关于港口起重机疲劳破坏成因分析及修复措施探讨

林俊宁

摘 要：当起重机出现结构变化以及反复载荷，容易因为疲劳而诱发结构裂纹以及裂纹扩展问题，如果不及时进行检测评估，最终会导致结构疲劳破坏，因此发现疲劳破坏需要做好相应成因分析并采取修复措施。

关键词：港口；起重机；疲劳破坏；成因；修复

前言

港口起重机械需要承受循环载荷，设备载荷主要形式就是疲劳载荷，因此容易出现疲劳裂纹，特别是在焊缝区容易出现脆性断裂，从而埋下事故的隐患。为保障设备安全以及正常生产，需要及时分析港口起重机疲劳状况，合理使用设备并进行科学的保养[1]。

1 起重机金属结构件疲劳破坏的成因

1.1 易出现疲劳破坏的部位以及应力集中对疲劳破坏的影响

人字架、臂架、象鼻架、转台以及门腿拐角位置容易出现焊缝开裂，这些部位主要是因为高应力区，遭到交变应力作用，导致承受应力大，容易出现截面变化，使得应力集中，横隔板以及纵筋失去作用[2]。设计层面而言，主要是因为力流的传递不够流畅，结构的组成不够合理，焊缝太多太密，并且焊缝交汇点太多，焊接工艺也不够合理，导致焊缝的质量比较差，工件的母材没有达到设计的要求等等。港口起重机的结构件焊缝往往属于对接焊缝以及角焊缝，研究显示对接焊缝凸出位置是主要的应力集中源，要是焊后没有后续的机械加工，就会导致抗疲劳强度显著下降，使用机械加工技术切除凸出部分之后，疲劳极限往往能够得到大幅度的改善[3]。

1.2 金属结构母件对疲劳破坏的影响

1.2.1 钢材的抗疲劳性能

钢材在反复荷载的作用之下，即便应力<极限强度，一样有可能会出现破坏，主要表现就是突发性的脆性破坏。一旦材料位于弹塑阶段，反复加载就会导致塑性变形增长，使得钢材变硬变脆，逐渐出现微裂从而导致应力集中的出现，微裂纹扩展以及数量上升，会导致应力集中的问题显著加剧，最终出现断裂破坏现象。

1.2.2 钢材的焊接性能

钢材焊接性能受钢材冷裂倾向、热裂倾向以及焊缝脆化倾向的影响。在碳素钢当中，除了锰之外，其它的六种元素例如硅、碳、磷、硫、氧以及氮一方面会增加钢材热裂倾向以及热脆性，也会导致焊缝以及热影响区冷裂倾向以及冷脆性的增加[4]，所以需要严格控制上述元素的含量。

1.2.3 沸腾钢

沸腾钢偏析程度比较严重，偏析特点是表面存在一个含碳较少的纯铁薄层，中间富集大量的碳、硫以及磷等[5]。因为沸腾钢当中含有的有害气体比较多，同时区域偏析的问题比较严重，因此可焊性比较差，在焊接的时候容易出现裂纹，热影响区韧性以及塑性明显下降。除此之外，因为沸腾钢当中的氮，以固溶氮形式而存在，从而导致钢材的冷脆性以及时效敏感性上升，沸腾钢当中的磷的区域偏析往往比较明显，也会降低钢材的冲击韧性，提高钢材的冷脆性。

1.2.4 镇静钢

镇静钢的致密度比较大，偏析程度比较小，非金属夹杂物的含量也比较低，同时镇静钢当中的氮主要是以氮化物形式而存在，所以镇静钢除了含硅过多而会影响塑性略，其它方面的性能均优于沸腾钢[6]。镇静钢的常温冲击韧性比较高，并且时效敏感性以及冷脆性比较低，抗腐蚀的稳定性以及可焊性都要优于沸腾钢。钢结构构件当中的槽口、凹角、孔洞以及截面改变的时候，构件应力的分布不再均匀，在部分位置出现局部的应力高峰，产生的不利影响非常严重，在应力作用之下出现脆性破坏，因此选材的时候需要使用那些内部缺陷比较少的优质钢材。

