應(yīng)用應(yīng)力檢測技術(shù)檢驗起重機的承載能力

李 明 龐瀛洲 左志全 田 明 陸順風(fēng)

江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院張家港分院 張家港 215600

0 引言

橋式起重機最主要的承載金屬結(jié)構(gòu)是主梁，為保障起重機使用安全壽命，按照國家標(biāo)準(zhǔn)要求[1]主梁在理論設(shè)計過程中一般都留有足夠的安全余量。對于一臺確定額定起重量和確定主梁截面尺寸的起重機而言，通過簡化的受力模型進(jìn)行校核計算和仿真分析[2-6]主梁危險截面(跨中、1/4 截面處、主梁端部變截面處等)，其危險截面的應(yīng)力數(shù)據(jù)一般遠(yuǎn)低于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的許用應(yīng)力，故從理論上說起重機主梁的強度足夠。然而，在實際檢驗過程中發(fā)現(xiàn)對于整機工作級別高(A7 或A8)、使用工作頻繁(24 h 運作)、起吊重載(工作載荷達(dá)額載重量80%)的起重機，在投入使用一段時間后，起重機主梁上蓋板與腹板相交處容易出現(xiàn)沿跨度方向的裂紋，且裂紋基本呈現(xiàn)均勻分布。

對于起重機主梁強度的檢驗，按TSG Q7016－2016《起重機械安裝改造重大維修監(jiān)督檢驗規(guī)則》可通過測量額載試驗時主梁的下?lián)隙纫约坝^察主梁在1.25倍靜載實驗時塑性變形和裂紋狀況。在現(xiàn)今成熟的起重機設(shè)計體系和制造工藝體系下，上述2 項的檢驗結(jié)果都能滿足檢規(guī)要求，為進(jìn)一步驗證起重機主梁的承載能力需要引入其他檢驗手段。大量的測試實驗和文章資料[7-12]顯示采用應(yīng)變測量技術(shù)可有效檢測起重機危險截面應(yīng)力值，故本文重點講述將應(yīng)力檢測技術(shù)手段引入大型冶金起重機檢驗的方法。

1 應(yīng)力測量實際應(yīng)用

在進(jìn)行特種設(shè)備檢驗工作中，某鑄鋼車間有一臺吊運熔融鋼水的起重機主梁出現(xiàn)多處裂紋，該起重機設(shè)備型號為LY300/50-28A7，主鉤額定起重量為300 t，副鉤額定起重量為50 t，起重機跨度為28 m，整機工作級別為A7。在作業(yè)過程中，該起重機吊運滿包熔融鋼水質(zhì)量約為260 t，約占額定起重量的87%，吊運空鋼水爐時質(zhì)重約為100 t，該起重機24 h 運作。除吊運上述日常工作載荷外，在轉(zhuǎn)運冶煉爐時，該起重機吊重將達(dá)到額載，頻率約為2 次/月。該起重機為2006 年生產(chǎn)制造，主梁為偏軌箱形梁結(jié)構(gòu)，主腹板與上蓋板采用K形坡口兩邊角焊縫連接，由于該起重機制造年份較早，故主腹板與上蓋板的連接結(jié)構(gòu)未采用如今標(biāo)準(zhǔn)推薦的T形鋼連接。在檢驗過程中發(fā)現(xiàn)該起重機主梁主腹板與上蓋變連接的角焊縫周邊出現(xiàn)裂紋，且主腹板與上蓋板之間的三角加強筋下側(cè)也出現(xiàn)裂紋，2 條裂紋方向都為縱向（跨度方向）水平，在主梁主要吊載運行區(qū)域內(nèi)均勻分布。現(xiàn)場裂紋下圖1、圖2 所示。

圖1 主腹板與上蓋角焊縫裂紋

圖2 三角加強筋下部裂紋

在該起重機出現(xiàn)上述安全隱患后，即由具有資質(zhì)的修理單位進(jìn)行修理，并向檢驗機構(gòu)申報了重大修理監(jiān)督檢驗。在該起重機完成修理后，檢驗機構(gòu)按照TSG Q7016—2016 要求測量該起重機主梁在吊運額載時的撓度，撓度數(shù)據(jù)滿足檢規(guī)要求，由此可推斷主梁整體剛度滿足要求。為進(jìn)一步驗證主梁修復(fù)后的承載能力，檢驗機構(gòu)決定對該主梁日常吊載區(qū)域危險截面進(jìn)行應(yīng)力檢測。如圖3 所示，截面B 為主梁跨中，截面A 與截面C 為日常吊運載荷的裝卸工位，非電氣側(cè)主梁測量A、B、C 截面，電氣側(cè)主梁測量D、E 截面，其中截面A 與截面E、截面B 與截面D 近似位于相同位置。

圖3 主梁應(yīng)力測量點布置示意圖

應(yīng)力測量試吊載荷分別為100 t 和290 t，在正式采集數(shù)據(jù)前已確定各測量通道連接有效性，并將采集數(shù)據(jù)清零，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄起升小車吊運試吊載荷后在主梁南北巡回運行2 周并放下試吊載荷整個過程的應(yīng)變數(shù)據(jù)。通過對記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，各測量通道在整個測量過程中應(yīng)變最大值如表1 所示。其中，應(yīng)力＝應(yīng)變×彈性模量，彈性模量為206 GPa，A2、B2、C2、E1、D1為測量垂直輪壓應(yīng)力，A1、B1、C1、D3、E3為測量危險截面載荷彎矩壓應(yīng)力，A3、B3、C3為測量危險截面載荷彎矩拉應(yīng)力。

