現代測試分析方法在鋼結構檢測與修復中的應用

摘要：文章介紹了塔吊式卸船機鋼結構修復工藝，利用有限元建模分析和應力測試分析計算確定維修工藝，從高塔吊鋼結構局部的模型有限元分析，介紹了德國的“MOPS模塊式信號采集系統”，提出了影響港口設備鋼結構構件的可靠性的幾大因素，強調了港口設備鋼結構維修檢修的必要性。

關鍵詞：高塔吊；鋼結構開裂；有限元建模分析；應力測試；現代測試分析方法 文獻標識碼：A

中圖分類號：TU391 文章編號：1009-2374（2015）05-0060-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0362

秦皇島港股份有限公司礦石碼頭三臺高塔吊由德國高華港口技術有限公司制造，于2004年正式投產使用。設計起重能力50t，作業回轉半徑11～48米，整機系統由機械電器兩大部分組成。由走行、臂架俯仰、回轉、電器等系統組成。三臺高塔吊于2006年先后在卷揚機房配重支撐梁根部出現焊縫開裂現象，后經增加馬鞍型蓋板加強修復后繼續使用。在此之后鋼結構多次出現其他形式的輕微鋼結構開裂問題，都已陸續修復。2013年4月又發現回轉軸承下方四個支撐板與平臺焊縫和支撐板母材本身出現不同程度的開裂，且三臺均出現相似問題，開裂位置與日常工作角度一致，此次鋼結構出現問題情況較嚴重，為解決這一問題，相關技術人員利用德國CAESAR公司制造的“MOPS模塊式信號采集系統”對高塔吊主體鋼結構關鍵部位動應力進行了現場測試，并對關鍵部位進行無損探傷檢查。

1 鋼結構開裂測試結果及分析

首先我們做了有限元分析，定性計算塔吊在三種工作位置時應力分布。其中配重152t，起吊載荷30t，塔吊上部重量117t。

圖1

根據對簡化模型的有限元分析，塔吊基座內的凹形筋板應力狀態，受壓側筋板有應力集中，位置在筋板焊腳和凹形內角處。

鋼結構測試工作中應力測點的選取是在有限元計算結果及使用過程中出現的問題部位來確定。測點選擇依據為：有限元計算結果較大部位、承擔動載荷的主要部位以及日常運行時出現問題的部位。

布貼單向應變片各測點，應力σ=E·ε（E：楊氏模量；ε：實測應變）

布貼45°三向應變花各測點，主應力大小按照下列公式進行合成：

其中、、分別為0°、45°、90°三個方向的應變，以抓斗放于地面，鋼絲繩處于松弛狀態時的應力為初始應力零點。測試抓斗抓料時各測點的工作應力。應力變化較劇烈的幾個測試點如表1：

