桥式起重机金属结构状态检测及养护措施研究

许跃骞

厦门嵩屿集装箱码头有限公司工程技术部，福建 厦门 361026

1 引言

桥式起重机(简称岸桥)是现代化工业生产不可或缺的重要设备，常用于港口、码头、工厂和建筑工地等人群密集场所，同时其承受的载荷大、移动的范围广，从而对于岸桥的结构可靠性要求很高[1]。随着岸桥使用时间的积累，起重机必然会存在着安全隐患，而起重机金属结构作为岸桥的重要主体部分，其直接关系到起重机的安全运行和整机的使用寿命[2]。因此，需要对岸桥金属结构状态引起足够的重视，现从几何刚度、动载强度以及疲劳裂纹出发，对其金属结构状态进行检测，并介绍了有效的护养措施，加强对岸桥金属结构的修复和护养。

2 桥式起重机金属结构状态检测

岸桥由桥架、大车运行结构和小车起升以及电气设备等组成[3]，图1 为岸桥样机外观。依据现有的设计规范与检测标准（《起重机械安全规程第1 部分总则(GB 6067.1-2010)》、《起重机试验规范和程序(GB/T 5905-2011)》、《岸边集装箱起重机(GB/T 15361-2009)》、《岸边集装箱起重机安全规程(GB/T 21920-2008)》、GB/T 26951-2011《焊缝无损检测磁粉检测》、GB/T 26952-2011《焊缝无损检测焊缝磁粉检测验收等级》、GB/T 11345-2013《焊缝无损检测超声检测技术、检测等级和评定》、GB/T 29712-2013《焊缝无损检测超声检测验收等级》)对岸桥检测内容进行归纳与总结，并结合实际的工程运用，提出岸桥金属结构状态检测方式，其包含以下几个部分。

图1 岸桥样机外观图

2.1 主要构件几何刚度检测

主要构件几何刚度检测包括前臂梁上拱度、门框下横梁水平度、前臂梁与主梁下挠位移、门架轨距、小车轨道高低差以及大梁上静刚度等，对于岸桥金属结构的要求是其受载时产生的变形在允许范围之内[4]。

1)前臂梁对中度及旁弯度检测是为了考察其此时的几何形态状况，在前门框和前臂梁上设置10 个测点进行检测，具体如下图2 所示：采用全站仪坐标法测量，在空载工况小车位于停车位（后门框处），记录测点相应的坐标值，将测点坐标导入三维分析软件中，进而得出前臂梁对中度及旁弯度指标。

图2 对中度及旁弯度测点布置

2)门框下横梁水平度检测主要是为了在考察门框几何状态现状的同时，也为可能出现的结构故障提供一定的数据基础；根据一定的现场情况，在下横梁上翼缘选择特征合适的测点，测点布置如图3 所示：采用全站仪高度测量法，进行直接测量，当岸桥处于空载时，记录各测点处高度数值。

图3 水平度测点布置

3)前臂梁与主梁下挠位移检测主要是在动载荷作用下，通过前臂梁与主梁下挠位移的大小来评估前臂梁与主梁的刚度情况，采用全站仪高度法测量方法：在空载工况下，以主梁后铰接点为零点，每隔2m-3m 设一个检测点，并对称设置14 个检测点；记录每个测点的初始高度值，然后小车起吊额定荷载，依次行走到主梁面测点1、3、5、6 和7，分别记录对应截面上测点的高度，下挠位移测点布置如图4 所示。

图4 下挠位移测点布置图

4)门架轨距检测是为岸桥大车行走提供一定的数据基础，一般选取能表征轨距的大车台车第一级平衡梁与门腿连接轴内侧的中心点进行测量，具体如图5所示：依靠全站仪坐标测量法对轨距进行测量。

图5 基距、轨距和对角线测点示意图

5)岸桥前臂梁主梁振动检测主要是为岸桥可能出现的结构故障提供一定的数据基础，一般通过模拟岸桥在正常作业情况下，进行起吊额定的载荷，在主梁与前臂梁的工作位置做上升制动与下降制动的操作，并及时记录振动数据，采用测振仪进行检测，记录测点的振动加速度量，具体布置检测点如图6 所示，其中测点信号通道号1-1 →X 向速度；信号通道号1-2 →Z向速度。

图6 振动检测点位置图

5)小车轨道高低差测量时，小车停在正常的停车位置，水准仪校零，同时也以主梁后铰接点为零点，每隔2m-3m 设置一个测点。同时检测岸桥小车轨道高低差之前先对岸桥所在位置的大车轨道的轨顶高高低差测量；依次测量数据可以分析小车的运行状态，对于调整小车啃轨现象可提供一定的参考。

6)大梁上静刚度检测旨在检测岸桥主要构件上关键受力部位和较大应力点在额定载荷静态作用下的应力状况，以进行结构的强度核算和安全性能评估；在主要金属结构件前臂梁拉杆、梯形门框斜撑杆等处布置应力测点，依据应变计电测法来测试结构应力值，测点在20 点左右；测试工况及测点位置依据桥吊的具体特征和检测经验来确定。

