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1、1 / 5 岸邊集裝箱裝卸橋金屬結構裂紋的診斷與控制 20082008 年 9 9 月 2525 日 1 1 斷裂力學的裂紋擴展機理 斷裂力學是研究具有初始缺陷的材料和結構強度的有力工具，它結合現代的無損探傷技術，能夠克 服傳統(tǒng)研究方法中所表現岀的弊端，如定量計入初始缺陷對疲勞壽命的影響，以裂紋的尺寸大小和裂紋的 擴展速率作為結構損傷大小的判據，來判定剩余壽命和巡檢周期等 1。裂紋尖端應力強度因子是這一方法 的基礎，在裂紋臨界擴展階段，當應力強度因子幅值 AK K 小于門檻值 弘th時，裂紋擴展速率 da/dNda/dN 的對數 和應力強度因子幅值 AK的對數之間關系可用 ParisParis
2、 公式描述。裂紋體存在一個臨界裂紋長度 a a。，當存在的 裂紋長度 aaaac時，表示該裂紋體可以繼續(xù)使用，如果 a a 為c，表示該裂紋體不可使用。a ac是可通過材料的斷 裂韌性常數 KIC和材料應力場的分布數據求得 式中 KIC材料的疲勞斷裂韌性 F F修正系數，取 11.1211.12 cmax 裂紋處最大主應力值 cmin 裂紋處最小應力值 對于港口起重機金屬結構，在計算 a ac時，可近似地采用（min=0=0，即不吊重物時，構件裂紋處的應力 為 0 0。這樣計算值 a ac小于實際值，同時也有利于做出更安全的判斷。 qx可通過應力測量測出或者有限元 法算岀2-3。 2 2 裂紋
3、的壽命診斷和控制 2.12.1 巡檢部位的確定 起重機金屬結構件產生裂紋的原因主要有超負荷工作、起重機失修、設計制造與材料的缺陷以及焊 接工藝等的(1) 2 / 5 影響。港口起重機金屬結構常見裂紋主要岀現在焊縫及熱影響區(qū)與結構應力集中處，如箱形結 構尖角處、變截面處、非回滑過渡處等構件截面轉折或突變部位。一般裂紋發(fā)生在構件應力值比較大和應 力集中的部位，且裂紋擴展有可能達到臨界長度 a ac,而岀現失穩(wěn)擴展。 通過 ANSYSANSYS 分析集裝箱起重機前橋板殼在各個工況的受力情況， 獲得其各工況應力云圖，經分析對 比，確定圖 1 1 中的 A A、B B、C3C3 處的應力較大，是應重點巡
4、檢部位。 圖 1 1 前橋板殼的巡檢部位示意圖 圖 2 2 巡檢部位 C C 的裂紋敏感區(qū) 在沒有應力云圖參考的情況下，港口機械維護人員也可以采用應力測試儀，參考圖 3 3 對港口起重機 進行巡檢，實測最大第 1 1 主應力值。然后可根據巡檢部位的最大第 1 1 主應力值，用裂紋壽命估算的方法推 算岀裂紋的使用壽命和巡檢周期。3 / 5 式中的 c c，m m 為材料常數，可由試驗確定。 若規(guī)定每一次裝卸為一個應力循環(huán)，每天裝卸時間為 thth,每小時裝卸次數為 I I，再考慮一個安全儲備 2.32.3 裂紋壽命算例 集裝箱裝卸橋某構件材料為 Q235Q235, a ao=2Omm=2Omm，
5、應力循環(huán)qmin=0=0，用應力測試儀測得該處 （max=62 MPa=62 MPa， 取細1如 196MP在血i，c= c= （ 6 66.56.5） X1010-14, m=3.8m=3.84.44.4。由計算獲得：a ac=2418 mm=2418 mm, N=2245250 N=2245250 次, 取每小時裝卸次數 1=251=25 次，每天裝卸時間=16h=16h，安全系數 n=3n=3,則裂紋剩余壽命為 5 5 a a。巡檢周期為 0.5 a0.5 a。 因為安全使用期限較長， 所以，港口可根據算得的巡檢周期對該處裂紋的長度進行監(jiān)控， 而不用停機檢修， 使生產受任何影響3。 2.
6、4 2.4 結構裂紋的修理措施 2.22.2 裂紋壽命估算 圖 3 55t3 55t- -52.5m52.5m 岸邊集裝箱裝卸橋巡檢部位 1 1 重點巡檢部位 I 2 I 2 重點巡檢部位 IIII 構件的裂紋從 a ao擴展到 a ac所需應力循環(huán)次數 代ff21 (2) n n （安全系數），可得到構件裂紋從 a ao擴展到 a ac的時間（天數） T=N/ntlT=N/ntl，裂紋的巡檢周期 S=T/10S=T/103。 li A 薛 戈 B養(yǎng) i m 4 / 5 （1 1）確定裂紋產生的原因是否屬于疲勞、銹蝕、脆性、焊接應力等，再根據裂紋產生的原因確定進 行裂紋堆焊，或者更換損傷段母材
7、。在用焊接嵌入物的方法更換損傷段時，沿封閉接口的對接應采用高塑 性焊條； （2 2）確定裂紋的長度與深度，必要時用著色、探傷等方式確定是穿透性或非穿透性裂紋，然后制訂 相應的修理方法； （3 3）修理非穿透性裂紋時，采用焊縫沿裂紋深度整個焊透的單面焊接的方法，并沿裂紋端部鉆止裂 孔或者反向補焊的對接焊縫施焊，止裂孔不補焊。需要密封時，用油灰填平。在厚度超過 12 12 mm mm 的構件上 有非穿透性裂紋時，焊縫邊的斜面應制作到裂紋整個深度； （4 4）修理穿透性裂紋時，要揭露整個裂紋的長度，并沿裂紋長度方向預制焊縫邊。在裂紋尾部鉆直 徑 810 810 mm mm 的止裂孔。必要時可采用焊縫
8、反面的底焊和借助墊板焊接。不允許對裂紋進行不完全補焊，并 對止裂孔不補焊； （5 5）發(fā)現焊縫有裂紋或者其他缺陷時，去掉裂紋長度加 15 15 mmmm，然后重新補焊。用氣割方法消除有 其他缺陷的焊縫時，要修整到有金屬光澤。補焊時，該區(qū)域加熱到 18180 0C200 200 C再進行，補焊次數不宜多 于 3 3 次； （6 6 ）推薦用剛性肋， 加強帶有鉸支座和承受徑向載荷、 軸向載荷腹板土的已補焊的環(huán)形裂紋， 如運行車架 的腹板等 3 。 3 3 結論 利用斷裂力學法求解金屬結構的疲勞壽命問題，是為了協(xié)助港口現場設備管理人員從偏于安全的角 度，盡量用直觀的方法分析和解決港口起重機金屬結構的裂紋診斷問題。所編寫的裂紋診斷與維修子系 統(tǒng)軟件，已經在上海等港口加以推廣應用。利用該方法計算出的穿透性裂紋出現的時間與實際情況中發(fā) 現結構的開裂時間基本相同 1。港機多采用低碳鋼材料，該類材料斷裂力學特征常數、等效初始裂紋長度 與初始缺陷的關系等還需要進一步的實驗研究和實際積累，以期最終較好地解決港機金屬結構裂紋診斷和 控制的問題。
岸邊集裝箱裝卸橋金屬結構裂紋的診斷與控制
