鑄造起重機橋架結構健康監測中的疲勞壽命晚期特征＊

平克楠

（太原重工股份有限公司技術中心，山西 太原 030024）

1 研究背景

鑄造起重機的安全使用年限與日常吊運負荷、負荷運行軌跡、吊運負荷次數有關，也與日常點檢、定期檢修維護、軌道缺陷修復有關。按照目前國內鋼鐵企業服役中的鑄造起重機使用經驗，設備服役量最大的國產A7級鑄造起重機在中等繁忙程度條件下，設備使用年限在20年以上；在繁忙程度條件下，設備使用年限在20年以內；在非常繁忙程度條件下，設備使用年限在15年左右。

在安全使用期的最后2～3年，設備主要承載結構件的強度指標、剛度指標趨于弱化，穩定性指標變化很小，結構件的強度薄弱處、應力集中處、截面突變處陸續出現開裂。因此，鑄造起重機結構健康監測中的風險識別、安全評價、壽命預測技術與設備全生命周期的安全運維密切相關。

2 結構健康監測的主要指標

鑄造起重機結構健康監測是通過現場檢測試驗的手段或安裝傳感器遠程傳輸測試信號的手段，評價金屬結構整體及關鍵部位的安全程度或健康狀態，是對結構承載能力的安全評估，還包括對結構件長期使用后出現強度損傷累積后的風險評價以及使用壽命的估算，分析結果將提示用戶了解設備的安全使用年限或更新時間點。結構健康監測的主要指標如表1所示[1]。

表1 結構健康監測主要指標

結構健康監測的主要指標中，動剛度指標的變化是一個容易被忽視的數據，目前的工程實例顯示，動剛度指標的變化量與結構風險相關聯，動剛度的下降預示著結構風險的上升。

3 結構損傷部位的識別

鑄造起重機主要結構易發生損傷破壞的部位位于距離移動載荷作用位置最近的應力集中處焊縫或截面突變處母材。

關鍵因素有2個，分別為移動載荷的動態沖擊部位、結構自身的應力集中部位。移動載荷作用點一類是行走的主小車車輪，另一類是行走的大車車輪。應力集中部位包括截面弧形過渡區、截面突變處、十字形焊縫、門孔、主梁角焊縫、對接交叉焊縫幾種部位。不同類型損傷破壞的識別如表2所示[2]。

表2 不同類型損傷破壞的識別

T型鋼與主腹板對接焊縫的損傷常出現在設備生命周期的中期，這是距主小車車輪移動載荷最近的主焊縫，受輪壓往復交變作用的影響。當小車軌道中心線與主腹板中心線的偏差超標時或小車軌道接頭間隙、高低差超標時，易發生此類焊縫開裂。

主梁副腹板門孔焊縫的損傷常出現在設備生命周期的中期或早期，門孔弧形焊接殘余應力較高和孔邊應力集中系數較高是此類焊縫開裂的原因，此處修復時需要局部加強。

主梁上蓋板與主腹板角接焊縫損傷常出現在設備生命周期的中期，在一些不使用T型鋼的箱型主梁內常出現此類焊縫開裂，但目前鑄造起重機主梁的設計已很少采用這種形式[3]。

主梁T型鋼之間對接焊縫的損傷常出現在設備生命周期的中期，這是距主小車車輪移動載荷最近的交叉焊縫，焊接工藝要求嚴，此處修復時需要局部加強。

主梁端部母材或焊縫的損傷常出現在設備生命周期的晚期，此處受到大車車輪的運行沖擊影響，修復難度較高，再次開裂的可能性大，屬于危險裂紋。

副主梁端部母材的損傷常出現在設備生命周期的中期，此處裂紋擴展較慢，但日常點檢不易發現。

橋架端梁與車輪座連接處焊縫的損傷常出現在設備生命周期的晚期，這是距大車車輪座移動載荷最近的角焊縫，受大車軌道現狀的影響很大，屬于危險裂紋。

橋架端梁弧形過渡區焊縫的損傷常出現在設備生命周期的中期至晚期，這是距大車車輪移動載荷最近的變截面焊縫，此類損傷往往在橋架幾個方位的相同形狀區相繼開裂，修復后再次開裂的可能性大，屬于危險裂紋。

