港口起重機構件裂紋失效研究

楊娜 石瑾 尼瑪扎西

摘 要：我國海域遼闊，岸長水深，海岸線長度為1.8萬公里，十分利于水運行業的發展。而其最重要的設備就是港口裝卸起重機，其可實現庫場堆碼、轉運和拆垛等。本文對港口起重機構件的研究現狀進行了簡要的介紹，對構件裂紋的安全性評價進行了研究，并指出了今后該領域的研究現狀。

關鍵詞：港口起重機；裂紋；安全性評價

中圖分類號：U653.921 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）08-0055-02

1 引言

眾所周知，我國海域遼闊，岸長水深，海岸線長度為1.8萬公里，十分利于水運行業的發展，而水運的最大優勢就是運量大，運費低。隨著經濟全球化的不斷深化和我國對外經濟的快速發展，新港口的建設成幾何量級增長。而港口內最重要的設備就是港口裝卸起重機，其可實現庫場堆碼、轉運和拆垛等。我國港口起重機經過十幾年的發展，已經可以獨立自主的研制各類型港口起重機，滿足國內對起重設備的需求。

1975年，我國首次頒布了港口起重機的基本參數，1983年頒布實施了《起重機設計規范》，于2008年實施了新版的《起重機設計規范》。港口起重機具有間歇性的工作性質，其作業時通常周期性重復一個循環動作。港口起重機分為橋架型和臂架型兩類：橋架型包括岸邊集裝箱裝卸橋和橋門式起重機等，臂架型包括集裝箱正面吊和門座起重機等。

起重機雖然種類繁雜，但基本結構只有三種：金屬結構、工作結構、動力裝置與控制系統等。而金屬結構最為關鍵，作為起重機的支撐構架，不僅用來支撐其自重，而且還用來支撐外部載荷。港口起重機構件一旦出現裂紋，其短期內不一定會造成事故，但長期工作下必然會引發事故，因而港口起重機構件出現裂紋時必須引起足夠的重視。

2 構件裂紋研究現狀

港口起重機的工作載荷大，且為交變載荷，作業條件惡劣，因此在大多數情況下，港口起重機基本都是在構件存在缺陷的情況下工作。早在1997年，我國學者對港口起重機發生事故的原因進行了調查統計，統計結果顯示：起重機金屬結構故障八成以上是由于其存在裂紋引起的，裂紋的存在已成為起重機安全使用的最大威脅。以門座起重機為例，其金屬構件的重要部位全部發現過裂紋，裂紋長度從幾厘米到幾百厘米不等，而且起重機在運行10年左右，其金屬結構重要部位就會產生宏觀裂紋。以深圳港口的54臺門座起重機為例：其中有27臺的主臂腹桿出現彎折斷裂現象；有10臺人字架、平衡梁和臂架等承載部位出現開裂現象；有23臺轉柱的門腿與回轉支撐滾道鏈接焊縫下側出現裂紋，最長的有70厘米；70臺流式起重機支腿部位存在裂紋。這些裂紋的存在足以表明：起重機承載部件最重要故障為裂紋[1]。由裂紋的存在引起的事故極大的制約了港口的安全生產，嚴重時會造成人員的傷亡。但是，起重機只要出現裂紋就對相關部件進行更換，也是不現實的，這牽涉到兩方面的問題：其一是港口起重機的噸位較大，更換成本很高，其二是即便存在裂紋，也不代表馬上就會出現事故，通過其它方式如維修、定期巡檢等可以使其繼續服役。

某港口的門座起重機在對小塊鑄鐵進行卸載時，其空斗在下降過程中，臂架變幅處出現彎折變形，導致拉桿彎折變形、象鼻梁掉進了船艙。此次事故原因為：存在于臂架處的裂紋進行了擴展，導致縱向筋板彎曲，加強筋失效，失去作用而造成臂架失穩[2]。2010時，某起重機在吊運一根8噸重的鋼棒材時，出現整機墜落事故，后分析事故原因時認為：在超負荷交變載荷的作業條件下，基礎螺栓產生了疲勞裂紋，隨著疲勞裂紋的不斷擴展，其工作界面逐漸減小，應力逐漸增大，導致裂紋加速延伸，剩余有效承載面積不能夠支撐載荷時，就發生了瞬時斷裂。

港口管理員必須高度關注兩個問題：重要部件帶有裂紋缺陷是否影響到了港口起重機的連續性作業？裂紋達到多大時，必須進行維修？時刻注意這兩個問題，可以有效的減小由裂紋造成的事故的發生。

對港口起重機的母材上的裂紋來說，目前已能夠對其服役壽命進行相關的計算，依據該計算可以制定相關的巡檢周期，并對裂紋的大小進行監控。同時裂紋達到一定的長度時，可通過多種維修手段對其進行維修。但是對于港口起重機焊縫處的裂紋，目前為止并沒有相關計算公式，還有待后人進行研究。

