R5取料機回轉鋼結構安全性檢測分析

李奉生

國能（天津）港務有限責任公司 天津 300452

0 引言

煤炭港口取料機的安全性和穩定性是保證煤炭貨運港口正常運行和安全的重要因素。在某煤碼頭取料機結構中，回轉機構受力情況復雜導致易發生失效[1]，其安全性更是取料機全生命周期的關注重點。回轉機構失效主要分為回轉支承問題和鋼結構問題2類。相較于回轉支承易在疲勞[2]、沖擊[3,4]影響下發生失效，鋼結構發生失效情況較少，但結構破壞往往會產生極為嚴重的后果，這與鋼結構本身的特性以及取料機本身的工作環境有關。目前，針對取料機的安全性分析主要有模擬和實驗2類，模擬主要集中于對取料機臂架的結構強度以及疲勞特性進行分析[5-7]。由于回轉鋼結構受力復雜，模擬分析難以反映真實情況，開展的研究也相對較少。實驗主要包括對現役機械的結構開展無損探傷，應力測試等特定實驗，通過分析實驗數據評估其安全性。國內對于取料機鋼結構檢測的研究相對較少，暫無完整的檢測流程可供參考。郭玉波等[8]對港口A6Q型取料機的鋼結構在應力、無損探傷、腐蝕檢測3方面開展實驗，發現其司機室附近立柱腐蝕嚴重，認為港口煤炭機械的腐蝕問題應列為檢測重點之一。本文參考建筑鋼結構與起重機鋼結構的相關檢測流程開展取料機檢測流程的設計，將損傷檢測流程分為局部檢測、整體檢測以及安全性評估3方面內容。其中局部檢測主要針對鋼結構局部的腐蝕情況開展目視檢測，無損探傷[9]；整體檢測指對結構在不同載荷工況下的應力情況進行檢測；安全性評估則針對其使用習慣，通過應力以及雨流計數圖等進行壽命計算。基于該流程對煤炭港口R5取料機的回轉部位鋼結構開展安全性檢測，并提出改進方案。另通過該實驗證明所設計的取料機回轉鋼結構安全性檢測流程的合理性。

1 鋼結構檢測

由于大型取料機檢測流程缺少專門的相關規范，考慮到其在設計過程中依據的同起重機相似的受力形式，可參照起重機的相關設計規范作為檢測主要依據。在本次實驗中主要以GB /T 3811—2008《起重機設計規范》，GB/T 6067.1—2010《起重機械安全規程》，GB/T 5905—2011《起重機試驗規范和程序》為基準設置檢測流程。

初步觀測結果表明，R5取料機回轉鋼結構整體情況基本良好，豎板、隔板未發現明顯的變形、損傷；法蘭盤部位存在較嚴重的銹蝕，表面布滿鐵銹，進行清理后的鋼板表面布滿腐蝕蝕坑；連接豎板根部與二者連接處的角焊縫也存在嚴重腐蝕，焊縫余高不足目視可見。此外，對法蘭盤與軸承連接處的緊固螺栓進行目視觀察，發現其外露螺柱頭、螺帽等銹損嚴重，判斷螺栓中間部分也存在較嚴重的腐蝕，有整體拉斷風險。對回轉部分結構的鋼板腐蝕情況，焊縫情況進行分析獲得的部分銹蝕如圖1所示。

圖1 目視腐蝕損傷情況

根據目視觀測結果，判定需要對于回轉鋼結構部分進行鋼板腐蝕檢測與金屬無損探測，以便進一步定量了解其腐蝕情況，判斷該鋼結構的安全性。

1.1 鋼板腐蝕檢測

結合其工作環境與目視觀測結果，R5取料機回轉鋼結構鋼板存在明顯的腐蝕現象，特別是在受力較為復雜的法蘭盤附近，腐蝕現象更加明顯。因此，需要通過對腐蝕嚴重部位的銹蝕深度測量，進一步了解R5取料機回轉大軸承法蘭盤各部位腐蝕分布情況，并為防腐蝕管理和技術決策提供依據。

