應(yīng)用應(yīng)力檢測技術(shù)檢驗起重機的承載能力

張燕軍

（運城市綜合檢驗檢測中心，山西 運城 044000）

通過應(yīng)力檢測技術(shù)，可得出起重機設(shè)備的應(yīng)力結(jié)構(gòu)及受力區(qū)域，以應(yīng)力數(shù)據(jù)為依據(jù)間接了解起重機的承載能力，繼而判斷起重機受力區(qū)域強度是否符合《起重機設(shè)計規(guī)范》（GB/T 3811—2008）。為確保起重機能夠在使用期間安全運行，避免出現(xiàn)安全事故，應(yīng)定期檢驗起重機承載結(jié)構(gòu)受力情況，以此保障起重機性能。

1 起重機承載能力檢驗標(biāo)準(zhǔn)

在《起重機械安裝改造重大修理監(jiān)督檢驗規(guī)則》（TSG Q7016—2016）中，對起重機主梁強度檢驗提出了標(biāo)準(zhǔn)，指出可采用額載試驗測量的方式，了解起重機主梁結(jié)構(gòu)的下?lián)隙葏?shù)，或設(shè)置1.25 倍靜載實驗，用于檢驗起重機主梁結(jié)構(gòu)裂紋狀況及塑性形變情況[1-2]。起重機設(shè)計制造體系現(xiàn)已完善，通過額載試驗測量與1.25 倍靜載試驗所得出的結(jié)果均符合要求，為精準(zhǔn)了解起重機主梁結(jié)構(gòu)的承載能力，需結(jié)合其他檢驗辦法，結(jié)合經(jīng)驗測試及現(xiàn)有資料，發(fā)現(xiàn)可借助應(yīng)變測量技術(shù)檢驗起重機設(shè)備的應(yīng)力數(shù)據(jù)，通過應(yīng)力數(shù)據(jù)間接得出起重機的承載能力情況。

2 起重機承載性故障問題分析及應(yīng)力測量

2.1 故障表現(xiàn)

為了解應(yīng)力檢測技術(shù)對于起重機承載能力的檢驗效果及檢驗要點，選擇一臺LY300/50-28A7 型號起重機設(shè)備進行檢驗，該起重機主要負(fù)責(zé)吊運熔融鋼水，主鉤、副鉤的額定起重量分別為300 t、50 t，設(shè)備跨度參數(shù)為28 m，A7 工作級別，經(jīng)長期高頻重載運行后，在起重機主梁結(jié)構(gòu)位置產(chǎn)生了諸多裂縫。結(jié)合起重機實踐應(yīng)用情況來看，起重機需吊運約260 t的熔融鋼水，吊運質(zhì)量為87%的額定起重量，屬于重載運行，同時為滿足工作所需，該起重機設(shè)備需持續(xù)24 h 運行[3]。上述吊運任務(wù)為該起重機設(shè)備的日常工作載荷，除此之外，該起重機還需每月吊運兩次重達100 t 的冶煉爐，冶煉爐與熔融鋼水重量之和已達吊重額載，吊運負(fù)載進一步提高。該起重機設(shè)備出廠并投入使用的時間為2007 年，起重機主梁為主要承載部位，主梁呈偏軌箱形梁結(jié)構(gòu)，主梁上蓋板與主腹板之間焊接相連，角焊縫呈K 形坡口[3-4]。結(jié)合上述信息可見，起重機生產(chǎn)時間較早，主梁上蓋板與主腹板連接時，并未采用當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的T形鋼。

2.2 故障分析

經(jīng)長期高頻重載運行，起重機承載部位所遭受載荷較重，現(xiàn)已在K 形坡口角焊縫部位產(chǎn)生裂縫，且上蓋板與主腹板間的三角加強筋區(qū)域同樣有裂縫出現(xiàn)，兩個部位的裂縫均為縱向裂縫，沿跨度方向，且裂縫均勻分布。起重機裂縫問題將會帶來極大安全隱患，容易導(dǎo)致安全事故的發(fā)生，故在日常運行檢查中發(fā)現(xiàn)上述裂縫問題后，立即邀請具有維修資質(zhì)的機構(gòu)進行處理，同時申報重大維修檢驗。該起重機維修結(jié)束后，按照《起重機械安裝改造重大修理監(jiān)督檢驗規(guī)則》（TSG Q7016—2016）要求對該起重機主梁吊運撓度進行檢驗，發(fā)現(xiàn)起重機撓度參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)，故得出主梁承載結(jié)構(gòu)剛度參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)論，為進一步了解裂縫處理后的起重機主梁結(jié)構(gòu)承載能力，決定采用應(yīng)力檢測技術(shù)，對起重機主梁吊載危險截面進行檢驗[5]。為便于檢驗分析，按照圖1 示意圖情況設(shè)置檢測點，其中日常吊運載荷工位為截面A、截面C，主梁跨中對應(yīng)截面B，截面A、B、C為非電氣側(cè)主梁檢測點位，而電氣側(cè)主梁檢測點位為截面D、E，如圖1 所示，截面D、E分別與截面B、A對應(yīng)。

