關于港口起重機疲勞破壞成因分析及修復措施探討

林俊寧

摘 要：當起重機出現結構變化以及反復載荷，容易因為疲勞而誘發結構裂紋以及裂紋擴展問題，如果不及時進行檢測評估，最終會導致結構疲勞破壞，因此發現疲勞破壞需要做好相應成因分析并采取修復措施。

關鍵詞：港口；起重機；疲勞破壞；成因；修復

前言

港口起重機械需要承受循環載荷，設備載荷主要形式就是疲勞載荷，因此容易出現疲勞裂紋，特別是在焊縫區容易出現脆性斷裂，從而埋下事故的隱患。為保障設備安全以及正常生產，需要及時分析港口起重機疲勞狀況，合理使用設備并進行科學的保養[1]。

1 起重機金屬結構件疲勞破壞的成因

1.1 易出現疲勞破壞的部位以及應力集中對疲勞破壞的影響

人字架、臂架、象鼻架、轉臺以及門腿拐角位置容易出現焊縫開裂，這些部位主要是因為高應力區，遭到交變應力作用，導致承受應力大，容易出現截面變化，使得應力集中，橫隔板以及縱筋失去作用[2]。設計層面而言，主要是因為力流的傳遞不夠流暢，結構的組成不夠合理，焊縫太多太密，并且焊縫交匯點太多，焊接工藝也不夠合理，導致焊縫的質量比較差，工件的母材沒有達到設計的要求等等。港口起重機的結構件焊縫往往屬于對接焊縫以及角焊縫，研究顯示對接焊縫凸出位置是主要的應力集中源，要是焊后沒有后續的機械加工，就會導致抗疲勞強度顯著下降，使用機械加工技術切除凸出部分之后，疲勞極限往往能夠得到大幅度的改善[3]。

1.2 金屬結構母件對疲勞破壞的影響

1.2.1 鋼材的抗疲勞性能

鋼材在反復荷載的作用之下，即便應力<極限強度，一樣有可能會出現破壞，主要表現就是突發性的脆性破壞。一旦材料位于彈塑階段，反復加載就會導致塑性變形增長，使得鋼材變硬變脆，逐漸出現微裂從而導致應力集中的出現，微裂紋擴展以及數量上升，會導致應力集中的問題顯著加劇，最終出現斷裂破壞現象。

1.2.2 鋼材的焊接性能

鋼材焊接性能受鋼材冷裂傾向、熱裂傾向以及焊縫脆化傾向的影響。在碳素鋼當中，除了錳之外，其它的六種元素例如硅、碳、磷、硫、氧以及氮一方面會增加鋼材熱裂傾向以及熱脆性，也會導致焊縫以及熱影響區冷裂傾向以及冷脆性的增加[4]，所以需要嚴格控制上述元素的含量。

1.2.3 沸騰鋼

沸騰鋼偏析程度比較嚴重，偏析特點是表面存在一個含碳較少的純鐵薄層，中間富集大量的碳、硫以及磷等[5]。因為沸騰鋼當中含有的有害氣體比較多，同時區域偏析的問題比較嚴重，因此可焊性比較差，在焊接的時候容易出現裂紋，熱影響區韌性以及塑性明顯下降。除此之外，因為沸騰鋼當中的氮，以固溶氮形式而存在，從而導致鋼材的冷脆性以及時效敏感性上升，沸騰鋼當中的磷的區域偏析往往比較明顯，也會降低鋼材的沖擊韌性，提高鋼材的冷脆性。

1.2.4 鎮靜鋼

鎮靜鋼的致密度比較大，偏析程度比較小，非金屬夾雜物的含量也比較低，同時鎮靜鋼當中的氮主要是以氮化物形式而存在，所以鎮靜鋼除了含硅過多而會影響塑性略，其它方面的性能均優于沸騰鋼[6]。鎮靜鋼的常溫沖擊韌性比較高，并且時效敏感性以及冷脆性比較低，抗腐蝕的穩定性以及可焊性都要優于沸騰鋼。鋼結構構件當中的槽口、凹角、孔洞以及截面改變的時候，構件應力的分布不再均勻，在部分位置出現局部的應力高峰，產生的不利影響非常嚴重，在應力作用之下出現脆性破壞，因此選材的時候需要使用那些內部缺陷比較少的優質鋼材。

