应用应力检测技术检验起重机的承载能力

张燕军

（运城市综合检验检测中心，山西 运城 044000）

通过应力检测技术，可得出起重机设备的应力结构及受力区域，以应力数据为依据间接了解起重机的承载能力，继而判断起重机受力区域强度是否符合《起重机设计规范》（GB/T 3811—2008）。为确保起重机能够在使用期间安全运行，避免出现安全事故，应定期检验起重机承载结构受力情况，以此保障起重机性能。

1 起重机承载能力检验标准

在《起重机械安装改造重大修理监督检验规则》（TSG Q7016—2016）中，对起重机主梁强度检验提出了标准，指出可采用额载试验测量的方式，了解起重机主梁结构的下挠度参数，或设置1.25 倍静载实验，用于检验起重机主梁结构裂纹状况及塑性形变情况[1-2]。起重机设计制造体系现已完善，通过额载试验测量与1.25 倍静载试验所得出的结果均符合要求，为精准了解起重机主梁结构的承载能力，需结合其他检验办法，结合经验测试及现有资料，发现可借助应变测量技术检验起重机设备的应力数据，通过应力数据间接得出起重机的承载能力情况。

2 起重机承载性故障问题分析及应力测量

2.1 故障表现

为了解应力检测技术对于起重机承载能力的检验效果及检验要点，选择一台LY300/50-28A7 型号起重机设备进行检验，该起重机主要负责吊运熔融钢水，主钩、副钩的额定起重量分别为300 t、50 t，设备跨度参数为28 m，A7 工作级别，经长期高频重载运行后，在起重机主梁结构位置产生了诸多裂缝。结合起重机实践应用情况来看，起重机需吊运约260 t的熔融钢水，吊运质量为87%的额定起重量，属于重载运行，同时为满足工作所需，该起重机设备需持续24 h 运行[3]。上述吊运任务为该起重机设备的日常工作载荷，除此之外，该起重机还需每月吊运两次重达100 t 的冶炼炉，冶炼炉与熔融钢水重量之和已达吊重额载，吊运负载进一步提高。该起重机设备出厂并投入使用的时间为2007 年，起重机主梁为主要承载部位，主梁呈偏轨箱形梁结构，主梁上盖板与主腹板之间焊接相连，角焊缝呈K 形坡口[3-4]。结合上述信息可见，起重机生产时间较早，主梁上盖板与主腹板连接时，并未采用当前应用最为广泛的T形钢。

2.2 故障分析

经长期高频重载运行，起重机承载部位所遭受载荷较重，现已在K 形坡口角焊缝部位产生裂缝，且上盖板与主腹板间的三角加强筋区域同样有裂缝出现，两个部位的裂缝均为纵向裂缝，沿跨度方向，且裂缝均匀分布。起重机裂缝问题将会带来极大安全隐患，容易导致安全事故的发生，故在日常运行检查中发现上述裂缝问题后，立即邀请具有维修资质的机构进行处理，同时申报重大维修检验。该起重机维修结束后，按照《起重机械安装改造重大修理监督检验规则》（TSG Q7016—2016）要求对该起重机主梁吊运挠度进行检验，发现起重机挠度参数符合标准，故得出主梁承载结构刚度参数符合标准的结论，为进一步了解裂缝处理后的起重机主梁结构承载能力，决定采用应力检测技术，对起重机主梁吊载危险截面进行检验[5]。为便于检验分析，按照图1 示意图情况设置检测点，其中日常吊运载荷工位为截面A、截面C，主梁跨中对应截面B，截面A、B、C为非电气侧主梁检测点位，而电气侧主梁检测点位为截面D、E，如图1 所示，截面D、E分别与截面B、A对应。

图1 主梁结构应力检测点示意图

2.3 应力测量

完成应力检测点设置后需确定试吊载荷，在本次应力测量工作中，将试吊载荷定为两种规格，即290 t、100 t。在正式检测并采集数据前，对应力检测各通道的连接情况进行检验，同时清零现有数据，开启数据采集系统，使主梁结构呈南北方向巡回两周，完后巡回运行后将试吊载荷放下，在此期间，数据采集系统将会记录主梁结构在整个运行过程中的应变数据。

2.4 应变数据

对数据采集系统所得应变数据进行分析，得出测量期间各应力检测通道的应变数据，在100 t 荷载下的应变数据如表1 所示，290 t 荷载情况下的应变数据如表2 所示。在表1、表2 中，应力为应变数据与弹性模量（206 GPa）的乘积，（A～C）1、（D～E）3为危险截面的载荷弯矩压应力；（A～C）2与（D～E）1为垂直轮压应力；（A～C）3为载荷弯矩拉应力。

