某大型重力式碼頭高空吊軌道鋼軌斷裂原因分析

劉麗芬 中交四航局第五工程有限公司

1.碼頭軌道系統及高空吊概況

1.1 碼頭高空吊簡述

該碼頭岸線全長達380m，主體結構為重力式沉箱結構。碼頭上配備了圓筒型支柱加桁架式吊臂雙鉤高空吊機。該吊機最大起重量為2600t，最大起吊高度達150m，為同類型國內最大的碼頭岸壁吊機。高空吊共有4個支腿，并且每個支腿設置雙排鋼車輪，每排并列布設12個，整個高空吊機車輪系共由96個鋼車輪組成。

1.2 碼頭軌道系統

高空吊軌道沿碼頭前沿線布置，分為兩組軌道，因為鋼車輪為雙排結構，所以每組軌道布設2條鋼軌，共4條，每組兩條鋼軌中心距離為1.5m，兩組軌道中心距離為16m，單軌總長380m。鋼軌型號為QU120，材質U71Mn，鋼軌錨固系統采用GANTREX連續固定形式，布設間距為25cm。

2.鋼軌斷裂情況簡述

于2013年1月25日對碼頭高空吊安裝調試完成并進行試運行。在2013年2月7日發現陸側一組的外側鋼軌發生斷裂。斷口在碼頭的西部，距離11號泊位端部50m處，斷口距離最近的焊接接口間隔1.5m、縫寬為1.01cm，且在兩個軌道壓板中部且靠近一側壓板，斷裂區段鋼軌底部支墊平整，高差為0～1mm。2013年4月18日發生鋼軌第二次斷裂。斷裂的鋼軌是第一次斷裂陸側同一鋼軌，斷口距第一次斷口40m位置，也在兩個軌道壓板中部且靠近一側壓板位置。具體情況如下圖1和圖2所示。

圖1 第一次斷裂情況

圖2 第二次斷裂情況

3.鋼軌斷裂原因分析

3.1 鋼軌斷裂常見原因

重力式碼頭鋼軌斷裂原因各異，從過往收集的碼頭鋼軌斷裂案例中分析總結出的原因多為鋼軌母材質量不良、接頭焊接質量差、鋼軌安裝順直度和平整度有偏差，或是由于軌道基礎不均勻沉降、上部荷載下豎向應力傳遞不均以及低溫環境（-20℃以下）引起脆性斷裂，也有可能是以上一個或多個因素相互作用造成。

3.2 鋼軌斷裂具體原因分析

高空吊碼頭鋼軌僅運行了3個月，同一鋼軌便連續斷裂兩次，這引起了業主、高空吊設計制造安裝方、使用操作方、設計單位、施工總承包單位以及工程監理等各方高度關注。各方查找和分析鋼軌斷裂的原因，并召開了專題研討會，邀請有關專家進行研究，一開始從常見原因入手和分析，包括從鋼軌施工安裝調試質量及精度、鋼軌接頭焊接工藝、焊接質量、鋼軌母材材質及機械性能、碼頭不均勻沉降考慮分析及低溫脆性斷裂分析。但沒有從高空吊機運行時輪軌行走對鋼軌的影響進行分析。

經對碼頭面和軌道檢測測量，碼頭、軌道整體結構的沉降量控制在設計要求及規范允許范圍內，鋼軌安裝的軌道軸線、標高控制均在設計要求和規范允許偏差范圍內，全線平順。鋼軌由國內正規廠家供應，安裝鋼軌前按國家標準取樣進行理化和機械性能檢驗，均符合相關國家標準。鋼軌焊接接頭超聲波檢測符合相關技術標準。

綜上所述，排除由于鋼軌施工安裝質量、鋼軌母材性能不佳、碼頭軌道不均勻沉降以及高空吊運行時以上幾個原因共同作用造成斷裂的情況，另外碼頭環境長年溫度在0℃以上，不會發生鋼軌因溫度過低而低溫脆性斷裂現象。鋼軌斷裂的原因未找到，即使進行修復也只能暫時解決此鋼軌斷口，但是沒有真正解決問題，隨后高空吊運行使用過程中還有可能再次斷裂，從而影響碼頭安全作業及正常生產安排。對此，必須找到造成鋼軌斷裂的真正原因，徹底解決鋼軌該問題，以保證碼頭高空吊安全生產和正常使用。