2 金屬結構件焊接分析

2.1 焊接殘余應力

焊縫冷卻過程當中的縱向收縮和不同冷卻條件誘發的應力差別，容易導致焊縫出現殘余應力。試驗表明焊縫的殘余應力主要是拉應力，不過縱向殘余應力對于腹板作用主要為壓應力。在焊縫的橫向殘余應力方面，橫向殘余應力的出現原因主要是焊縫冷卻時候的橫向收縮，而間接原因則是焊縫縱向收縮，結構件焊好之后不應當立刻投入工作，應當讓結構件停放一段時間，從而釋放部分焊接殘余應力。

2.2 焊接應力形成過程

焊接應力主要是由溫度不均勻所引發的，焊接過程當中溫度不均勻會出現以下變化。溫差大的表現主要是室溫條件下的金屬，焊接過程當中焊縫溫度達到金屬熔點，并且焊縫中心溫度往往>1000℃，離開熱源的位置保持在室溫水平，溫差往往非常大。在焊縫冷卻的過程當中，冷卻速度過快會形成馬氏體，硬度高、脆性大不過沖擊韌性比較差，所以需要盡可能避免，冷卻速度太慢會形成奧氏體，塑性高但是強度以及硬度都比較低，會形成粗晶，所以也需要應避免。在200-500℃之間的冷卻時間應當適當延長，這段時間是貝氏體的形成階段，塑性以及沖擊韌性都比較理想。

2.3 焊接應力的危害性

殘余應力對起重機疲勞強度產生的影響，主要是根據殘余應力正負情況，如果屬于拉伸殘余應力，對構件疲勞壽命以及疲勞強度都會產生不良影響，不過如果屬于壓縮殘余應力，那么對改善疲勞壽命以及疲勞強度都有顯著的好處，比如一些零件胡總和是構件經過熱處理、冷變形處理或者是表面強化處理之后，表面會出現殘余壓應力，從而顯著改善零件或者是構件疲勞強度以及疲勞壽命，變幅齒的根部往往就進行噴丸處理。

3 金屬結構件修復工藝的確定

金屬結構件最為常見的疲勞問題就是焊縫開裂，開裂焊縫在補焊之前，需要將開裂位置的舊焊縫使用砂輪打磨，打磨長度需要長于焊縫開裂位置的長度，使用十倍的放大鏡進行觀測，從而確定是否存在殘余的裂紋，如果發現存在殘余裂紋，需要使用砂輪繼續進行打磨，確保殘余裂紋得到徹底的處理。重要的構件例如臂架，還需要使用探測儀進行探傷，從而保證充分暴露裂紋。補焊的時候避免使用受潮的焊條，在焊前應當預熱補焊的位置，焊后則使用熱保溫措施，溫度應當在控制在500℃左右，時間為30min，使用石棉覆蓋2h，焊縫溫度下降到室溫的之后，使用鐵錘敲擊補焊位置以及附近位置20min。補焊之后結構件應當停放一段時間，也就是避免起重機立即進行貨物的裝卸，最好停工的時間超過一個星期。開始吊貨的時候，避免滿負荷裝卸，應當先起吊額定荷載的30%左右，運轉2h之后再起吊額定荷載的50%左右，最后起吊起重機的額定荷載。則有能夠避免焊接殘余應力以及應力集中出現，短時間內釋放殘余應力。如果在同一位置補焊之后再度出現焊縫裂紋，往往是焊縫脆化或者力流不暢，從而使得局部位置的應力過大，或者起吊的貨物超載。同時還需要根據兩次裂紋的間隔時間進行判斷，如果短時間里重復出現裂紋，往往是上次補焊焊縫的質量不夠理想，如果間隔時間比較長，則是疲勞裂紋，需要在進行補焊，除了根據上面所屬的工藝措施進行補焊，還需要進行適當加強。例如貼新板焊接等，并補焊之后使用超聲波儀器進行檢查。

4 結束語

綜上所述，港口起重機的結構疲勞破壞可以說是一個普遍存在的問題，一方面要做好焊縫裂紋的修復，另一方面也要定期檢查焊縫裂紋，采取紅外線探傷＼金屬粉探傷等技術進行預防性檢測，提前做好預防性檢查，從而及時發現并予以處理，避免誘發安全事故。

參考文獻

[1]潘長松.橋式起重機箱形主梁的疲勞性能[J].起重運輸機械，2012，12（10）：17-28.

[2]管德清.焊接結構疲勞斷裂與壽命預測[M].長沙：湖南大學出版社，2013：123-125.

[3]曾春華，鄒十踐.疲勞分析方法及應用[M].北京：國防工業出版社，2014：356-358.

[4]疲勞試驗測試分析理論與實踐[M].張然治譯.北京：國防工業出版社，2013：412-415.

[5]姚衛星.結構疲勞壽命分析[M].北京：國防工業出版社，2013：324-325.