該部分檢測參照GB/T 50621—2010《鋼結構現場檢測技術標準》執行，首先對于法蘭盤及其連接豎版的部位進行表面清理，使用砂輪機進行拋光處理，露出金屬表面；再通過TT110型超聲波測厚儀對于鋼板厚度進行測量，并采用坑深測量儀對于腐蝕坑進行檢測。

圖2 銹蝕檢測部位分布示意圖

表1為部分法蘭盤及連接豎板根部鋼板厚度檢測結果，可知法蘭盤鋼板設計厚度為47 mm，實測平均蝕余厚度為45.8 mm（板厚平均腐蝕率2.55%），實測最小蝕余厚度為42.6 mm（板厚最大腐蝕率9.36%），實測平均蝕坑深度為0.49 mm。

表1 法蘭盤及連接豎板根部鋼板厚度檢測結果（部分） mm

1.2 連接部分無損探測

連接部分的無損探測針對焊縫和螺栓連接開展。無損探傷主要針對角焊縫存在的目視觀測下余高不足以及潛在的內部損傷問題，其處理方法同鋼板的腐蝕檢測類似，也是采用砂輪機（鋼絲球）將焊縫及焊縫兩側部位的氧化物進行拋光處理，露出金屬表面（前提為不削弱鋼板母材）。對法蘭盤與其豎板之間的連接焊縫、豎板部分對接焊縫進行焊縫表面外觀檢查及超聲波探傷檢測。當外觀檢測疑似存在表面缺陷時（表面裂紋、表面開口缺陷）采用滲透探傷檢測。

在焊縫超聲波檢測中，執行標準為GB/T 11345—2013《焊縫無損檢測 超聲檢測技術、檢測等級和評定》，檢驗等級B級，驗收標準執行GB/T 29712—2013《焊縫無損檢測 超聲檢測 驗收等級》，驗收等級2。對于螺栓超聲檢測執行NB/T 47013.3—2015《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》，驗收標準執行DL/T 694—2012《高溫緊固螺栓超聲波檢測技術導則》。

在滲透檢測中，執行標準NB/T 47013.5—2015《承壓設備無損檢測 第5部分：滲透檢測》。

通過超聲波檢測發現：R5取料機回轉大軸承上法蘭盤與其豎板之間的連接角焊縫（總計21 m）均存在焊縫余高不足，焊接熱影響區母材銹損、缺肉，銹損高度約40 mm，缺肉深度約1～2 mm之間，未發現焊縫存在表面裂紋；而豎板對接焊縫（總計1.5 m）均符合標準要求，超聲波探傷檢測后法蘭盤與大軸連接螺栓均符合標準要求。具體檢測結果如表2所示。

表2 超聲波焊縫檢測表（部分）

2 應力分析實驗與疲勞壽命計算

2.1 結構應力測試

根據起重機回轉機構的理論受力和現場條件，選擇應力測試的截面和測點，將回轉鋼結構法蘭盤及其連接豎板八等分，在等分處的法蘭以及連接豎板處粘貼應變片，應力測點布置如圖4所示。采用半橋回路，對取料機整機做空載及重載動作，分別測得在對應工況下各測點的動態應變。

圖3 回轉鋼結構應力測試測點布置圖

圖4 工況1動態載荷最大點（13號測點90°方向）應變-時間關系圖

回轉鋼結構結構應力具體測試以調零工況為基礎開展2個工作工況測試，其中調零工況是指R5取料機懸臂處于水平0°，回轉角0°狀態，此時將應變測試儀器調零。R5取料機做如下工況動作，進行各測點的動態應力測試。