表1 100 t 荷载下的应变数据

表2 290 t 荷载下的应变数据

结合表1、表2可见，在290 t吊运荷载检测期间，在非电气侧截面B主梁跨中部位检测出了1 313 的最大微应变，此时该部位所承受到压应力为270.3 MPa。结合《起重机设计规范》（GB/T 3811—2008）计算起重机额载许用应力，得出额载许用应力为233 MPa，而通过应力检测技术得出的应力数值为270.3 MPa，高于额载许用应力，故可判定，该起重机主梁结构不符合强度设计要求。根据非电气侧截面B的应变数据绘制应变曲线，发现载荷弯矩拉应力、压应力、轮压数据在荷载条件下表现出同步变化特征，即当截面B遭受外部压力时，上述应力同时增大[6-7]。

应力检测人员对该起重机完成应力检测并分析出主梁结构承载力隐患后，将检测结果立即告知相关人员，为避免该起重机在后续工作运行中引发安全事故，故再次邀请具有起重机修理资质的机构，二次修理加固起重机主梁结构，此时根据应力检测数据结果，重点对非电气侧的跨中部分进行加固处理。

3 起重机承载能力应力检测结果分析

起重机共经过两次应力检测，当完成第一次应力检测后发现起重机主梁跨中部位存在较大安全隐患，导致起重机承载能力不达标，此时按照应力数据进行针对性加固维修，并再次展开应力检测，发现再次加固维修并未起到良好效果，主梁跨中部位仍存在较大应力，承载能力仍不符合标准，且存在一定下降现象[8]。

对应力数据展开深入分析，发现出现上述情况的原因主要包括以下几点：第一，在首次裂缝修理时采用的焊接修复方法，但受限于焊接条件，导致裂缝处理无法达到起重机主梁生产制造时的标准，此外，完成裂缝焊接处理后，尚未采取去应力措施，致使焊缝内残留较大应力，继而影响了起重机主梁结构的承载能力。第二，案例起重机设备工作级别较高，且长期处于高频重载运行状态下，但在起重机实际运行期间，无法从设备结构外观及使用过程中察觉到主梁结构承载区域的变形情况，因而埋下了质量隐患。第三，完成裂缝焊接修复处理后，采用表面渗透无损检验技术及超声无损检测技术检验焊缝时，尚未发现焊缝存在裂缝，但结合材料结构展开分析，完成焊接后，焊缝材料与结构原金属并非同一种材料，两种材料之间具有组织不连续性，继而形成了材料性能差异，并对起重机整体承载能力产生负面影响。第四，起重机长期高频重载运行，在主梁结构上出现了疲劳裂纹，随着起重机的长期运行，主梁疲劳裂纹不断延伸，在主梁金属结构内部造成了缺陷，因此降低了主梁结构刚度，当主梁结构发挥其承载作用时，其所遭受的形变量将会进一步加大，加剧疲劳裂纹及组织缺陷。由此可见，对起重机主梁裂纹进行修复加固并无法从根源处解决刚度与承载力下降的问题，当起重机出现主梁裂纹后，应通过应力检测技术明确主梁结构应变情况，以应变数据为依据及时更换主梁结构，以此避免无效维修加固造成不必要的支出，减少成本且有效提高起重机承载能力[9]。

4 提高起重机承载能力的有效措施

在上述起重机结构中，引发主梁疲劳裂纹的主要原因在于起重机长期高频重载运行，故为延长起重机寿命，保障其承载性能，首先需合理规划起重机的持续运行时间及吊运载重方案，尽可能抑制主梁疲劳裂缝的出现。根据上述起重机两次应变检测情况，通过更换主梁结构的方式提高了其承载能力，在此基础上，对提高起重机承载能力的方式进行思考，主要得出以下结果：第一，重视起重机承载结构在日常运行使用过程中的实际承载力，定期通过应力检测了解起重机应力形变情况，并注意计算起重机的疲劳抗力。第二，进一步提高起重机各类金属结构的抗形变、抗锈蚀能力，从金属结构角度保障起重机承载性能。第三，根据起重机工作级别及设备承载性能设置荷载限制阈值，并在起重机内安设起升荷载限制器，当起重机吊运荷载超出阈值时将会停止警报，提醒操作人员注意控制荷载质量，若吊运荷载远超阈值或存在运行隐患，起升荷载限制器将会控制起重机停止运行，以此避免安全事故的发生。第四，对起重机承载结构进一步优化，完善运行传动装置，通过调整优化起重机整体结构来减少荷载，以此提升起重机承载能力[10]。

5 结语

综上所述，起重机长期运行使用可能会出现裂缝等问题，对起重机承载能力造成负面影响，案例里的起重机设备经历两次应力检测分析，根据应力数据分析发现，起重机在长期高频重载使用后容易出现疲劳裂缝[11-14]，且此时采用补焊加固方式进行处理将不会产生良好效果，仍会影响起重机设备承载能力。针对该现象，应根据应力检测结果及起重机受力区域，科学更换主梁结构，防止无效维修造成额外成本。