磁粉探伤技术在门座起重机疲劳裂纹检测的应用

中国船级社实业公司 果新华 安立军 石晓龙

现代门座起重机的钢结构多采用箱形梁结构，由高强度钢板焊制后而成杆件结构，受力状态危险部位钢结构通过铰点传递各部位，比如象鼻梁、臂架、平衡梁、上转柱、转盘、圆筒、门架、和支腿、平衡梁台车等。起重机械的金属结构最常见和最危险的缺陷之一是疲劳裂纹。据统计，每年因结构疲劳的原因，大量产品在其有效寿命期内报废，由于疲劳失效而引起的恶性事故也时有发生。而在整个机械零部件的失效总数中，疲劳失效约占50%～90%。

由于受各种技术条件的制约，门座起重机在设计、材质、加工成型以及在安装过程中都存在一些缺陷。起重机机疲劳失效原因的分析结果、由于钢材中存在的冶金缺陷、成分和组织不均匀以及各种加工缺陷(如焊接不良)为裂纹的产生进一步提供了疲劳源。在使用方面，门座起重机作业环境复杂多变，起重机结构除承受固定载荷、工作载荷之外，还经常承受水平惯性载荷、冲击载荷以及非经常性作用的风载荷等附加载荷的影响。主要构件长期受到压、弯、扭矩和剪切等载荷作用，承受不稳定交变应力，容易遭受疲劳破坏。

门座起重机经常在条件恶劣的场合作业，门座起重机功能兼备以及复杂的结构，使门座起重司机操作难度增大。操作不当和超载、斜吊、拽拉等违章作业，进一步加剧了构件的疲劳损伤。门座起重机常见事故包括倾覆、臂架、大拉杆、破坏以及在转移作业场地过程中发生流钩事故等，其中由于疲劳失效引起折臂、倾覆的事故危害性很大。在复杂的作业环境中，主要受力构件发生突然断裂是致命的，往往造成机毁人亡的惨痛悲剧。

门座起重机12#（D3065K10型）现场检验和测量

金属构件发生疲劳失效总是起源于微裂纹处。近代断裂力学理论认为：微裂纹源是由于位错运动引起的。疲劳失效过程大致可分为成核、微观裂纹扩展、宏观裂纹扩展及断裂等4个阶段。裂纹始于材料局部高应变区，当峰值应力超过才料的屈服强度时，在晶粒和晶面之间发生位错牛产生滑移，位错逐渐聚集形成微裂纹，微裂纹不断集结、贯通成为宏观裂纹，进而在交变应力作用下继续扩展，致使材料的有效承载面积不断缩小，最终导致突然断裂，即所谓的低应力破坏。由于构件事先并不会呈现明显的塑性变形预兆塑性好的材料亦会如此)，即使是处于正常的工况条件之下，构件也会在工作应力小于许用应力的情况下发生瞬时断裂。

实践证明，虽然裂纹不一定立即导致断裂，但如果发现裂纹不及时修复，设备长期带“伤”运行，早期形成的微小裂纹，尤其是过渡性及危险性裂纹，往往会导致很严重的后果。因此，对裂纹类危险性缺陷，需要尽早发现，尽早处理。在各种无损检测方法中，磁粉探伤(MT)对于铁磁性材料表面和近表面缺陷具有非常高的检测灵敏度，能非常直观地显示缺陷的位置、形状、大小和严重程度，并且检测方便，工艺简单，成本低，污染轻，可以发现裂纹、夹杂、发纹、白点、折叠、冷隔和疏松等多种缺陷，是一种行之有效的检测方法。采用便携式探伤仪还特别适合在现场和高空等特殊环境下作业。

表1 检测信息一览表

表2 检测条件一览表

探伤后的裂纹已除锈

对于在役设备而言，磁粉探伤的主要目的是以发现材料表面和内部缺陷，对因疲劳、应力、腐蚀以及设备本身的内部缺陷等多种应力作用下导致尖端开裂而产生的裂纹等危险性缺陷作为检测的主要对象。

根据实例分析（S3065K12门座起重机磁粉探伤），门座起重机作为起重机常见的一种机型，我门对机器进行有限元分析，通过分析找出应力集中点有针对性的实施磁粉探伤。经过臂架、门架结构进行的磁粉探伤结果显示：在起重机臂架圆管桁架主梁对接焊缝有两处开焊，门架端梁左右两侧母材侧面上各有两条长约45mm的裂纹，方向垂直于受力方向，形状粗细不均，磁痕显示清晰，经分析应为疲劳裂纹。此裂纹的发现为设备的使用和维修提供了重要的技术依据得到厂方的首肯。检测相关信息见表1，检测条件见表2)。

门腿结构探伤局部放大144倍能看到裂纹

大臂铰点探伤有裂纹

旋转磁场探伤仪利用交叉磁轭在构件表面产生旋转磁场，使被探表面上任意方向的缺陷都有与有效磁场最大幅值正交的机会，可得到最大限度的缺陷漏磁场。这是交叉磁轭法的独特之处，用这种方法检测表面缺陷通常能取得较满意的效果。

在探伤前，应准确了解构件的材质，壁厚，分析构件在使用中的受力状态、应力集中部位、容易开裂的位置以及预测裂纹走向等。裂纹通常出现在应力集中处，在很多情况下，只需要有针对性地进行局部探伤检查，很适用于许多大型设备中不可拆卸的组合件。如果构件中有视力不能到达的部位，可以使用高倍照相机成像然后计算机配合检验。

由于磁粉探伤是用于检测表面和近表面缺陷的，构件的表面状态对于磁粉探伤的操作和检测灵敏度都具有很大的影响。在探伤之前，应仔细地清除构件表面存在的油污、铁锈、毛刺、氧化皮和沙粒等物。为提高缺陷磁痕与构件表面颜色的对比度，可在检测表面涂敷一层反差增强剂，干燥后再进行磁化，实际使用效果更好。探伤后要及时观察裂纹的形态，记录磁痕形态。

应该指出： (1)使用交叉磁轭法时应采用连续式探伤。从磁场分布情况来看，磁极所在平面不同部位磁场强度大小和方向差别很大，如采用步进式探伤将会对某些方向的缺陷造成漏检，这一点应予以重视。(2)磁轭间隙对探伤效果影响很明显，在保证能行走的情况下磁轭间隙应越小越好，最大也不宜超过1.5mm。(3)磁轭行走速度不能太快，应控制在4m/min之内。(4)磁悬液的喷洒要根据交叉磁轭的移动速度和探伤部位的空间位置等来调整手法。(5)通过探伤部位后应尽快观察辨认磁痕，以免磁痕显示被破坏。

尽管采用交叉磁轭法对探伤人员的操作要求较高，但只要探伤人员严格执行了正确的工艺操作，并不会造成缺陷的漏检。这种多向磁化技术通过一次磁化可以很方便地检测出探伤表面所有方向的缺陷，检测效率非常高，现已被国内无损检测行业广泛地采用。

应用无损检测技术，结合门座起重机使用状况、根据有限元分析断裂力学和损伤容限设计等安全评估技术，可以预先发现设备存在的缺陷并及时进行安全评估以防患于未然，减少事故的发生。随着未来检测技术的日臻完善，磁粉探伤(MT)、无损检测技术在门座起重机及其它起重设备的安全监督检验工作中将具有十分广泛的应用前景。