3.3 鋼軌斷裂主要原因

從鋼軌斷口形狀及形態判斷，此種斷裂形式為脆性斷裂，究竟是什么因素造成鋼軌脆性斷裂？

鋼材工作受力狀態一般是二維受力。如鋼材在工作受力狀態的同時承受三個方向應力作用時，鋼材的塑性及其力學性能會降低，特別是低合金高強度鋼的塑性及韌性降低更為明顯，其斷裂韌性和塑性變得更差，容易發生脆斷。U71Mn的鋼軌屬于低合金高強度鋼，抗拉強度達880MPa、屈服強度為460MPa，但斷裂韌性平均為29MPa，延伸率為10%左右，鋼軌強度高但塑性較差。

沿此思路尋找鋼軌脆性斷裂原因。在與高空吊操作人員溝通和了解高空吊使用情況時，操作人員反映吊機作業行走時有不順暢現象，似有遇到小障礙物阻礙行走，檢查吊機軌道卻沒有發現任何異物。

是否高空吊行走時不同軸鋼輪左右“啃軌”作用于鋼軌上，使鋼軌承受過大左右側向應力，在各種載荷共同作用下使鋼軌發生脆性斷裂？經各方共同分析并到現場查看斷裂鋼軌斷口和斷裂口位置附近的鋼軌磨損情況，檢查吊機車輪與鋼軌側面接觸磨損程度，然后全面檢查吊機輪系的車輪與鋼軌接觸情況，并逐一檢測吊機4個支腿輪系鋼輪同軸度和平面度。檢查發現高空吊陸側向西支腿外側6個車輪組中，2個車輪往碼頭海側偏離軸線，1個車輪往碼頭陸側偏離軸線。經測量，此組車輪偏離軸線且偏差最大達到了9mm，而高空吊其他支腿車輪組的車輪軸線及車輪平面度均在設計、安裝技術要求范圍內，鑒于此，最終確認上述便是造成鋼軌斷裂的主要原因。

根據鋼軌特性及軌道系統錨固方案，正常工作狀態下輪壓引起的鋼軌應力約為250MPa。由于陸側外支腿車輪各有車輪左右偏離軸線，啃軌造成左右側向擠壓鋼軌，引起此支腿輪系車輪下方此段的鋼軌同時承受很大的左右側向壓力，高空吊作業運行時，鋼軌還要承受高空吊運行的行進軸向力。即此支腿輪系車輪下方此段的鋼軌承受車輪的正壓力、多個車輪同時啃軌左右側向壓力以及吊機行走時的軸向力，此鋼軌在吊機作業時承受三維應力的共同作用。吊機作業過程中，當車輪啃軌比較嚴重時，引起鋼軌受更大左右側向應力。另外，本工程采用的鋼軌錨固系統為GANTREX連續固定形式，較一般的碼頭軌道壓板間距50cm來說較密，在壓板全部調緊的狀態下，高空吊行走時，鋼軌承受的壓力、摩擦力以及鋼軌變形產生的內應力無法完全釋放，導致鋼軌的內應力增大并集中。

側向承受力比較低是鋼軌的特性，當受到較大側向應力特別是同時受左右側向應力的作用時，即啃軌比較嚴重時鋼軌承受的側向應力會變得更大，同時因緊固件過緊，應力無法完全釋放，在其他工作荷載應力共同作用下，作用于鋼軌的應力大于鋼軌的強度而發生斷裂。此種斷裂一般為脆性斷裂，是鋼軌承受三維應力超過鋼軌強度造成的。

找到鋼軌斷裂主要原因，那么采取相應技術措施即可解決。高空吊設計、制作、安裝公司重新調整支腿輪系精度，再全面檢測和調整有安裝精度問題的高空吊支腿輪系車輪的平面度和同軸度，直至符合高空吊的安裝技術要求，并適當回調鋼軌錨固系統，系列操作后問題迎刃而解，化解了施工過程中的難題。此后高空吊作業運行數年，至今未發生新的斷裂情況，證明解決措施具有可行性。

4.結語

經過本次分析，得出以下幾點結論：

（1）碼頭軌道鋼軌使用過程中出現斷裂問題時，除了從常見斷裂原因尋找，也要考慮碼頭吊機設備的制造、安裝、使用等因素對軌道鋼軌的影響。

（2）碼頭大型多輪系吊機設備中，如果一支腿輪系車輪的同軸度出現偏差，極易導致鋼軌同時受三維應力作用，使鋼軌的塑性及其力學性能降低，特別是低合金高強度鋼的塑性及韌性降低更明顯，其斷裂韌性和塑性變得更差，導致鋼軌容易發生脆斷。

（3）在設計、制造、安裝碼頭大型吊機的過程中要充分考慮此因素影響，并制定針對性的質量保證措施，避免鋼軌斷裂。