门座式起重机金属结构疲劳裂纹分析及修理方法
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[摘要]本篇分析了门座式起重机金属机构的疲劳微观裂纹的产生及扩展,并提出了裂纹相关的修理原则和方法具有较高的参考价值。
[关键词]金属结构;微观裂纹;扩展
[中图分类号]TF063+.7 [文献标识码]A [文章编号]1009-9646(2010)09-0092-02
湛江港三分公司是一个以门座起重机作为主要装卸机械的服务型企业,门座起重机能否安全作业对三分公司的重要意义就不言而喻。而作为门座式起重机的金属结构则是我们安全检查的重中之重。对于门座式起重机而言,金属结构微观裂纹的产生和扩展在我们实际工作中根本无法预防和监测。因为人们往往关心宏观裂纹的同时,却忽视了微观裂纹的存在,使得微观裂纹得以扩展而形成宏观裂纹,由此而引起门座式起重机产生严重的安全隐患。
在日常的检验中,我们对门座式起重机的检验重点是检查主要受力部件及其焊缝,确定结构的损伤部位,并寻找与损伤部位相关连的缺陷:
1 机脚法兰联接盘;
2 四门腿与大转盘联接处;
3 支撑圆筒受力处;
4 旋转减速箱下支承盘;
5 巴杆上、下铰点;
6 象鼻梁与大拉杆铰接处及滑轮座;
7 巴杆主要受力部位及应力集中点
8 小拉杆转角处
不难看出这八个主要金属结构的检查最难发现的就是裂纹,裂纹造成的危害极大,能引起起重机臂架折断、圆筒整体断裂、滑轮支座整体裂开掉下等恶性事故。三分公司曾经发生过臂架折断、象鼻梁上滑轮座掉下等重大事故。
为此,笔者针对性地研究疲劳裂纹的扩展因素以及相应的裂纹修理方法。
一、疲劳裂纹的扩展
对于宏观裂纹尺寸,其扩展只取决于整体的工作性质和条件,而不是某个局部的性质和条件。正如静态加载裂纹一样,在扩展的疲劳裂纹尖端处也存在塑性区,这些塑性区的存在对裂纹的扩展也会产生重大影响。此外,环境也是影响宏观裂纹扩展的一个重要因素。
对于疲劳微裂纹扩展而言,关键在于裂纹从初始尺寸扩展到最大尺寸的允许值是多少,此时结构恰好能避免破坏。因此,疲劳裂纹的扩展可用三个参数来描述,即初始尺寸、最大允许裂纹尺寸及裂纹扩展周期来描述。其中无损检测技术能可靠测得裂纹的最小尺寸,它并不一定等于初始裂纹尺寸,而是取决于采用何种无损检测技术。在原理上能用线弹性断裂力学或弹塑性断裂力学来确定,以便预示裂纹失稳断裂的开始。
二、焊接结构断裂因素分析
对门座起重机这样的大型焊接结构,引起其脆性断裂的因素很多,包括温度、材料韧性、焊接工艺、残余应力、疲劳、约束等。但断裂力学认为,本质上有影响的因素只有三个(其它因素只是影响到这三个因素),即材料韧性、裂纹尺寸和应力水平。
1 材料韧性的影响。材料韧性对焊接结构的影响较大,不同材料的韧性其强度、脆性及抗塑性变形的能力不同,对焊接结构产生的影响也不同。
2 裂纹的产生及裂纹尺寸。焊接结构在制造时总会存在一些缺陷(外观缺陷、气孔及夹渣、裂纹、未熔合、未焊透、过热或烧穿等),而脆性断裂总是从各种形式的细小缺陷开始,经过疲劳和应力破坏就可能扩展到临界尺寸引起结构的断裂。
3 应力水平的影响,应力破坏是引起脆性断裂的必要条件,许多结构的断裂很多都是由应力破坏造成的。我们需要结合环境及应力因素综合分析,确定各应力的大小,判断应力对结构的影响,并预测结构对脆性断裂的敏感性。由此可以定量评价结构的安全性和可靠性。