表1

序號 測點

編號 測點位置 應力變化（MPa）

1 4 靠近垂直開裂處的馬鞍型蓋板附近處 -114.1～7.2

2 5 靠近垂直開裂處的馬鞍型蓋板根部處 -175.9～13.1

3 12 靠近電器室的馬鞍型蓋板根部處 -170.1～13.2

4 LX2 陸側西邊圓弧立板小圓角處 -86.6～60.1

5 HD1 海側東邊圓弧立板角點處 -65.7～38.9

6 HX2 海側西邊圓弧立板小圓角處 -25.3～120.6

從以上測試情況可看出，高塔吊鋼結構多個部位應力較大且為交變載荷，為設備安全運行埋下隱患，綜合有限元計算結果和現場測試數據分析，塔吊主要鋼結構焊縫和母材的破壞形式為交變載荷引起的疲勞破壞。影響其變化主要因素有以下五點：（1）受力不均導致鋼結構變形，如操作不當、連接螺母松動、長期超載等；（2）鋼結構裂紋，由于在操作過程中，啟動或制動過猛，在運轉中換速過快，反車時緊急制動，造成鋼結構沖擊力增大，由于其慣性力過大導致鋼結構發生裂紋，尤其焊縫開裂；（3）塔機疲勞，由于塔機過度使用，使其疲勞強度降低，加上違章作業，超載運作，造成鋼結構受力復雜，產生不穩定交變應力；（4）爬爪不到位，在作業過程中，由于操作員的疏忽，造成爬爪不當，致使塔機鋼結構受力不均，影響其結構發生變形或損壞，嚴重時會導致塔機事故的發生，機毀人亡。（5）鋼絲繩斷裂，由于鋼絲繩長期的使用，保養不到位，日常檢查的疏忽，在作業過程中鋼絲繩突然斷裂，塔機鋼結構受到沖擊力的影響，輕者產生局部鋼結構發生變形出現裂紋，重者造成塔機傾翻。總之，影響塔吊鋼結構發生變化的因素很多。因此，在日常作業過程中應嚴格按照操作規程進行作業，避免塔吊急速重載提升和提升過程高速回轉。特別是回轉以上部位，各測點工作時應力水平主要是由于載荷工況不一樣所致，各測點在設備工作抓斗重載起升時，應力變化較為劇烈，特別是在抓斗起升伴隨回轉的過程中應力變化最為劇烈。考慮到工作時的連續性和循環特性應加強日常定期或不定期檢查和檢測，確保塔吊作業正常運轉，安全無事故。

2 改造方案

針對測試結果和鋼結構現存問題，我們根據測試情況和有限元建模分析，對鋼結構的隱患部位和薄弱環節進行了改造維修。包括旋轉機房兩扇門角8塊板的加固；旋轉機房內鞍形板和其下母板裂紋的修補，用角磨機按照裂紋方向進行打磨，同時做間斷的著色探傷，直到看不到裂紋為止，打出坡口，進行補焊；旋轉機房鞍形板下角位置加固三角形筋板；旋轉機房內靠卷揚機房一側兩頂角處加固梯形板；從旋轉機房進卷揚機房門口處三個立柱從底部切掉三角形料以去應力；卷揚機房底座兩位置加固小梯形；卷揚機房減速箱支撐立柱與機房地板穿接處焊縫開裂處理；卷揚機房、旋轉機房頂部外側與塔身螺栓上部位加三角形板加固；卷揚機房、旋轉機房頂部外側與塔身螺栓下部位加類似V形板加固。

圖2

維修前確定卸掉塔吊負載，包括塔吊本身臂架用工裝支起，卸掉塔吊150t配重等。維修改造方案都嚴格進行了分析計算，以旋轉機房下部鞍形板去應力加固為例，我們對提出的兩套改造方案分別建模分析：一是將開裂母材切割半徑600mm，增加三角形加固鋼板，二是在開裂處割除開裂的R50mm。比較后切割半徑600mm后的橫截面最大應力102N/mm?，而切割半徑50mm后橫截面最大應力為125N/mm?，即使切割的橫截面更小。

相關技術人員采取了如下的維修加固方案，將原母材開裂處切割半徑600mm，并在原弧形馬鞍板下增加兩三角形筋板加強，加固鋼板材料為Q345D，如圖3：

圖3

改造后設備運行至今狀態良好，未出現重復開裂和其他鋼結構問題。

3 結語

港口設備工作頻度非常大，由于運轉速度較快，動載沖擊較大，長期高頻度的運轉，可能會對設備的鋼結構造成嚴重的損傷；由于設計考慮不周、材料選擇不當、制造安裝工藝錯誤等因素，造成結構件局部應力集中，長期運行產生疲勞裂紋擴展，也對設備可靠性和安全造成較大威脅；同時金屬構件的失穩、腐蝕、異常震動、維護不當等各種因素也會對鋼結構產生較大的傷害。因此利用現代測試分析方法和技術加強港口機械設備的安全管理，保證港口機械設備技術性能經常處于良好狀態、避免突發故障、掌握控制漸發性故障和偶發性故障的發生，確保港口機械設備安全、可靠、經濟運行，對港口生產發展和經濟效益的提高有著極其重要的意義。

作者簡介：曹金羅（1980-），男，河北灤南人，秦皇島港股份有限公司雜貨港務分公司工程師，研究方向：港口設備管理。

（責任編輯：秦遜玉）