钢结构低温冻胀开裂的分析与研究

钢结构低温冻胀开裂的分析与研究

0臂架下铰点翼缘板三大变形事件的分析近年来，在北方的港口和造船厂，经常发现结构上的翼缘板的张力和开裂，这直接影响到正常生产。通过分析,该类事件存在着大多发生在北方中高纬度地区、基本在开春以后的例行检查时被发现、钢结构部位往往在臂架下铰点或对重平衡梁下铰点等箱形结构处的特点。以北方某船厂的臂架下铰点故障为例,在例行检查中,发现臂架下铰点翼缘板出现鼓胀现象,位置如图1所示,图中位置1、6变形最大,最大变形达15mm。形状为中间凸,向两侧逐渐平缓。1冬季结冰激凌形成鼓胀臂架下铰点的载荷由铰轴承载。该铰点箱形梁的外包翼缘板部位没有外载荷。经有限元仿真计算,按照该区隔翼缘板与腹板连续角焊缝,放射筋与翼缘板采用塞焊连结。翼缘板产生15mm的鼓胀变形,压强需达到100MPa,该区域压力已远远超出该处焊缝所能承受的载荷。通过对该处钢套和铰点轴承检查,并未发现异常。夏季时,在凸起部位附近开裂出现渗水,通过钻孔放出大量积水,初步判断该现象是因结构内积水,冬季结冰冻造成鼓胀。为了证明这一判断,按照与实物1∶2的比例,做了一个臂架下铰点的实物模型,灌水后模拟现场室外环境温度(-10℃~-15℃)冷冻于室内。先后做了2次实验。第一次,按照臂架晚间不工作状态的角度放置,如图2所示。冷冻约20h后发现水已经结冰,并在靠近出水口的部位发生了鼓胀变形。第二次,按图3所示调整摆放角度后,将水灌满整个模型结构,观察变形情况。经放置约50h后,最大变形为6mm。由此可知,从形状和尺寸基本可以推断出翼缘板变形的成因,即由于结构内积水,流入铰点结构箱体内,而出入口较小,一旦出入口处先结冰,就成为封闭的压力容器,钢套在该结构中是一个绝对的刚体,放射筋成喇叭状布置,向轴心聚拢,筋板靠得越近,则承载外力的能力就越大。因此,冰只能向箱体中相对薄弱的翼缘板寻求突破,而喇叭口越大,翼缘板就越薄弱,也就最易变性。需要说明的是,这个实验室在短时间内进行的,现场是多次反复冷冻,温度也由高到低逐步变化。2水的按总压力和分子力的压力变化产生的冰的特性水之所以能冷账热缩是因为当环境温度降低,对外热传递而使水的分子运动减弱,最后结成冰。由于冰的分子空间比水的大,故其体积比水的大。在通常情况下,冰在0~-4℃区间内的体积随温度的下降而膨胀。水分子在冻结过程中只要热传递过程不断,其运动就会不断地减弱。因此,即使装水的压力容器空间有限,水不能得到通常成为冰的体积,也不能阻止水分子运动的减弱,而成为冰。结冰前压力容器对水没有额外的压力,也不会影响水的冰点。之后环境温度微小下降,水开始结冰,此时产生膨胀压(亦即结冰才会产生压力),刚性结构的坚固程度足以抵抗水结冰产生的膨胀压力而不发生非弹性形变,即可测量这个压力。冰的理论体积与实际容积提供的体积的差值决定着冰分子被压缩的多少,也决定着分子力的多少。压力还与结冰的速度有关。破坏总是在最薄弱的环节发生,冰往各个方向膨胀,直到冰找到那个能突破的薄弱部位。上述实例中之所以中间凸起,是因为翼缘板四周焊缝的作用,抗变形能力强,而中间约束少相对薄弱。3影响钢质材料脆性的因素导致钢结构在低温环境下结冰膨胀的因素有水和钢结构等的作用。当环境温度下降到一定程度时,水结冰膨胀,同时钢结构热胀冷缩,容积变小,压力增强,钢的材质变脆,力学性能发生变化,出现冷脆性破坏。用于制造起重设备钢结构的常用材料是Q345,其冷脆性主要取决于脆硬倾向,虽然Q345含碳量<0.2%,但含有少量的合金元素,其脆硬性反比低碳钢大,其重要指标就是韧脆转变温度。韧脆转变温度是指物体在一定作用力下,在某一温度下呈现脆性而高于此温度呈现韧性的一种情况,这个温度就是韧脆转变温度。其基本特征:1)与作用力大小有关,作用力大小不同,此温度也不同;2)随升温速率不同,其大小也不同。对于钢材而言,在200℃时容易出现热脆化,但超过这个温度即又恢复,而在低温时又会产生冷脆性。在GB/T3811—2008《起重机设计规范》附录1影响脆性破坏因素评价和钢材质量组别的选择中,提到了额工作环境温度的影响,钢材质量组别的划分依据是钢材牌号及相应的冲击韧性值。冲击吸收功主要是评价材料抵抗外力冲击的能力。