门式起重机金属结构疲劳裂纹分析与修理方法.doc

门式起重机金属结构疲劳裂纹分析与修理方法对于门式起重机的金属结构而言，微裂纹的产生和扩展在实际工作中根本无法预防和监测。因为人们往往关心宏观裂纹的扩展时间，而微裂纹却在被忽视的同时已加速扩展，最后形成宏观裂纹，使得门式起重机存在严重的安全隐患。在日常的检验中，起重机的检验重点是确定结构的损伤部位，寻找与损伤部位相关连的缺陷:1)结构构件和焊缝中的裂纹；2)组合件及其组成构件和局部残余变形；3)铆接和螺栓连接零件的位移；4)组合件的闭合箱体和结构件的锈蚀；5)钢轧板件发生分化；6)铰连接构件机械连接的损伤和磨损。不难看出这六个方面最难发现的就是裂纹，裂纹造成的危害极大，引起起重机时有臂架折断、圆筒整体断裂等恶性事故。为此，笔者针对性地研究疲劳裂纹的扩展因素以及相应的裂纹修理方法。一、疲劳裂纹的扩展对于宏观裂纹尺寸，其扩展只取决于整体的工作性质和条件，而不是某个局部的性质和条件。从线弹性力学观点来讲，宏观裂纹的扩展可用应力强度因子来描述。然而，正如静态加载裂纹一样，在扩展的疲劳裂纹尖端处也存在塑性区，这些塑性区的存在对裂纹的扩展也会产生重大影响。此外，环境也是影响宏观裂纹扩展的一个重要因素。对疲劳微裂纹扩展而言，关键在于裂纹从初始尺寸扩展到最大尺寸的允许值是多少，此时结构恰好能避免破坏。因此，疲劳裂纹的扩展可用三个参数来描述，即初始裂纹尺寸、最大允许裂纹尺寸及裂纹扩展周期来描述。其中，用无损检测技术能可靠测得裂纹的最小尺寸，它并不一定等于初始裂纹尺寸，而是取决于采用何种无损检测技术。而在原理上能用线弹性断裂力学或弹塑性断裂力学来确定，以便预示裂纹失稳断裂的开始。二、焊接结构断裂因素分析对门式起重机这样的大型焊接结构，引起其脆性断裂的因素很多，包括温度、材料韧性、焊接工艺、残余应力、疲劳、约束等。但断裂力学认为，本质上有影响的因素只有三个(其它因素只是影响这三个因素)，即材料韧性、裂纹尺寸和应力水平。1、材料韧性含缺口的材料在缓慢加载及线弹性特性情况下，承受载荷或抗塑性变形的能力可以用平面应力的临界强度因子或平面应变的临界强度因子来描述；在最大约束冲击或动力加载及线弹性特性情况下，用动态应力强度因子来描述。2、裂纹尺寸复杂的焊接结构在制造时总会存在一些缺陷(气孔、未熔合、未焊透、表面夹渣、裂纹、焊瘤等)，而脆性断裂总是从各种形式的细小缺陷开始，经过疲劳和应力腐蚀就可能扩展到临界尺寸。3、应力水平应力是引起脆性断裂的必要条件，使用各种应力分析技术可确定该应力的大小。总之，断裂力学建立在应力分析基础上，用应力强度因子描述裂纹尖端应力场的强度，反映裂纹扩展和材料的断裂行为；用应力及裂纹尺寸描述断裂特性，并预测结构对脆性断裂的敏感性。将这三个因素联系起来，可以定量评价结构的安全性和可靠性。三、裂纹易产生的部位起重机的裂纹主要产生在焊缝区(母材或者焊缝本身)结构截面转折区或突变部位。表1是起重机容易产生裂纹的部位列表。四、裂纹修理常规原则及方法1、在设计、修理和焊接连接的构造时应选择具有最小应力集中的方案。若在进行焊接修理时，应在考虑等强度原则前提下，采用碱性焊条。2、在裂纹长度不超过被损伤构件截面尺寸的5%以上时，应尽可能不采用焊接方法进行修理，因为焊缝的存在可能使应力集中系数急剧增大。而推荐使用钻止裂孔的方法。在对裂纹状态进行周期性观察的条件下，可能会发现不用对裂纹再予以补焊就能使裂纹停止扩展。如果在周期观察时发现裂纹端部在继续扩展，并超出止裂孔的范围，那么起重机应停止工作，直到采取适当的修复手段消除裂纹的继续扩展为止。3、在发现分化(轧制板层化现象)时，为揭示其在板厚中的分布可用细凿刺入扎件外表面直到碰到坚实的金属，故障检验应考虑到分化时板截面的削弱。如果构件还具有工作能力，所有的分化表面应清除，在金属中的形成凸尖角应刨光。4、在可能的情况下，应尽可能采用对接焊缝。但对于型材，如果采用直接对接的话，有较大的应力集中，因此不推荐采用直接对接的方式。在采用对接焊缝进行修理时，如果原有焊缝是经过打磨处理的，则推荐修理后该处焊缝也进行打磨处理。焊接时要求坡口形状和间隙应符合有关国标或国标中对接焊缝的要求，并应在修理方案图纸上标注引出垫板的所有尺寸(如果需加引出垫板的话)。如果不需打坡口，则用于对接的两块板厚度差也应符合有关标准的要求。5、角焊缝一般在焊缝截面上应具有凹或平整的截面形状，角焊缝的高度a不应超过0.7S(s为用角焊缝联接的两块板中较薄板的厚度)。如果S1.5a,允许采用两面角焊缝，否则两焊缝之间的距离应满足L2S。(见图1)6、对于箱形截面构件，腹板和翼板的局部加强不允许采用焊接垫板。7、允许用焊接垫板整体加强梁的翼板的型材截面杆件。8、在构件腹板上添置补充刚性肋时不推荐把其放置在距离工具对接焊缝或者装配对接焊缝100mm以内(图2)。刚性肋的自由度端应按图4制造。在肋的端部应从肋的两边和端部焊牢(图3)。推荐打磨端部焊缝，以形成向母材平滑过渡。9、为了增强局部稳定性而在构件腹板上添置补充刚性肋时，如果生产厂家在生产时添加了对接焊缝，则应将刚性肋放置在距对接焊缝100mm-200mm以外刚性肋的自由端，按图4的弧度制造，并推荐打磨焊缝，以形成向母材的平滑过渡。10、在借助于嵌入物的方法更换被损伤段时，沿封闭裂口的对接应采用塑性较高的焊条(可略低于母材强度)。对没有扩展到外边缘的疲劳裂纹构件的修理，应采用沿裂纹的端部钻孔方法，以防止应力集中作用扩大裂纹；同时用反向焊补的对接焊缝施焊或者焊缝沿裂纹深度整个焊透的单面焊接的方法完成，在焊补裂纹时被钻的孔不补焊(如果需要密封，止裂孔可用油灰填充)。如果条件限制不能按上述方法实施，则作为例外，允许用角缝接的垫板覆盖。此时，焊缝可以不焊补，但必须在焊缝端部钻孔。11、推荐用刚性肋补充加强带有铰支座和除承受径向载荷外还承受轴向载荷腹板上的已补焊环形裂纹。在图4中给出了补焊环形裂纹后，再用刚性肋补充加强的例子。12