三、裂纹易产生的部位
门座起重机的裂纹主要产生在焊缝区(母材或者焊缝本身)结构截面转折区或焊缝应力集中区、重载突变部位。对于这些部位,我们必须要加强检查和监测。如表所示是起重机容易产生裂纹的部位及可能出现的问题。表格如下。
1 在裂纹长度不超过被损伤构件截面尺寸的5%以上时,应尽可能不采用焊接方法进行修理,因为焊缝的存在可能使应力集中系数急剧增大,而推荐使用钻止裂孔的方法。在对裂纹状态进行周期性观察的条件下,可能会发现不用对裂纹再予以补焊就能使裂纹停止扩展。如果在周期观察时发现裂纹端部在继续扩展,并超出止裂孔的范围,那么起重机应停止工作。直到采取适当的修复手段消除裂纹的继续扩展为止。
2 在可能的情况下,应尽可能采用对接焊缝。但对于型材,如果采用直接对接的话,有较大的应力集中,因此不推荐采用直接对接方式。在采用对接焊缝进行修理时,如果原有焊缝是经过打磨处理的,则推荐修理后该处也进行打磨处理。焊接时要求坡口形状和间隙符合有关国标或者国标中对接焊缝的要求,并应在修理方案图纸上标注引出垫板的所有尺寸(如果需要引出垫板的话)。如果不需要打坡口,则用于对接的两块板厚度差也应符合有关标准的要求。
3 角焊缝一般在焊缝表面上应具有凹或平整的截面形状,角焊缝的高度a不应超过0.7s(s为用角焊缝联接的两块板中较薄板的厚度)。如果s>1.5a,允许采用两面角焊缝,否则两焊缝之间的距离应满足L>2s。
4 对于箱形截面构件如大巴杆,腹板和翼板的局部加强不允许采用焊接垫板。
5 允许采用焊接垫板整体加强梁的翼板的型材截面杆件。
6 在借助于嵌入物的方法更换被损伤段时,沿封闭裂口的对接应采用塑性较高的焊条(可略低于母材强度)。对没有扩展到外边缘的疲劳裂纹构件的修理,应采用沿裂纹的端部钻孔方法,以防止应力集中作用扩大裂纹;同时用反向焊补的对接焊缝施焊或者焊缝沿裂纹深度整个焊透的单面焊接的方法完成,在焊补裂纹时被钻的孔不补焊(如果需要密封,止裂孔可用油灰填充)。如果条件限制不能按上述方法实施。则作为例外,允许用角焊缝的垫板覆盖。此时,焊缝可以不焊补,但必须在焊缝端部钻孔。
7 在焊接过程中,要尽量减少内应力的产生。当焊修较长的裂缝,需要以一端连续焊到另一端时,在焊修进行中,趁着焊缝和堆焊层在炽热的状态下,用手锤敲打,这样可以减少焊缝的收缩和减少内应力;焊接前,将需要焊接的部位进行预热,并在焊接过程中,防止该部位急剧冷却;焊接时,可以在裂纹两端钻止裂孔,以防焊接过程中。裂纹进一步扩展。
8 焊接时要减少和防止变形的产生。在焊接时对焊接部位进行预热,并利用反变形法和夹固法等方法预防焊接变形的产生,同时合理选择焊接规范,尽量减少焊接部位的变形及焊接应力的产生。
焊接时各种焊接缺陷不可避免的要伴随产生,但我们要尽量避免这些缺陷。例如我们可以选择合适的坡口、合适的焊接速度、合理的焊接角度、焊前对焊条及焊区进行必要的处理、选择合适的焊接规范等,这些举措能帮助我们尽量减少焊接缺陷的产生。
通过对上述修理方法及焊接工艺的应用,门式起重机金属结构的疲劳裂纹得以较好的修复,使其具有较高的使用价值。
参考文献:
[1]徐灏,疲劳强度[M],北京:高等教育出版社,1988
[2]中级电焊工技术/机械工业职业技能鉴定指导中心编,北京:机械工业出版社,1999,4