由表1 數(shù)據(jù)可以看出，在吊運290 t 載荷時，非電氣側(cè)主梁跨中將產(chǎn)生最大1 313 微應(yīng)變，即受到270.3 MPa 壓應(yīng)力，該主梁材料為Q345C，按照GB/T 3811—2008《起重機設(shè)計規(guī)范》中要求額載許用應(yīng)力[σ]＝345/1.48 ＝233 MPa，則該主梁局部不能滿足設(shè)計強度要求。跨中截面B 的3 條應(yīng)變曲線如圖4 所示，當(dāng)起升小車車輪行駛到截面B 正上方時，輪壓曲線B2、載荷彎矩壓應(yīng)力曲線B1和載荷彎矩拉應(yīng)力同時增大，3 條曲線變化一致。當(dāng)起升小車車輪越過截面B 時，輪壓曲線B2迅速回零，故上述采集數(shù)據(jù)正確有效。

圖4 跨中截面三通道應(yīng)變曲線（290 t 試吊載荷部分應(yīng)變曲線）

表1 100 t和290 t測試載荷應(yīng)變數(shù)據(jù)表

在獲得上述測量結(jié)果后，檢驗機構(gòu)立刻將該起重機跨中強度不足的狀況告知使用單位，隨后即由有資質(zhì)的修理單位進(jìn)行二次修理加固。基于第一次應(yīng)力測量結(jié)果，檢驗機構(gòu)在加固修復(fù)后重點對非電氣主梁跨中區(qū)域進(jìn)行應(yīng)力測量，應(yīng)力測量點布置如圖5 所示。測量點A 位于跨中三角加強筋上，測量點C 位于跨中上蓋板上，測量點A 與測量點C 采用應(yīng)變花，測量點A、B、C 位于同截面上（為表述便捷，圖中A、B、C 繪制于不同位置）。在第二次修復(fù)加固完成后，用265 t 載荷進(jìn)行試吊，試吊過程與第一次相同，第二次應(yīng)力測量數(shù)據(jù)如表2 所示。

圖5 第二次應(yīng)力測量布置點說明圖

由表2 可知，在試吊265 t 載荷時，主梁跨中輪壓應(yīng)力和跨中上蓋板所受應(yīng)力都很大，輪壓應(yīng)力B1甚至在試吊載荷未達(dá)到額載時其應(yīng)力即已超過許用應(yīng)力，而上蓋板處的第一主應(yīng)力則已接近許用應(yīng)力，如加大試吊載荷并考慮實際使用過程中的沖擊影響，則上蓋板處最大主應(yīng)力必然超過許用值。

表2 第二次加固修復(fù)后265 t載荷試吊各測量點應(yīng)力數(shù)據(jù)表（非電氣側(cè)主梁）

2 測量數(shù)據(jù)分析

通過對比分析前后2 次數(shù)據(jù)，可以明顯發(fā)現(xiàn)經(jīng)過第二次修理加固后，主梁跨中的承載能力并未得到提高，反而有顯著下降。通過理論和經(jīng)驗的推測分析，造成上述結(jié)果可能由以下因素綜合導(dǎo)致：

1）現(xiàn)場對裂紋進(jìn)行焊接修復(fù)，其焊接施工條件和焊接工藝不能達(dá)到制造主梁時的制造條件，且焊接后無去應(yīng)力措施，導(dǎo)致現(xiàn)場施焊修補的焊縫存在較大焊接殘余應(yīng)力，影響局部結(jié)構(gòu)承載力。

2）重載高頻使用的起重機在使用過程中主要承載區(qū)域會產(chǎn)生宏觀上難以察覺的變形，同時重復(fù)施焊加熱加劇了局部幾何尺寸的改變。在這些微小變形作用下，使起重機在受載后主梁重載區(qū)域?qū)嶋H受力狀況偏離理論設(shè)計狀態(tài)。這一點可從表2 中測量點A 的應(yīng)力測量結(jié)果推測出，測量點A 位于跨中三角加強筋處，三角加強筋用于在主腹板和上蓋板之間傳遞載荷力，而在實測過程中三角加強筋受力較小，而主腹板和上蓋板則受很大應(yīng)力，說明此時三角加強筋已失去原設(shè)計作用。

3）對于修復(fù)后焊縫，雖通過超聲和表面滲透無損檢驗未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部和表面存在明顯裂紋，但從材料組織結(jié)構(gòu)看，后修補的焊縫與原金屬之間存在組織不連續(xù)性，且新老金屬組織的各項材料性能存有差異。

4）該起重機主梁上的裂紋為疲勞裂紋，在長期使用過程中主梁主要受力區(qū)域內(nèi)的疲勞裂紋源生長擴(kuò)展，部分?jǐn)U展至表面可見裂紋，部分在主梁金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)形成內(nèi)部缺陷，這些都削弱了主梁局部剛度。在載荷作用下，由于局部剛度下降使得此處變形量增大，反復(fù)大變形又進(jìn)一步加劇了組織缺陷的形成和疲勞破壞的發(fā)展。對可見裂紋的修復(fù)，不能從根本上解決局部剛度下降的情況。

3 總結(jié)

通過前后兩次應(yīng)力檢測，用實測數(shù)據(jù)證明了當(dāng)重載高頻使用的起重機出現(xiàn)疲勞裂紋后，對裂紋進(jìn)行補焊加固的修復(fù)方法實用性和有效性不高。通過兩次實測數(shù)據(jù)結(jié)果及充分的論證說明，及時、科學(xué)的更換主梁，可避免不必要的修復(fù)支出，為企業(yè)節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本。