冶金鑄造起重機主梁裂紋產生原因及修補工藝

馬 波

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司煉鋼廠，山東濟南 271104）

0 引言

在煉鋼工序生產過程中，起重機在鐵水吊運、物料運輸、冷料入爐等諸多環節中發揮重要作用，堪稱為煉鋼工序的運輸大動脈。其工作特點為負載臨近設計上限，作業頻繁高，對其安全性、穩定性及運行可靠性要求高。起重機主梁結構屬于箱型鋼板焊接結構，受焊接工藝及母材材料的影響，再加之長期滿負荷在高溫、高粉塵的惡劣環境作業，焊縫區域極易發生裂紋等缺陷。焊縫裂紋的具有較強的破壞性，一旦發現初始裂紋，在疲勞載荷作用下，裂紋成不規則線性情況蔓延，直至發生結構斷裂，帶來巨大的經濟損失，甚至可能危及到作業人員的生命安全，故而對起重機主梁腹板及端部彎板區域焊縫定期檢查和疲勞壽命研究十分必要。

單位1 臺冶金鑄造起重機在專業點檢過程中，發現主梁端部彎板處與腹板結合面出現明顯的開裂現象。加之該部車服役周期較長，作業頻次較高，其裂紋在交變應力的作用下會發生緩慢擴展，直至主梁斷裂破壞。為了排除這一隱患且確保冶金鑄造起重機的正常運行，現利用對該鑄造起重機進行關鍵技術現場校核的取得數據資料，系統計算裂紋產生的原因進行數據分級計算，同時利用局部補強應力消除法對裂紋部位的結構進行補強，確保冶金鑄造起重機的安全運行。

1 裂紋的產生與分析

1.1 計算截面確定

主梁受力情況如圖1 所示，確定1，（1），2，3 點為計算危險點，如圖2 所示。計算點的截面性質如圖3～圖6 所示。

經計算，各截面的慣性矩：①1—截面。Ix=8.71×109mm4，Iy=6.39×109mm4；②（1）—截面。Ix=1.61×1010mm4，Iy=7.64×109mm4；③2—截面。Ix=2.21×1010mm4，Iy=8.55×109mm4；④3—截面。Ix=1.58×1010mm4，Iy=3.41×109mm4。

1.2 載荷計算

（1）動力效應系數的計算。①起升沖擊系數φ1，0.9≤φ1≤1.1，對橋式鑄造起重機φ1=1.1；②起升動載系數φ2=1.2；③運行沖擊系數φ4=1.1。

圖1 現場主梁受力情況

（2）載荷計算。①均布載荷，主梁自重Gm=73 510 N，小車軌道重量 Gg=9200 N，走臺及欄桿重量 G1=15 260 N，走臺上電氣設備重量Gd=22 000 N；②固定載荷，一組大車運行機構重量Gy=19 260 N，司機室及其電氣設備的重量Gc=18 000 N；③活動載荷，起升重量Q=630 000 N，小車重量Gx=302 720 N；④主梁跨端支反力如圖7 和圖8 所示。

圖2 主梁圖紙危險點分布

圖3 1—截面計算

N=Nq+Ng+Ny，其中，Nq=φ1×（Gm+Gg+G1+Gd）/2=1.1×（735 10+9200 +15 260 +22 000）/2=65 983 N，Ng=φ1×Gy×（S-Ly）/S+φ1×Gc×Lc/S=1.1×19 260×（16 000-3050）/16 000+1.1×18 000×2200/160 00=19 869N，Ny=（φ1×Gx+φ2×Q）×（S-1）/2S=（1.1×302 720+1.2×630 000）×（16 000-3050）（/2×16 000）=440 701 N。N=65 983+19 869+440 701=526 553 N。

1.3 各計算點焊縫應力計算

（1）1 點。σ1=526 553×571×（1063-540）/8.71×109+0.15×526 553×571 318/6.39×109=20.2 MPa。

（2）（1）點。σ1=526 553×1005×（1265-641）/1.61×1010+0.15×526 553×1005×318/7.64×109=23.8 MPa。

（3）2 點。σ1=526 553×1359×（1431-723.5）/2.21×1010+0.15×526 553×1359×318/8.55×109=26.9 MPa。

（4）3 點。σ1=526 553×1502×（1340-756.5）/1.58×1010+0.15×526 553×1502×318/3.41×109=40.2 MPa。

2 焊縫許用應力計算

加強版與母材材料均為Q345-B，焊條采用E5016，根據工作級別A7，應力集中等級K2及材料Q345，查得［σ-1］=79 MPa，焊縫拉伸疲勞許用應力為

圖4 （1）—截面計算

3 問題求解

（1）從計算結果看，1，（1），2，3 各點的焊縫應力均遠小于焊縫拉伸疲勞許用應力［σrt］，說明本加固方案是可靠的。

（2）應力集中點為1，（1），2，3。

4 主梁彎板處腹板及彎板裂紋修理原則

圖5 2—截面計算

（1）采用碳弧氣刨清理腹板裂與主梁之間的焊縫直至清理至母材，刨開區域采用紅白粉PT 探傷進行檢測。將以前所有補強焊接的鋼板全部去除，殘留焊縫磨去。采用二氧化碳氣體保護焊（焊條采用E5016或E5015）對結合面清根焊縫為全融透焊縫，焊接時采用多層多道焊。

（2）在主梁腹板上每處裂紋沿裂紋的端部鉆Φ8～Φ10 止裂孔，并將裂紋用砂輪磨成坡口，然后焊實并磨平，如圖9 所示。

圖6 3—截面計算

圖7 主梁跨端支反力分布計算

圖8 主梁跨端支反力（含小車）分布計算

圖9 止裂孔分布位置及坡口形式

（3）補焊加強板一（圖10）。加強板材料Q345-B。以前未加補強板的如圖11 所示。

圖10 補焊加強板一安裝示意

圖11 以前未加補強板區域安裝示意

（4）補焊加強板二（圖12）。在加強板一焊好后，在其外側焊加強板二，材料Q345-B。

（5）所有對接焊縫全部實施滿焊焊接作業，角焊縫焊高為6 mm。焊后對新修復的焊縫進行PT 著色探傷檢驗。檢驗合格后對修復部位涂刷防銹漆及面漆。

圖12 補強板二安裝示意

5 結束語

通過整改，經過對冶金起重機幾個月的連續運行觀察，未發現主梁彎板處腹板及腹板裂紋有延伸現象，并經無損檢測，未發現有裂紋再次發生。