2 金属结构件焊接分析

2.1 焊接残余应力

焊缝冷却过程当中的纵向收缩和不同冷却条件诱发的应力差别，容易导致焊缝出现残余应力。试验表明焊缝的残余应力主要是拉应力，不过纵向残余应力对于腹板作用主要为压应力。在焊缝的横向残余应力方面，横向残余应力的出现原因主要是焊缝冷却时候的横向收缩，而间接原因则是焊缝纵向收缩，结构件焊好之后不应当立刻投入工作，应当让结构件停放一段时间，从而释放部分焊接残余应力。

2.2 焊接应力形成过程

焊接应力主要是由温度不均匀所引发的，焊接过程当中温度不均匀会出现以下变化。温差大的表现主要是室温条件下的金属，焊接过程当中焊缝温度达到金属熔点，并且焊缝中心温度往往>1000℃，离开热源的位置保持在室温水平，温差往往非常大。在焊缝冷却的过程当中，冷却速度过快会形成马氏体，硬度高、脆性大不过冲击韧性比较差，所以需要尽可能避免，冷却速度太慢会形成奥氏体，塑性高但是强度以及硬度都比较低，会形成粗晶，所以也需要应避免。在200-500℃之间的冷却时间应当适当延长，这段时间是贝氏体的形成阶段，塑性以及冲击韧性都比较理想。

2.3 焊接应力的危害性

残余应力对起重机疲劳强度产生的影响，主要是根据残余应力正负情况，如果属于拉伸残余应力，对构件疲劳寿命以及疲劳强度都会产生不良影响，不过如果属于压缩残余应力，那么对改善疲劳寿命以及疲劳强度都有显著的好处，比如一些零件胡总和是构件经过热处理、冷变形处理或者是表面强化处理之后，表面会出现残余压应力，从而显著改善零件或者是构件疲劳强度以及疲劳寿命，变幅齿的根部往往就进行喷丸处理。

3 金属结构件修复工艺的确定

金属结构件最为常见的疲劳问题就是焊缝开裂，开裂焊缝在补焊之前，需要将开裂位置的旧焊缝使用砂轮打磨，打磨长度需要长于焊缝开裂位置的长度，使用十倍的放大镜进行观测，从而确定是否存在残余的裂纹，如果发现存在残余裂纹，需要使用砂轮继续进行打磨，确保残余裂纹得到彻底的处理。重要的构件例如臂架，还需要使用探测仪进行探伤，从而保证充分暴露裂纹。补焊的时候避免使用受潮的焊条，在焊前应当预热补焊的位置，焊后则使用热保温措施，温度应当在控制在500℃左右，时间为30min，使用石棉覆盖2h，焊缝温度下降到室温的之后，使用铁锤敲击补焊位置以及附近位置20min。补焊之后结构件应当停放一段时间，也就是避免起重机立即进行货物的装卸，最好停工的时间超过一个星期。开始吊货的时候，避免满负荷装卸，应当先起吊额定荷载的30%左右，运转2h之后再起吊额定荷载的50%左右，最后起吊起重机的额定荷载。则有能够避免焊接残余应力以及应力集中出现，短时间内释放残余应力。如果在同一位置补焊之后再度出现焊缝裂纹，往往是焊缝脆化或者力流不畅，从而使得局部位置的应力过大，或者起吊的货物超载。同时还需要根据两次裂纹的间隔时间进行判断，如果短时间里重复出现裂纹，往往是上次补焊焊缝的质量不够理想，如果间隔时间比较长，则是疲劳裂纹，需要在进行补焊，除了根据上面所属的工艺措施进行补焊，还需要进行适当加强。例如贴新板焊接等，并补焊之后使用超声波仪器进行检查。

4 结束语

综上所述，港口起重机的结构疲劳破坏可以说是一个普遍存在的问题，一方面要做好焊缝裂纹的修复，另一方面也要定期检查焊缝裂纹，采取红外线探伤＼金属粉探伤等技术进行预防性检测，提前做好预防性检查，从而及时发现并予以处理，避免诱发安全事故。

参考文献

[1]潘长松.桥式起重机箱形主梁的疲劳性能[J].起重运输机械，2012，12（10）：17-28.

[2]管德清.焊接结构疲劳断裂与寿命预测[M].长沙：湖南大學出版社，2013：123-125.

[3]曾春华，邹十践.疲劳分析方法及应用[M].北京：国防工业出版社，2014：356-358.

[4]疲劳试验测试分析理论与实践[M].张然治译.北京：国防工业出版社，2013：412-415.

[5]姚卫星.结构疲劳寿命分析[M].北京：国防工业出版社，2013：324-325.