对于起重机机械常用厚度在40mm以下的钢板,V形缺口冲击能量为25.51J/cm2时的温度作为该材料的脆性转变温度,其中韧-脆性转变温度是针对低碳钢和低碳锰钢,其他钢材还无法进行大量实验。在低温环境下,应使用低温冲击韧性较好的低温合金钢,典型的钢种有碳素铝脱氧钢、低温高强钢。当温度低于常温时,钢材的脆性随温度的降低而逐渐增大,可能会导致低温脆断。钢材的破坏有塑性破坏和脆性破坏,其中脆性破坏是指加载后无明显变形,故破坏前无预兆,断裂时断口平齐,呈有光泽的晶粒状。脆性破坏危险性很大。影响脆性破坏的因素有:1)钢材化学成分中碳、硫、磷、氧、氮等元素含量过高,造成晶粒较粗。2)夹杂物等冶金缺陷严重,韧性差等较厚的钢材辊轧次数较少,材质差、韧性低,可能存在较多的冶金缺陷。3)结构或构件构造不合理孔洞、缺口或截面改变急剧或布置不当等使应力集中严重。4)制造安装质量差焊接、安装工艺不合理。5)焊缝交错,焊接缺陷大,残余应力严重。6)冷加工引起的应变硬化和随后出现的应变时效使钢材变脆。7)结构受有较大动力载荷或反复载荷作用但载荷在结构上作用速度很快时(如起重机车运行时由于轨道接缝处高差造成对轨道梁的冲击作用,以及地震作用等),材料的应力-应变特性发生很大改变。随着加载速度增大,屈服点将提高而韧性降低,特别是与缺陷、应力集中、低温等因素同时作用时,材料的脆性将显著增加。8)在较低环境温度下工作当温度从常温开始下降肘,材料的缺口韧性将随之降低,材料逐渐变脆,这种性质称为低温冷脆。不同的钢材品种向脆性转化的温度并不相同,同一种材料也会因缺口形状尖锐程度不同,而在不同温度下发生脆性断裂。4预防低温钢结构试验的措施4.1防止快速凝结1)水变成冰为放热过程,若隔断与外界的联系,减缓热量的散失,即能防止结冰;2)在制造过程中,结构封闭前焊缝要仔细检查,避免渗水或积水;3)一旦有渗水,及时开泄水孔进行排水,并寻找漏水点,补漏;4)平时常规检查,注意油漆爆裂及怀疑有裂缝的部位,及时采取补救措施。4.2在一般钢结构无法设置时,所有的措施都有制约作用1)裂纹当焊接结构的板厚较大时(>25mm),如果含碳量高,连接内部有约束作用,焊肉外形不适当,或冷却过快,都有可能在焊后出现裂纹,产生断裂破坏。因此,可将碳控制在0.22%左右,在焊接工艺上增加预热措施使焊缝冷却减缓,可解决断裂问题。当焊缝冷却时收缩作用受到约束,有可能出现裂纹。故可在2板之间垫上软钢丝留出缝隙,焊缝有收缩余地,裂纹就不会出现。另外,将角焊缝的表面作成凹形,虽然有利于缓和应力集中,但凹形表面的焊缝焊后比凸形的容易开裂,原因是凹形缝的表面有较大的收缩拉应力,并在45°截面上焊缝厚度最小。凸形缝表面拉力不大,而45°截面处又有所增强,情况要好得多。2)应力应力是构件的实际应力,它不仅与载荷的大小有关,也与构造形状及施焊条件有关。几何形状和尺寸的突然变化会造成应力集中,使局部应力增高,是脆性破坏中最危险的。另外,施焊过程造成构件内的残余拉应力,也是不利的。因此,避免焊缝过于集中和避免截面突然变化,都有助于防止脆性断裂。3)材料选用为了防止脆性断裂,结构的材料应具有一定的韧性。材料断裂时吸收的能量和温度有密切关系,吸收的能量可划分为3个区域,即变形是塑性的、弹塑性的和弹性的。要求材料的韧性不低于弹性,以避免出现完全脆性的断裂,也没有必要高于弹塑性。钢材的厚度对其韧性也有影响,厚钢板的韧性低于薄钢板的。起重机械常用的Q235与Q345钢材,根据GB/T3811—2008《起重机设计规范》的要求,根据环境温度划分有A、B、C和D级,应进行冲击韧性实验。4)构造细部发生脆性断裂的原因是存在和焊缝相交的构造缝隙,或相当于构造缝隙的未焊透的焊缝。构造焊缝相当于狭长的裂纹,造成高度的应力集中,焊缝则造成高额残余拉应力并使其相邻金属因热塑变形而时效硬化,提高脆性。低温地区结构的构造细部应该保证焊缝能够焊透。因此,设计时必须注意焊缝的施工条件,以保证施焊方便,能够焊透。5)设备搬迁造成工作环境变化随着企业兼并重组的增加,室外工作的大型钢结构的异地调配将越来越多。由于更多地考虑了设备的经济性和设备的工作性能,而原设备设计时的工作环境温度参数往往被忽视。因此,在设备异地搬迁时,特别是由南方搬迁至北方时,应谨慎从事。例如在长江以南,钢结构材料(普通碳素钢、合金结构钢)设计选用B级即可,但在北方往往