圖1 主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測點示意圖

2.3 應(yīng)力測量

完成應(yīng)力檢測點設(shè)置后需確定試吊載荷，在本次應(yīng)力測量工作中，將試吊載荷定為兩種規(guī)格，即290 t、100 t。在正式檢測并采集數(shù)據(jù)前，對應(yīng)力檢測各通道的連接情況進行檢驗，同時清零現(xiàn)有數(shù)據(jù)，開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使主梁結(jié)構(gòu)呈南北方向巡回兩周，完后巡回運行后將試吊載荷放下，在此期間，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將會記錄主梁結(jié)構(gòu)在整個運行過程中的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

2.4 應(yīng)變數(shù)據(jù)

對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所得應(yīng)變數(shù)據(jù)進行分析，得出測量期間各應(yīng)力檢測通道的應(yīng)變數(shù)據(jù)，在100 t 荷載下的應(yīng)變數(shù)據(jù)如表1 所示，290 t 荷載情況下的應(yīng)變數(shù)據(jù)如表2 所示。在表1、表2 中，應(yīng)力為應(yīng)變數(shù)據(jù)與彈性模量（206 GPa）的乘積，（A～C）1、（D～E）3為危險截面的載荷彎矩壓應(yīng)力；（A～C）2與（D～E）1為垂直輪壓應(yīng)力；（A～C）3為載荷彎矩拉應(yīng)力。

表1 100 t 荷載下的應(yīng)變數(shù)據(jù)

表2 290 t 荷載下的應(yīng)變數(shù)據(jù)

結(jié)合表1、表2可見，在290 t吊運荷載檢測期間，在非電氣側(cè)截面B主梁跨中部位檢測出了1 313 的最大微應(yīng)變，此時該部位所承受到壓應(yīng)力為270.3 MPa。結(jié)合《起重機設(shè)計規(guī)范》（GB/T 3811—2008）計算起重機額載許用應(yīng)力，得出額載許用應(yīng)力為233 MPa，而通過應(yīng)力檢測技術(shù)得出的應(yīng)力數(shù)值為270.3 MPa，高于額載許用應(yīng)力，故可判定，該起重機主梁結(jié)構(gòu)不符合強度設(shè)計要求。根據(jù)非電氣側(cè)截面B的應(yīng)變數(shù)據(jù)繪制應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)載荷彎矩拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、輪壓數(shù)據(jù)在荷載條件下表現(xiàn)出同步變化特征，即當(dāng)截面B遭受外部壓力時，上述應(yīng)力同時增大[6-7]。

應(yīng)力檢測人員對該起重機完成應(yīng)力檢測并分析出主梁結(jié)構(gòu)承載力隱患后，將檢測結(jié)果立即告知相關(guān)人員，為避免該起重機在后續(xù)工作運行中引發(fā)安全事故，故再次邀請具有起重機修理資質(zhì)的機構(gòu)，二次修理加固起重機主梁結(jié)構(gòu)，此時根據(jù)應(yīng)力檢測數(shù)據(jù)結(jié)果，重點對非電氣側(cè)的跨中部分進行加固處理。

3 起重機承載能力應(yīng)力檢測結(jié)果分析

起重機共經(jīng)過兩次應(yīng)力檢測，當(dāng)完成第一次應(yīng)力檢測后發(fā)現(xiàn)起重機主梁跨中部位存在較大安全隱患，導(dǎo)致起重機承載能力不達標(biāo)，此時按照應(yīng)力數(shù)據(jù)進行針對性加固維修，并再次展開應(yīng)力檢測，發(fā)現(xiàn)再次加固維修并未起到良好效果，主梁跨中部位仍存在較大應(yīng)力，承載能力仍不符合標(biāo)準(zhǔn)，且存在一定下降現(xiàn)象[8]。

