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1、1 / 5 岸邊集裝箱裝卸橋金屬結(jié)構(gòu)裂紋的診斷與控制 20082008 年 9 9 月 2525 日 1 1 斷裂力學(xué)的裂紋擴(kuò)展機(jī)理 斷裂力學(xué)是研究具有初始缺陷的材料和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有力工具，它結(jié)合現(xiàn)代的無損探傷技術(shù)，能夠克 服傳統(tǒng)研究方法中所表現(xiàn)岀的弊端，如定量計(jì)入初始缺陷對(duì)疲勞壽命的影響，以裂紋的尺寸大小和裂紋的 擴(kuò)展速率作為結(jié)構(gòu)損傷大小的判據(jù)，來判定剩余壽命和巡檢周期等 1。裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子是這一方法 的基礎(chǔ)，在裂紋臨界擴(kuò)展階段，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值 AK K 小于門檻值 弘th時(shí)，裂紋擴(kuò)展速率 da/dNda/dN 的對(duì)數(shù) 和應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值 AK的對(duì)數(shù)之間關(guān)系可用 ParisParis
2、 公式描述。裂紋體存在一個(gè)臨界裂紋長(zhǎng)度 a a。，當(dāng)存在的 裂紋長(zhǎng)度 aaaac時(shí)，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(shù) KIC和材料應(yīng)力場(chǎng)的分布數(shù)據(jù)求得 式中 KIC材料的疲勞斷裂韌性 F F修正系數(shù)，取 11.1211.12 cmax 裂紋處最大主應(yīng)力值 cmin 裂紋處最小應(yīng)力值 對(duì)于港口起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)，在計(jì)算 a ac時(shí)，可近似地采用（min=0=0，即不吊重物時(shí)，構(gòu)件裂紋處的應(yīng)力 為 0 0。這樣計(jì)算值 a ac小于實(shí)際值，同時(shí)也有利于做出更安全的判斷。 qx可通過應(yīng)力測(cè)量測(cè)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(jī)金屬結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生裂紋的原因主要有超負(fù)荷工作、起重機(jī)失修、設(shè)計(jì)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(jī)金屬結(jié)構(gòu)常見裂紋主要岀現(xiàn)在焊縫及熱影響區(qū)與結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中處，如箱形結(jié) 構(gòu)尖角處、變截面處、非回滑過渡處等構(gòu)件截面轉(zhuǎn)折或突變部位。一般裂紋發(fā)生在構(gòu)件應(yīng)力值比較大和應(yīng) 力集中的部位，且裂紋擴(kuò)展有可能達(dá)到臨界長(zhǎng)度 a ac,而岀現(xiàn)失穩(wěn)擴(kuò)展。 通過 ANSYSANSYS 分析集裝箱起重機(jī)前橋板殼在各個(gè)工況的受力情況， 獲得其各工況應(yīng)力云圖，經(jīng)分析對(duì) 比，確定圖 1 1 中的 A A、B B、C3C3 處的應(yīng)力較大，是應(yīng)重點(diǎn)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(yīng)力云圖參考的情況下，港口機(jī)械維護(hù)人員也可以采用應(yīng)力測(cè)試儀，參考圖 3 3 對(duì)港口起重機(jī) 進(jìn)行巡檢，實(shí)測(cè)最大第 1 1 主應(yīng)力值。然后可根據(jù)巡檢部位的最大第 1 1 主應(yīng)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(shù)，可由試驗(yàn)確定。 若規(guī)定每一次裝卸為一個(gè)應(yīng)力循環(huán)，每天裝卸時(shí)間為 thth,每小時(shí)裝卸次數(shù)為 I I，再考慮一個(gè)安全儲(chǔ)備 2.32.3 裂紋壽命算例 集裝箱裝卸橋某構(gòu)件材料為 Q235Q235, a ao=2Omm=2Omm，
5、應(yīng)力循環(huán)qmin=0=0，用應(yīng)力測(cè)試儀測(cè)得該處 （max=62 MPa=62 MPa， 取細(xì)1如 196MP在血i，c= c= （ 6 66.56.5） X1010-14, m=3.8m=3.84.44.4。由計(jì)算獲得：a ac=2418 mm=2418 mm, N=2245250 N=2245250 次, 取每小時(shí)裝卸次數(shù) 1=251=25 次，每天裝卸時(shí)間=16h=16h，安全系數(shù) 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?yàn)榘踩褂闷谙掭^長(zhǎng)， 所以，港口可根據(jù)算得的巡檢周期對(duì)該處裂紋的長(zhǎng)度進(jìn)行監(jiān)控， 而不用停機(jī)檢修， 使生產(chǎn)受任何影響3。 2.