2.2 结构动载强度检测

结构的动载强度检测是在静载强度检测的基础上进行，主要为了试验工况下，检测主要承载结构件承受动态载荷的能力。一般选择在结构静载应力测试中应力值较大、波动也较大，且能代表岸桥主要工作结构的测点作为动载应力检测点，进而选取A1、C2 测点作为动载应力检测点。图7 为岸桥应力测点布置图，同时对于岸桥的外观也需进行合理检测及测量。依据检测点处的动载应力最大值、稳定值、应力对比值进行岸桥结构的动载强度核算和安全性评估。

图7 岸桥应力测点布置图

2.3 局部焊缝检测

采用无损探伤设备或者技术对岸桥金属结构的局部焊缝易发生裂纹处进行抽查无损探伤检测，进而确定发生焊缝裂纹的位置、裂纹的长度以及裂纹发展的态势，图8 为钢结构焊缝示例图。

图8 钢结构焊缝示例图

对一般部分的构件本体和构件间焊缝采用目测检查，而关键部位的焊缝则采用磁粉探伤检查加超声波探伤检查，对焊缝检测长度取为200mm。在计算疲劳焊缝裂纹剩余使用寿命时，需先确定初始裂纹长度和失效裂纹长度，在实际的工程项目中，一般情况下将焊缝缺陷引起的微小裂纹作为疲劳裂纹的初始的裂纹，长度约为0.5mm ～2mm 之间，所以可取为0.5mm；通过材料的断裂韧性计算获得失效的裂纹长度。参照现有的检测标准(《焊缝无损检测焊缝磁粉检测验收等级(GB/T 如图 26952-2011)》、《焊缝无损检测超声检测技术、检测等级和评定(GB/T 如图 11345-2013)》)，失效裂纹长度一般可取70mm ～120mm，考虑到岸桥的实际工作状况中所能承受的应力范围，建议设为120mm。

3 桥式起重机金属结构的护养措施

1)对于岸桥金属结构焊缝产生的裂纹，为了防止裂纹向四周的扩张，需要对其进行修复。所采用的主要方法就是补焊，所采用材料是与金属结构相接近的原材料，同时需要对裂纹处进行打磨和清除，再进行补焊操作[5]。如果岸桥服役年限较长而出现了明显的结构疲劳、刚性减弱等问题，科学合理地对原金属结构进行加固或者进行必要的更换。

2)在实际的工作中，需要及时地做好金属结构的维修护养工作。岸桥设备长期暴露在潮湿、海洋、日照等恶劣自然环境中，在没有任何有效的防护措施下，会造成金属结构形成锈蚀以及发生形变和应力变差等问题。因此，需要定期对岸桥金属结构进行反复防锈的保护，涂上防锈漆以及保持周边环境清洁。目前设备油漆涂装采用富锌底漆涂料、厚浆型中层漆涂料和面漆涂料的配套组合；同时采用局部油漆修补和日常巡视检查动态相结合的方式进行。

3)在日常生产过程中，需要加强对设备的维修保养检查，制定完整的检验制度。在安全的检查过程中，严格依据检验制度进行相应的检查。对于一般性的金属结构部位的修复，可以通过目检方式，而对于焊缝的补焊修复，则采用磁粉加超声探伤进行检验，在检验合格后方可投入使用。

4)在岸桥使用过程中，一定要严格遵循使用规范，不能使起重机机械超负荷工作，在作业频率上进行有效的控制，使机器能够进行合理的修整和休息。与此同时也需要不断地提升相应管理人员在这方面的认识[6]，注重对岸桥的护养。

5)对岸桥金属结构的安全评估设定指标，依据指标方法进行量化，量化评估可分为0-60 和90-100 五个等级，大于60 的量化阶段为安全范围，依据金属结构裂纹的张开型与滑开型来评估裂纹值，而几何刚度的评估值则是依靠数据的线性映射来反映[7]，其中评定指标为1 级是岸桥金属结构安全，在周期过后，对其进行相应的维护与修理；2 级则是相对安全，采用的措施与1 级同样，3 级则是岸桥金属结构处于了临界安全的情况，少数的指标是临界状态，4 级则是岸桥金属结构不安全，需尽快进行相应修复，并进行项目复查，最后一级是岸桥金属结构很不安全，多数的指标达不到规定要求，必须马上进行修理。在对岸桥起重机的风险进行消除后，则对其重新进行金属结构安全评价，进而达到安全指标。

4 总结

桥式起重机是港口、码头、工厂和建筑工程等地方重要的作业机器，它能有效地促进作业的高效进行及安全性。本文从三大部分几何刚度、动载强度以及疲劳裂纹出发，提出岸桥金属结构安全检测方案以及相应的安全许可范围；然后介绍了有效的护养措施。加强对岸桥的金属结构修复和护养，对于设备的正常运作、延长岸桥使用寿命及减少维修费用都具有十分重大的意义。