港口大型起重机械技术性能评估探讨

袁 征

（福建省特种设备检验研究院 福建 福州 350008）

港口大型起重机械技术性能评估探讨

袁 征

（福建省特种设备检验研究院 福建 福州 350008）

港口大型起重机械是港口码头货物装卸的核心设备，准确评估其技术性能状态，具有重要的意义和较大的工程运用价值。文中探讨了港口大型起重机械技术性能评估体系的建立，并讨论了应力测试、无损检测、有限元分析、寿命预测等技术手段在技术性能评估中的运用。

港口；起重机械；技术性能；评估

1 引言

福建是一个沿海省份，有3000多公里的海岸线，有着建设港口的地理优势。随着经济的发展，港口建设成为海西建设的重点建设领域。门座起重机、岸边集装箱起重机、装卸桥、轨道式集装箱起重机、轮胎式集装箱起重机等港口大型起重机械是港口码头货物装卸的核心设备。这些设备处于腐蚀性较强的海边环境，且使用频繁、工作级别高，整体结构和受力状况较为复杂，使用较长年限后，容易产生金属结构腐蚀断裂变形、重要零部件损坏、电气控制系统老化等现象。设备故障率增加，容易形成较大的安全隐患。另一方面，港口大型起重机械设备价值较大，更新周期较长，因此如何准确评估在用港口大型起重机的技术性能，对起重机故障进行预见性分析，并形成有效的维护管理，对起重机使用单位具有重要的意义和较大的工程应用价值。

2 技术性能评估体系的建立

建立合理的港口大型起重机械的技术性能评估体系，对于准确的掌握大型起重机械的状态，加强对起重机的安全技术管理，有效控制起重机使用风险，减少各类事故的发生，降低人员伤亡和经济损失，具有重要的意义。为能准确地反映港口大型起重机的技术性能状态，其评估体系的建立，应遵循系统、全面、科学、可操作性等原则。

（1）系统性。目前，对起重机械技术性能的评估的研究，往往只局限于起重机械的金属结构或者安全防护措施，并不能完全反映整机状态。起重机械技术性能受到各个部件的影响，因此，评估体系的建立应综合考虑对起重机械技术性能产生影响的各个环节。针对港口大型起重机械的结构特点，参照起重机械定期检验、安装改造维修监督检验规则和相关的国家标准、行业标准等技术规范，将港口大型起重机械技术性能分为不同的部类进行评价。如图1所示，起重机械的部类可分为作业环境和外观、金属结构、主要零部件、安全防护装置、电控系统5个部分[1]。

图1 技术性能评估框架

（2）全面性。在技术性能评估中，对风险的识别是其重要的内容之一。风险的识别应包含所有可能存在危险的有害因素，正常工作状态下的危险有害因素要识别，检修状态及一些意外状态（如台风等恶劣天气）的危险有害因素也不能忽略。因此，在对港口大型起重机械进行上述部类划分后，还应将各部类分解成不同的检验项目，每个检验项目根据其特点及要求，由不同的要素来进行综合评定。检验要素就是港口大型起重机械技术性能评估的基础内容，其内容应覆盖全面，不仅应包含现行检验规范要求，还应参照其他国家标准和行业标准。

（3）科学性。不同的危险或有害因素，发生的可能性和可能造成的影响程度也是不同的，应本着科学合理的原则对其进行准确的描述。在建立大型港口起重机械技术性能评估体系时，对各风险因素综合考虑生产损失、安全影响、事故概率等级、整改成本等因素，可利用矩阵图法综合评定各因素的整改优先等级。

图2 风险识别体系

（4）可操作性。起重设备的技术性能通过各检验单项的评价综合得到，这个过程需要有一个科学、合理、可操作的方法进行。该方法不仅要能反映各部件的重要程度，也要突出缺陷（不符合要求项）对整机评估的影响。模糊层次分析法是建立港口大型起重机技术性能评估体系的重要方法，可实现从检验要素评价到整机评估整个过程。权重和计算方法是模糊层次分析法重要内容，通过无量纲化和同向化处理，将评价因素统一为0～1之间的指标，通过专家构权法分配权重，得到相应检验项目得分。部类的评价则可以通过检验项目的分值，通过单准则的AHP法得到权重值，并综合利用加权几何平均法得到。结合部件的价值比重，利用模糊综合评价法就可得到整机的技术性能评估值。