6、4 2.4 結(jié)構(gòu)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(diǎn)巡檢部位 I 2 I 2 重點(diǎn)巡檢部位 IIII 構(gòu)件的裂紋從 a ao擴(kuò)展到 a ac所需應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 代ff21 (2) n n （安全系數(shù)），可得到構(gòu)件裂紋從 a ao擴(kuò)展到 a ac的時(shí)間（天數(shù)） 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(chǎn)生的原因是否屬于疲勞、銹蝕、脆性、焊接應(yīng)力等，再根據(jù)裂紋產(chǎn)生的原因確定進(jìn) 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(shí)，沿封閉接口的對(duì)接應(yīng)采用高塑 性焊條； （2 2）確定裂紋的長(zhǎng)度與深度，必要時(shí)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(yīng)的修理方法； （3 3）修理非穿透性裂紋時(shí)，采用焊縫沿裂紋深度整個(gè)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(bǔ)焊的對(duì)接焊縫施焊，止裂孔不補(bǔ)焊。需要密封時(shí)，用油灰填平。在厚度超過 12 12 mm mm 的構(gòu)件上 有非穿透性裂紋時(shí)，焊縫邊的斜面應(yīng)制作到裂紋整個(gè)深度； （4 4）修理穿透性裂紋時(shí)，要揭露整個(gè)裂紋的長(zhǎng)度，并沿裂紋長(zhǎng)度方向預(yù)制焊縫邊。在裂紋尾部鉆直 徑 810 810 mm mm 的止裂孔。必要時(shí)可采用焊縫
8、反面的底焊和借助墊板焊接。不允許對(duì)裂紋進(jìn)行不完全補(bǔ)焊，并 對(duì)止裂孔不補(bǔ)焊； （5 5）發(fā)現(xiàn)焊縫有裂紋或者其他缺陷時(shí)，去掉裂紋長(zhǎng)度加 15 15 mmmm，然后重新補(bǔ)焊。用氣割方法消除有 其他缺陷的焊縫時(shí)，要修整到有金屬光澤。補(bǔ)焊時(shí)，該區(qū)域加熱到 18180 0C200 200 C再進(jìn)行，補(bǔ)焊次數(shù)不宜多 于 3 3 次； （6 6 ）推薦用剛性肋， 加強(qiáng)帶有鉸支座和承受徑向載荷、 軸向載荷腹板土的已補(bǔ)焊的環(huán)形裂紋， 如運(yùn)行車架 的腹板等 3 。 3 3 結(jié)論 利用斷裂力學(xué)法求解金屬結(jié)構(gòu)的疲勞壽命問題，是為了協(xié)助港口現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(jī)金屬結(jié)構(gòu)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(jīng)在上海等港口加以推廣應(yīng)用。利用該方法計(jì)算出的穿透性裂紋出現(xiàn)的時(shí)間與實(shí)際情況中發(fā) 現(xiàn)結(jié)構(gòu)的開裂時(shí)間基本相同 1。港機(jī)多采用低碳鋼材料，該類材料斷裂力學(xué)特征常數(shù)、等效初始裂紋長(zhǎng)度 與初始缺陷的關(guān)系等還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)際積累，以期最終較好地解決港機(jī)金屬結(jié)構(gòu)裂紋診斷和 控制的問題。
岸邊集裝箱裝卸橋金屬結(jié)構(gòu)裂紋的診斷與控制