3 裂紋安全性評價

工程上對于港口起重機裂紋的研究，可分為三個方面：裂紋的檢測；裂紋的維修與處理；構件存在裂紋的安全性評價。

3.1 裂紋的檢測

構件中如果存在裂紋，其在低于額定載荷的情況下也會發生斷裂[3]。因此，對于港口起重機這類大型設備，及時的發現裂紋的存在并采取相關的措施至關重要。裂紋的檢測通常依靠無損探傷等，當然也可通過新興的手段進行檢測。

常規無損探傷包括：磁粉檢測、超聲波探傷、射線檢測、液體滲透等。雖然這些檢測手段都相對成熟，但是也存在很多的局限性。新興的檢測技術有渦流檢測、導波檢測、聲發射檢測和紅外檢測等。其中，聲發射檢測技術功能強大，聲發射裝置所需的能量由被檢測物體提供，而非由無損檢測設備提供。聲發射檢測技術的優勢在于，由于Kaiser效應的存在導致聲發射檢測技術能夠動態的檢測裂紋存在的情況，而靜態的裂紋則不能顯示出來。目前聲發射檢測技術的應用范圍非常的廣發，包括石油化工、建筑、電力、航空航天、鐵路運輸等國民經濟的各個領域。

3.2 裂紋的維修與處理

對于修復結構件上已存在的裂紋，使其恢復原有的結構性能，這類研究相對較少，沒有形成系統的理論，大多數是憑借一線的工程技術人員的維修經驗。對于存在裂紋的港口起重機，港口管理人員通常是通過降載使用、定期巡檢和定期修補進行處理的。

銀建中[4]等人對“人工楔塊”的作用機理進行了系統的介紹，楔塊導致P=0時的裂紋尖端的張開位移不為零，即存在一個預張開位移，這樣在后續載荷的作用下，能夠顯著的降低疲勞裂紋的擴展速度。所謂的“人工楔塊”是指在構件受到載荷的情況下，裂紋張開，將粘結劑注入裂紋的尖端，待粘結劑固化后隨即卸載。趙章焰[5]研究了裂紋尖端的應力應變場，提出了新的維修裂紋的方法，其核心思想就是消除裂紋尖端存在的奇異性。

3.3 構件存在裂紋的安全性評價

工程上依據裂紋的不同受力情況，可分為三種情況：張開型、滑移型和撕開型。其中，張開型裂紋最為危險。在實際的工程問題上，構件受力是非常復雜的，多形成復合型裂紋，這就要求工程技術人員將復合型裂紋看成張開型裂紋，不僅可以將問題簡單化，而且這種處理方法安全系數高。

對裂紋的安全性進行評價，需要有足夠的財力、人力、物力的投入，因而只能在一些高端的領域內進行，如大型承壓設備、航空航天、國防武器等領域。在上述領域已形成了相關的法律或行業標準。

當前的安全性評價主要存在兩種思路：一是剩余強度評價方法，通過對裂紋進行測定，獲得其長度值，進而通過計算得到其在當前載荷下的極限裂紋尺寸，為維修、更新等提供理論參考。而是剩余壽命預測，主要是為定期巡檢提供理論依據，其方法是通過現有的裂紋尺寸，結合當前設備工作情況，計算其剩余的運行時間。

在大型的機械承載設備領域，有一系列的標準、法規。在實際的工程應用中，通常依據裂紋前端的應力應變場來計算應力強度因子，再根據斷裂準則計算出極限裂紋長度，隨后進行積分求解，最終求解出設備能夠承受的載荷循環次數，用以確定巡檢周期。

4 結語

本文就港口起重機的事故故障情況進行了調查研究，得出了裂紋是導致港口起重機構件失效的基本結論。港口起重機構件存在裂紋時仍可繼續工作，但裂紋會生長，這就要求研究者對裂紋進行安全性評價。港口起重機母材上的裂紋機理已經研究透徹了，但尚未有學者對焊縫處的裂紋安全性評價進行系統性的研究，這是未來重點發展的方向。

參考文獻

[1]趙章焰.起重機金屬結構故障分布及分析[J].水利電力機械，1998，（03）：35-36.

[2]陳本瑤，徐連榮，馮建平，等.一個港口固定式起重機整體傾覆事故的分析[J].起重運輸機械，2011，（9）：80-82.

[3]吳寧祥，謝里陽，由美雁，等.裂紋檢測的結構動力學方法研究進展[J].機械制造，2006，（12）：56-60.

[4]銀建中，王炎炎.壓力容器疲勞止裂技術—“人工楔塊”止裂方法的研究[J].化工機械，1997，（03）：139-142.

[5]趙章焰，孫國正.金屬結構裂紋維修的矩陣表達方法[J].起重運輸機械，2003，（03）：7-8.