對應(yīng)力數(shù)據(jù)展開深入分析，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)上述情況的原因主要包括以下幾點：第一，在首次裂縫修理時采用的焊接修復(fù)方法，但受限于焊接條件，導(dǎo)致裂縫處理無法達到起重機主梁生產(chǎn)制造時的標(biāo)準(zhǔn)，此外，完成裂縫焊接處理后，尚未采取去應(yīng)力措施，致使焊縫內(nèi)殘留較大應(yīng)力，繼而影響了起重機主梁結(jié)構(gòu)的承載能力。第二，案例起重機設(shè)備工作級別較高，且長期處于高頻重載運行狀態(tài)下，但在起重機實際運行期間，無法從設(shè)備結(jié)構(gòu)外觀及使用過程中察覺到主梁結(jié)構(gòu)承載區(qū)域的變形情況，因而埋下了質(zhì)量隱患。第三，完成裂縫焊接修復(fù)處理后，采用表面滲透無損檢驗技術(shù)及超聲無損檢測技術(shù)檢驗焊縫時，尚未發(fā)現(xiàn)焊縫存在裂縫，但結(jié)合材料結(jié)構(gòu)展開分析，完成焊接后，焊縫材料與結(jié)構(gòu)原金屬并非同一種材料，兩種材料之間具有組織不連續(xù)性，繼而形成了材料性能差異，并對起重機整體承載能力產(chǎn)生負(fù)面影響。第四，起重機長期高頻重載運行，在主梁結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)了疲勞裂紋，隨著起重機的長期運行，主梁疲勞裂紋不斷延伸，在主梁金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部造成了缺陷，因此降低了主梁結(jié)構(gòu)剛度，當(dāng)主梁結(jié)構(gòu)發(fā)揮其承載作用時，其所遭受的形變量將會進一步加大，加劇疲勞裂紋及組織缺陷。由此可見，對起重機主梁裂紋進行修復(fù)加固并無法從根源處解決剛度與承載力下降的問題，當(dāng)起重機出現(xiàn)主梁裂紋后，應(yīng)通過應(yīng)力檢測技術(shù)明確主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變情況，以應(yīng)變數(shù)據(jù)為依據(jù)及時更換主梁結(jié)構(gòu)，以此避免無效維修加固造成不必要的支出，減少成本且有效提高起重機承載能力[9]。

4 提高起重機承載能力的有效措施

在上述起重機結(jié)構(gòu)中，引發(fā)主梁疲勞裂紋的主要原因在于起重機長期高頻重載運行，故為延長起重機壽命，保障其承載性能，首先需合理規(guī)劃起重機的持續(xù)運行時間及吊運載重方案，盡可能抑制主梁疲勞裂縫的出現(xiàn)。根據(jù)上述起重機兩次應(yīng)變檢測情況，通過更換主梁結(jié)構(gòu)的方式提高了其承載能力，在此基礎(chǔ)上，對提高起重機承載能力的方式進行思考，主要得出以下結(jié)果：第一，重視起重機承載結(jié)構(gòu)在日常運行使用過程中的實際承載力，定期通過應(yīng)力檢測了解起重機應(yīng)力形變情況，并注意計算起重機的疲勞抗力。第二，進一步提高起重機各類金屬結(jié)構(gòu)的抗形變、抗銹蝕能力，從金屬結(jié)構(gòu)角度保障起重機承載性能。第三，根據(jù)起重機工作級別及設(shè)備承載性能設(shè)置荷載限制閾值，并在起重機內(nèi)安設(shè)起升荷載限制器，當(dāng)起重機吊運荷載超出閾值時將會停止警報，提醒操作人員注意控制荷載質(zhì)量，若吊運荷載遠(yuǎn)超閾值或存在運行隱患，起升荷載限制器將會控制起重機停止運行，以此避免安全事故的發(fā)生。第四，對起重機承載結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化，完善運行傳動裝置，通過調(diào)整優(yōu)化起重機整體結(jié)構(gòu)來減少荷載，以此提升起重機承載能力[10]。

5 結(jié)語

綜上所述，起重機長期運行使用可能會出現(xiàn)裂縫等問題，對起重機承載能力造成負(fù)面影響，案例里的起重機設(shè)備經(jīng)歷兩次應(yīng)力檢測分析，根據(jù)應(yīng)力數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，起重機在長期高頻重載使用后容易出現(xiàn)疲勞裂縫[11-14]，且此時采用補焊加固方式進行處理將不會產(chǎn)生良好效果，仍會影響起重機設(shè)備承載能力。針對該現(xiàn)象，應(yīng)根據(jù)應(yīng)力檢測結(jié)果及起重機受力區(qū)域，科學(xué)更換主梁結(jié)構(gòu)，防止無效維修造成額外成本。