當橋架主梁與端梁之間是鉸接形式連接時，連接軸的軸套在使用數年后易發生磨損晃動，繼而引發連接軸的磨損，如不及時更換軸和軸套，會引起車輪座連接焊縫更易受到水平方向的沖擊。此類損傷常出現在設備生命周期的中期。

近幾年的實際工程經驗顯示，設備生命周期晚期出現的結構損傷往往是多個相同形式區域或部位發生有規律的、成組成對的開裂破壞。當這組部位的破壞得到修復加固處理后，新的一組應力集中區又會發生有規律的、成組成對的開裂破壞。這種損傷破壞的遞推性是疲勞壽命晚期的重要特征。

4 工程實例

某煉鋼廠260t-27m鑄造起重機，2007年投入使用，承擔鋼水包的搬運工作，日常工作載荷約260 t。2007—2020年的工作頻率按每天84個工作循環估算，2021年起的工作頻率按每天100個工作循環估算。工作頻率從繁忙程度進入非常繁忙程度。

2016年12月檢測試驗，相隔4年3個月后，2021年3月再次檢測試驗。2次的檢測試驗為觀測該設備橋架結構疲勞壽命的中后期歷程及疲勞損傷的部位變化，提供了直接數據。

4.1 橋架主梁結構疲勞使用壽命估算

主梁跨中截面最大拉應力在13個工作循環狀態下的測試應力譜如表3所示。

表3 主梁應力幅—頻次數據表

這一結果表示某煉鋼廠260t-27m鑄造起重機橋架主梁結構的疲勞壽命應達到468 990個工作循環。

設備2007年投入使用，以一年工作360 d，每天作業量84個滿負荷估算。至2020年12月已完成了423 360個工作循環。

從2021年開始計算，主梁疲勞剩余壽命為45 630個工作循環。如每天作業量增加至100個滿負荷，則剩余工作時間456個工作日，至2022年4月。設備金屬結構在2022年4月后進入安全隱患加劇時期。

需要提示的是，疲勞壽命估算技術的意義是提示設備從安全使用進入到隱患頻發的時間段或窗口期。局部的補焊修復在不改變損傷破壞的必然進程中，可能會對損傷破壞的擴展時間起到一定的延緩作用。

4.2 橋架結構健康指標的檢測及晚期變化

橋架主梁靜剛度變化如表4所示。起重機動剛度變化如表5所示。橋架強度變化如表6所示。損傷部位擴展變化如表7所示。

表4 橋架主梁靜剛度變化

表5 起重機動剛度變化

表6 橋架強度變化

表7 損傷部位擴展變化

5 結論

鑄造起重機結構健康監測的目的和意義是對在役承載結構的安全性進行評價，是依據現場檢測試驗、監測數據在線或離線分析以及損傷檢測的手段，評估金屬結構整體及關鍵部位的安全程度或健康狀態。因此，定義健康指標、變化特征及其與結構疲勞壽命晚期癥狀的關聯性是一項具有很高工程價值的工作。不但對強度損傷歷史累積后的風險評估以及鑄造起重機報廢時間點具有指導意義，而且直接驗證起重機疲勞使用壽命估算技術的準確性。

按照前述工程實例，在疲勞壽命估算的中后期至晚期，結構靜剛度、動剛度、應力強度之間發生著明顯且互相關聯的變化。主梁上拱度逐步下降，結構彈性逐步衰退。主梁靜剛度加大，剛性弱化。整機動剛度明顯衰減，結構逐步柔性化。在強度指標方面，結構件的強度薄弱處、應力集中處依據受外載荷作用的敏感程度順序，顯現應力明顯增長，強度衰減。

在疲勞壽命估算的中后期至晚期，位于距離移動載荷作用位置最近的（或較近的）應力集中處焊縫或截面突變處母材，發生有規律的、成組成對的開裂破壞[4]。特別是在疲勞壽命晚期，此類破壞具有不易排查、不易修復、擴展加快、部位遞推的特點。