3 关键技术探讨

在港口大型起重机械中，金属结构的重量占整机重量的60%以上，金属结构一旦发生失效事故，后果往往很严重，会极大地影响作业，造成巨大的经济损失。一方面，起重机中金属结构件的寿命对整机的寿命有关键性的影响，另一方面，准确掌握起重机械的金属结构性能状态，也是港口大型起重机技术性能评估的难点之一。文中着重讨论在起重机评估中的几个关键技术。

3.1 应力测试技术

应力测试是利用检测仪器对受力结构的应力状况进行检测的一种技术手段，目前主要的测试方法有电测法、光纤光栅法、振弦式应变测量等[2]。在起重机评估中常用的是电测法，即利用电阻应变效应，在所需测试的部位布置一定数量的电阻应变片，测取、记录测点处应变值的大小。应力测试又分为静态应力测试和动态应力测试，主要目的是检测金属结构的强度、动刚度、动载系数等，也可作为寿命预估的数据采集方法。在起重机评估中，应力测试点的选择是应力测试的关键。通常应力测试点应选择：a）均匀高应力区；b）应力集中区；c）弹性屈曲区；d）结构尺寸突变处。对于在用起重机械，使用过程中易出现裂纹、腐蚀等缺陷的部位，也应作为应力测试点选择的重点。

3.2 无损检测技术

无损检测主要是通过一定的技术手段，对起重机金属结构的焊缝或母材可能存在的缺陷（如裂纹、气孔、夹渣等）进行检测，并进行定位和定性评价。常见的无损检测方法有射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤、声发射探伤及TOFD等。无损检测是起重机评估的重要手段，有利于发现金属机构潜在的、肉眼无法识别的安全隐患。无损检测时，应着重选择金属结构的主要受力构件及其连接部位，应力较大部位和腐蚀严重部位。

3.3 有限元分析

有限元技术是目前最常用的的数值模拟分析方法之一，目前著名的有限元分析软件主要有ANSYS、ALGOR、ADINA、NASTRAN、ADAMS等[3]。强度、刚度、稳定性等指标是对起重机金属结构进行技术性能评估的重要指标。现场检测是获取这些指标的重要技术手段，但这往往会需要很高的成本，并且有些指标很难或根本无法通过现场检测的方法实现，如部分破坏性的试验指标。而利用有限元技术，通过数值模拟，对起重机金属结构进行仿真计算，则可以以较低的成本得到高精度的评价值。如图3起重机结构强度分析有限元分析法所示。

图3 港口门座起重机强度分析

3.4 疲劳寿命评估

结构件在交变应力的反复作用下，经过一定的循环次数后，在起重机金属机构应力集中部位（如有缺陷的焊缝）萌生裂纹，裂纹不断扩展，最终导致金属结构突然断裂，这一失效过程称为疲劳破坏，对应的应力循环数就是结构件的疲劳寿命。通过采集结构件的交变应力，并对应力循环进行一定的处理和统计，利用疲劳损伤积累理论，结合设备已完成的工作量，就可估算该结构的剩余寿命。

图4 福建省特种设备检验研究院自行开发的寿命评估系统

4 总结

通过系统性、全面性、科学性、可操作性等四个方面分析了港口大型起重机械技术性能评估体系的建立过程。并讨论了应力测试、无损检测、有限元分析、寿命预测等技术手段在技术性能评估中的运用。为起重机械的技术性能评估提供参考。

[1]黄祥声.在用港口门座起重机评估与更新分析[J].起重运输机械,2014,（12）:68-70.

[2]李飞.应力测试结合无损检测在起重机金属结构安全评估中的应用[J].起重运输机械,2016,（5）:85-87.

[3]刘金，王新华，齐凯.有限元分析技术在大型起重机金属结构安全评估中的应用研究[J].中国水运，2013,13（10）:104-105,109.

Study on the Technical Evaluation of Large Harbor Crane

YUAN Zheng
(Fujian Special Equipment Inspection and Research Insititute,Fuzhou,350008,Fujian,China )

The large harbor cranes are the core equipments of port terminals. The accurate technical evaluation of large harbor crane has important signi ficance and high engineering value. The establishing of the large harbor crane technical evaluation is studied in the paper,and the technology of stress testing,nondestructive testing, finite element analysis and life prediction is discussed.

Harbor; Crane; Technical performance; Evaluation

2017-03-02

袁 征，男，福建省特种设备检验研究院，高级工程师