磁粉探傷技術在門座起重機疲勞裂紋檢測的應用

中國船級社實業公司 果新華 安立軍 石曉龍

現代門座起重機的鋼結構多采用箱形梁結構，由高強度鋼板焊制后而成桿件結構，受力狀態危險部位鋼結構通過鉸點傳遞各部位，比如象鼻梁、臂架、平衡梁、上轉柱、轉盤、圓筒、門架、和支腿、平衡梁臺車等。起重機械的金屬結構最常見和最危險的缺陷之一是疲勞裂紋。據統計，每年因結構疲勞的原因，大量產品在其有效壽命期內報廢，由于疲勞失效而引起的惡性事故也時有發生。而在整個機械零部件的失效總數中，疲勞失效約占50%～90%。

由于受各種技術條件的制約，門座起重機在設計、材質、加工成型以及在安裝過程中都存在一些缺陷。起重機機疲勞失效原因的分析結果、由于鋼材中存在的冶金缺陷、成分和組織不均勻以及各種加工缺陷(如焊接不良)為裂紋的產生進一步提供了疲勞源。在使用方面，門座起重機作業環境復雜多變，起重機結構除承受固定載荷、工作載荷之外，還經常承受水平慣性載荷、沖擊載荷以及非經常性作用的風載荷等附加載荷的影響。主要構件長期受到壓、彎、扭矩和剪切等載荷作用，承受不穩定交變應力，容易遭受疲勞破壞。

門座起重機經常在條件惡劣的場合作業，門座起重機功能兼備以及復雜的結構，使門座起重司機操作難度增大。操作不當和超載、斜吊、拽拉等違章作業，進一步加劇了構件的疲勞損傷。門座起重機常見事故包括傾覆、臂架、大拉桿、破壞以及在轉移作業場地過程中發生流鉤事故等，其中由于疲勞失效引起折臂、傾覆的事故危害性很大。在復雜的作業環境中，主要受力構件發生突然斷裂是致命的，往往造成機毀人亡的慘痛悲劇。

門座起重機12#（D3065K10型）現場檢驗和測量

金屬構件發生疲勞失效總是起源于微裂紋處。近代斷裂力學理論認為：微裂紋源是由于位錯運動引起的。疲勞失效過程大致可分為成核、微觀裂紋擴展、宏觀裂紋擴展及斷裂等4個階段。裂紋始于材料局部高應變區，當峰值應力超過才料的屈服強度時，在晶粒和晶面之間發生位錯牛產生滑移，位錯逐漸聚集形成微裂紋，微裂紋不斷集結、貫通成為宏觀裂紋，進而在交變應力作用下繼續擴展，致使材料的有效承載面積不斷縮小，最終導致突然斷裂，即所謂的低應力破壞。由于構件事先并不會呈現明顯的塑性變形預兆塑性好的材料亦會如此)，即使是處于正常的工況條件之下，構件也會在工作應力小于許用應力的情況下發生瞬時斷裂。

實踐證明，雖然裂紋不一定立即導致斷裂，但如果發現裂紋不及時修復，設備長期帶“傷”運行，早期形成的微小裂紋，尤其是過渡性及危險性裂紋，往往會導致很嚴重的后果。因此，對裂紋類危險性缺陷，需要盡早發現，盡早處理。在各種無損檢測方法中，磁粉探傷(MT)對于鐵磁性材料表面和近表面缺陷具有非常高的檢測靈敏度，能非常直觀地顯示缺陷的位置、形狀、大小和嚴重程度，并且檢測方便，工藝簡單，成本低，污染輕，可以發現裂紋、夾雜、發紋、白點、折疊、冷隔和疏松等多種缺陷，是一種行之有效的檢測方法。采用便攜式探傷儀還特別適合在現場和高空等特殊環境下作業。

表1 檢測信息一覽表

表2 檢測條件一覽表

探傷后的裂紋已除銹

對于在役設備而言，磁粉探傷的主要目的是以發現材料表面和內部缺陷，對因疲勞、應力、腐蝕以及設備本身的內部缺陷等多種應力作用下導致尖端開裂而產生的裂紋等危險性缺陷作為檢測的主要對象。

根據實例分析（S3065K12門座起重機磁粉探傷），門座起重機作為起重機常見的一種機型，我門對機器進行有限元分析，通過分析找出應力集中點有針對性的實施磁粉探傷。經過臂架、門架結構進行的磁粉探傷結果顯示：在起重機臂架圓管桁架主梁對接焊縫有兩處開焊，門架端梁左右兩側母材側面上各有兩條長約45mm的裂紋，方向垂直于受力方向，形狀粗細不均，磁痕顯示清晰，經分析應為疲勞裂紋。此裂紋的發現為設備的使用和維修提供了重要的技術依據得到廠方的首肯。檢測相關信息見表1，檢測條件見表2)。

門腿結構探傷局部放大144倍能看到裂紋

大臂鉸點探傷有裂紋

旋轉磁場探傷儀利用交叉磁軛在構件表面產生旋轉磁場，使被探表面上任意方向的缺陷都有與有效磁場最大幅值正交的機會，可得到最大限度的缺陷漏磁場。這是交叉磁軛法的獨特之處，用這種方法檢測表面缺陷通常能取得較滿意的效果。

在探傷前，應準確了解構件的材質，壁厚，分析構件在使用中的受力狀態、應力集中部位、容易開裂的位置以及預測裂紋走向等。裂紋通常出現在應力集中處，在很多情況下，只需要有針對性地進行局部探傷檢查，很適用于許多大型設備中不可拆卸的組合件。如果構件中有視力不能到達的部位，可以使用高倍照相機成像然后計算機配合檢驗。

由于磁粉探傷是用于檢測表面和近表面缺陷的，構件的表面狀態對于磁粉探傷的操作和檢測靈敏度都具有很大的影響。在探傷之前，應仔細地清除構件表面存在的油污、鐵銹、毛刺、氧化皮和沙粒等物。為提高缺陷磁痕與構件表面顏色的對比度，可在檢測表面涂敷一層反差增強劑，干燥后再進行磁化，實際使用效果更好。探傷后要及時觀察裂紋的形態，記錄磁痕形態。

應該指出： (1)使用交叉磁軛法時應采用連續式探傷。從磁場分布情況來看，磁極所在平面不同部位磁場強度大小和方向差別很大，如采用步進式探傷將會對某些方向的缺陷造成漏檢，這一點應予以重視。(2)磁軛間隙對探傷效果影響很明顯，在保證能行走的情況下磁軛間隙應越小越好，最大也不宜超過1.5mm。(3)磁軛行走速度不能太快，應控制在4m/min之內。(4)磁懸液的噴灑要根據交叉磁軛的移動速度和探傷部位的空間位置等來調整手法。(5)通過探傷部位后應盡快觀察辨認磁痕，以免磁痕顯示被破壞。

盡管采用交叉磁軛法對探傷人員的操作要求較高，但只要探傷人員嚴格執行了正確的工藝操作，并不會造成缺陷的漏檢。這種多向磁化技術通過一次磁化可以很方便地檢測出探傷表面所有方向的缺陷，檢測效率非常高，現已被國內無損檢測行業廣泛地采用。

應用無損檢測技術，結合門座起重機使用狀況、根據有限元分析斷裂力學和損傷容限設計等安全評估技術，可以預先發現設備存在的缺陷并及時進行安全評估以防患于未然，減少事故的發生。隨著未來檢測技術的日臻完善，磁粉探傷(MT)、無損檢測技術在門座起重機及其它起重設備的安全監督檢驗工作中將具有十分廣泛的應用前景。