起重機械鋼結構剩余壽命估算中常用理論及應用

摘要 ：本文摘取了部分與起重機剩余壽命估算相關的法律法規；介紹了剩余壽命估算中常用到的以疲勞計算為基礎的預期使用壽命相關理論及應用實際、線性累積損傷理論之修正的Miner法則及應用和與剩余壽命相關的斷裂力學的相關理論知識及應用知識。

關鍵詞 ：起重機械；剩余壽命；疲勞計算；Miner法則；Paris公式

中圖分類號：TH21 文獻標識碼：A

起重機械鋼結構剩余壽命估算是起重機安全評估中的一類，其特點是利用模擬工況中測得的應力結合數學分析方法進行剩余使用年限的推算。鑒于起重機本身結構和工況的復雜性和多樣性，以及對材料斷裂機理的研究還不夠深入，想準確判斷其結構什么時候斷裂很難，也不可能采用某種方法就能夠解決問題，目前大多還處于科研分析和檢測并實時跟蹤的狀況。

1 與剩余壽命估算相關的法律法規

明確與起重機剩余安全使用壽命評估相關聯的法規，從國家主管部門層面看，質檢總局2007年下發的《關于印發起重機械專項治理攻堅戰實施方案的通知》（國質檢特〔2007〕377號）文件提出“八不檢”，其中之一是“主要部件或整機使用壽命到期不檢驗”。后來制定的TSG Q7015-2008《起重機械定期檢驗規則》中提到，對于使用時間超過15以上，處于嚴重腐蝕環境或者強風區域，使用頻率高的大型起重機械，應當根據具體情況有針對性地增加其他檢驗手段，必要時根據大型起重機械實際安全狀況和使用單位安全管理水平能力，進行安全評估。其他部門如由住建部發布的《建筑起重機械安全評估技術規程》（JGJ/T189-2009）對建筑起重機械提出了進行安全評估要求的具體年限。還有如《鐵路運輸裝卸機械管理規則》（鐵道部鐵運〔2006〕35號）也提出了裝卸機械參考使用年限，橋式和門式起重機都為19年。

2常用相關理論及應用

2.1 以疲勞計算為基礎的預期使用壽命分析

2.1.1 理論基礎

2.1.2 應用實際

目前用鋼結構設計規范的疲勞計算來進行剩余壽命估算的方式在鐵路上用的很多，這一方面跟鐵路上特別是鐵路貨場普遍所采用的橋、門吊的鋼結構設計是嚴格遵照《起重機設計規范》和《鋼結構設計規范》密不可分的，另一方面也是因為鐵路作業屬性相同使得設備也大體一致。現以南昌鐵路檢測機構采用的計算方式為例來闡述。

其中Y剩為可以繼續安全工作的年數；n余為剩余工作應力循環次數；n年為每年完成的應力循環次數；n總為鋼結構總的應力循環次數；n已為已經完成的應力循環次數，以一個工作循環出現依一最大應力幅來計算；Q已為已經完成的作業噸數，查看設備履歷簿獲取；Q額為額定起重量；Q年為年平均作業噸數；k為安全系數，出于考慮疲勞計算的離散性比較大的原因，可查閱的文件或參考書獲得。

鑒于起重機械特種設備的危害性屬性，在實際應用時是采取上述結果伴隨動態應力幅值、動剛度、靜剛度、變形、腐蝕程度、裂紋情況和劣化速度8參數并列評價，一票否決來處理，這大大提高了起重機械的使用安全性。

其他同屬鐵路系統的如鄭州檢測機構等也是采用同樣理論方法進行檢測，只是載荷譜系數和安全系數等參數依現場情況和認識而取值不同。

2.2 以線性累積損傷理論為基礎的疲勞壽命估算

2.2.1 理論基礎

2.2.2 應用實際

線性累積損傷理論是疲勞累積損傷理論的一種，也是目前應用較為廣泛的名義應力估算法的理論基礎。本文以某港口機械檢測機構對一江西鐵路貨場門吊的實際檢驗計算過程來簡單描述其應用，其他采用此理論進行檢測的過程大體類同。

2.3 以斷裂力學之疲勞裂紋擴展壽命為基礎的剩余壽命估算

2.3.1 理論基礎

結語

以上列舉了三種常用的起重機械鋼結構剩余壽命估算理論及應用。它們之間有時往往搭配使用進行比對，有時在某些方面又是互相關聯的。如上述以疲勞計算為基礎的是與裂紋情況檢測配合使用的，線性累積疲勞損傷與裂紋的擴展存在某種聯系，疲勞計算和線性累積損傷理論都與鋼的S-N曲線的冪函數表達式緊密關聯等。

無論上述哪種方法，檢測點選擇的合適與否對壽命估算的影響很大。一方面必須熟知起重機的設計計算方法，最好查看原設計計算書，另一方面選擇一種好的有限元分析軟件如ANSYS等可以帶來很大的幫助，再者可多布置幾個檢測點。

設備有與法律法規及技術標準等明確提出報廢項的不宜壽檢或修復后符合要求再檢。

參考文獻

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[2] GB50017-2003，鋼結構設計規范[S].

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