車運動至料斗位置，下降抓斗擱置在料斗中。

Ⅲ系統回零：載荷回到調零位置后，鋼絲繩松弛，最后檢查并記錄測試儀器回零數據。

表2 空載、滿載、動載應力測試記錄表

3 鋼結構疲勞壽命評價

抓斗卸船機鋼結構疲勞壽命估算是建立在數理統計基礎上的科學方法，疲勞積累損傷理論Miner法則具有一定的置信水平的前提，本次估算的疲勞壽命置信水平是97.7%，即疲勞壽命估算結論屬實的概率為97.7%。通過分別選用修正后的主梁、拉桿、臺車的P-S-N曲線，并通過應力幅值求得各應力幅值對應的疲勞破壞循環次數[3]。

根據客戶提供的該卸船機的產量按每年48萬噸計，在整個卸船周期中，隨著船艙內余料以及抓取點的變化，抓斗的抓取量也在相應地變化，這直接影響到鋼結構所受應力的大小，根據現場作業的實際情況，抓斗在艙口能夠抓取的物料在垂直船艙截面的堆積形狀近似于標準正態分布曲線，如圖1所示，可以近似認為,抓斗在中間 60% 的區域抓取量為滿斗16噸，兩側對稱的12.5% 的區域抓取量為 2/3的滿斗10.67噸，剩余區域抓取量為1/3的滿斗5.33噸。即估算出每年的循環次數為36725次[4]。

表3 主要測點疲勞壽命表

截面編號測點編號 應力幅 疲勞循環次數循環次數（1年按48萬噸）損傷度 剩余壽命E1 138.691 8.62E+07 1.31E+06 1.52E-02 6.57E+01 E2 139.772 8.67E+07 1.31E+06 1.51E-02 6.60E+01 F F1 64.155 3.12E+06 1.68E+05 5.40E-02 1.85E+01 F2 45.665 5.15E+06 1.68E+05 3.27E-02 3.06E+01 G G1 49.529 4.93E+06 1.68E+05 3.41E-02 2.93E+01 G2 60.805 2.01E+06 1.68E+05 8.37E-02 1.19E+01 C C1 17.883 5.82E+07 7.07E+05 1.21E-02 8.23E+01 C2 23.596 7.16E+07 7.07E+05 9.87E-03 1.01E+02 D D1 42.025 6.82E+06 3.03E+05 4.44E-02 2.25E+01 D2 48.234 6.95E+06 3.03E+05 4.36E-02 2.29E+01前拉桿E

根據查閱相關資料得到的修正的P-S-N曲線[5]，并將其所得應力譜數據相結合，對裝卸橋各測點的疲勞壽命進行分析，主要測點的疲勞壽命估算結果見表3。分析結果顯示該卸船機的主要結構件在正常裝卸工況下，若構件完好無損，且無焊縫裂紋和磨損的情況下，結構還有至少可安全裝卸11.9年（按97.7%的概率、每年裝卸44萬噸計算）。本次估算的抓斗式卸船機安全壽命以最危險疲勞點的安全壽命為基礎，最危險疲勞點發生在G點，其次嚴重的疲勞壽命點發生在F點，可安全裝卸18.5年（按97.7%的概率、每年裝卸48萬噸計算）。

4 結語

針對本次測試情況對該卸船機的維護建議：

（1）本次測試發現拉桿連接部位等發生不同程度的銹蝕，雖然表面銹蝕對鋼結構不會有太大的影響，因此，綜合考慮疲勞和銹蝕情況，采用必要的除銹措施，避免銹蝕進一步擴展，除銹后及時補漆，才能保證卸船機鋼結構的強度和安全使用壽命。

（2）根據鋼結構疲勞壽命評估的結果顯示，疲勞壽命相對較短的測點為G點，F點，因此疲勞薄弱部位主要集中在海側大梁拉桿拎點處陸側根部、海側根部處，這些部位鋼結構疲勞損傷較為嚴重，建議重點檢查這些部位，以確保卸船機的安全使用。

[1] 沈濤，胡肇煒.大型橋式抓斗卸船機結構強度分析[J].中國重型裝備，2009（4）：17-19.

[2] 江克斌，屠義強，邵飛.結構分析有限元原理及ANSYS實現[M].北京：國防工業出版社，2005：4-5.

[3] 梁崗.抓斗卸船機疲勞壽命估算[J].起重運輸機械，2002（4）:1-2.

[4] 曾春華，鄒十踐.疲勞分析方法及應用[M].北京:國防工業出版社，1991.

[5] 肖漢斌，陶德馨.起重機金屬結構剩余壽命估算方法的研究[J].水利電力機械，1998（3）:30-32.

Service life assessment of ship unloading ship

Kong Jilei, Song Zhiwei, Zhang Weigang, Xu Junhua
(Taizhou Branch of Jiangsu Province Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute，Taizhou 225300, China)

This paper through the finite element analysis of the steel structure of a chemical Changchun unloader, determine the unloadermain point of stress concentration and the stress test on site ship unloader's main stress parts of dynamic stress data acquisition, drawing the stress spectrum. Damage accumulation theory Miner rule to determine the remaining life of the equipment of steel structure by fatigue.

ship unloading machine; stress test; miner rule

孔佶磊（1987— ），男，漢族，江蘇泰州人。