1）工況1：空載工況，回轉機構從0°向右回轉至90°，回到0°，試驗結束；

2）工況2：重載工況，回轉機構左轉至-45°左右，進行取煤作業（作業角度為-30°～-50°之間），實時監測各測點的動態應變，并繪制最大應變-時間關系圖。

由圖4、圖5可知，各測點的動態應力隨回轉機構回轉90°動作時產生應力變化，基本符合機構的運動規律，運動過程中未產生明顯的應力突變。由于法蘭板鋼板相對較厚（板厚47 mm），故法蘭盤測點的動態應力值均在10 MPa內。對于連接豎板，最大值出現在13號測點90°方向（68.2 MPa），連接豎板（板厚12 mm）隨回轉機構空載回轉時，鋼板產生一定程度的受扭，應力值未超過Q345B材料折算后的容許應力（約為210 MPa左右）。

圖5 工況2動態載荷最大點（14號測點45°方向）應變-時間關系圖

2.2 結構疲勞壽命計算

由布置測點數據發現，該回轉機構鋼結構的工作應力遠低于材料的容許應力值，屬于高周疲勞范疇。因此采用名義疲勞壽命方法對于回轉鋼結構的疲勞壽命進行估算。在以調零工況和重載工況，即工況2的作用下，對于結構疲勞壽命進行分析。為保證數據的可靠性，另根據圖6中雨流計數法對于測點應力的波峰和波谷幅值進行整理，最終依據線性損傷理論計算疲勞壽命。

圖6 雨流計數圖（部分）

線性損傷理論公式為

式中：i為σ1、σ2、σ3同的應力水平數；n1為各應力水平下的循環數；N1為各應力水平下的疲勞壽命；α為常數（0.7～1.0），本文中α取值1.0。

根據上述方法可求得各測點的疲勞壽命情況（循環次數）。同時R5取料機已服役14 a，每年完成8萬次循環。目前累積循環次數為1.12×106次。

各測點總壽命和剩余壽命如表3所示，按R5取料機平均每年取煤1 000萬t計算，仍可安全工作20.05 a。

表3 疲勞壽命計算結果

綜合指標評價如表4所示，R5取料機回轉鋼結構在現役既有工況下的運行狀態評價為不安全。其主要問題出現在結構生銹腐蝕上。應及時對于法蘭盤及其連接豎板除銹，并對于嚴重腐蝕部位進行焊補和加固修復處理。該過程中需要注意焊接流程以及焊后的熱處理問題。該測試方式的驗收通過也證明了前文取料機測試流程的正確性。

表4 檢測項目指標評估

針對本案例中防銹方式的選擇，使用防腐漆的成本較低，對于延壽性價比較高。此外，應注意耐候鋼材料在成本上和使用壽命上的優越性，在設計階段可以針對煤炭港口機械使用環境進行專門設計。另外，在結構疲勞計算方面沒有考慮腐蝕損傷導致的鋼材組織結構及本構模型的變化，計算的壽命明顯偏長，對于鋼材本構模型在腐蝕損傷下的影響可以在進一步研究中納入考慮。

3 結論

本文依據建筑及起重機鋼結構測試規范，制定了包括局部檢測、整體應力檢測、安全性評估3階段的檢測流程，對于煤炭港口R5取料機的回轉鋼結構進行安全性檢測。主要檢測了其在鋼結構、焊縫、連接件等部位的銹蝕情況，以及整個回轉機構在不同工況下關鍵位置的應力分布，依據其應力分布和雨流計數圖計算了其疲勞壽命。基于對以上3階段共5大類指標的分析，發現該鋼結構中在局部檢測階段于鋼板、焊縫等部位存在較為嚴重的腐蝕情況，并依此判斷整體回轉鋼結構不安全，需要進行補焊加固，除銹與防銹作業。針對煤炭港口取料機普遍存在的銹蝕問題，使用防腐漆處理的方式具有較高的性價比，但在設計階段可以通過采用耐候鋼以減少港口取料機銹蝕發生。通過對于檢測項目指標的分析，表明該檢測流程能夠分階段明確發現從局部至整體的安全性問題，較同類檢測流程增加了對于雨流計數圖的分析以及對疲勞壽命的計算。通過引入其使用工況的影響，補全了實際檢測中缺少疲勞壽命計算的短板，使檢測流程更完整。