一种计入缺陷因素影响的起重机剩余工作寿命估算方法

钟鹏，朱凯（沈阳特种设备检测研究院，沈阳110034）

一种计入缺陷因素影响的起重机剩余工作寿命估算方法

钟鹏，朱凯
（沈阳特种设备检测研究院，沈阳110034）

应用断裂力学的理论，考虑在役起重机在使用过程中实际存在的缺陷因素，试探寻了一种对在役起重机计入缺陷因素影响的结构完整性的剩余工作寿命评估的方法，从而使对在役起重机剩余工作寿命的评估工作较目前无缺陷剩余工作寿命理论更为准确和科学。

小裂纹；剩余工作寿命；结构完整性；寿命估算；断裂力学

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.145

1 引言

目前，对于在役起重机剩余工作寿命的估算绝大多数采用许用应力法。这种方法是根据起重机设计时的理论工作级别参数，结合该起重机的使用时间和作业的实际工况，利用Miner疲劳损伤积累公式计算出来的“无缺陷剩余寿命”。显然，这种方法忽视了零部件内部和表面实际存在的缺陷因素，是一种理想状态的计算，存在准确度和实用性不高等缺点。那么，探寻一种可以计入在役起重机工作中实际存在的缺陷因素影响的剩余工作寿命的估算方法是十分有意义的。

2 基于断裂力学的结构完整性的寿命评估

2.1 概述

20世纪初，国际上发生了一系列重大的低应力脆断灾难性事故，促进了断裂力学的发展与理论研究。断裂力学理论认为，组成金属结构的各个构件或零部件内部和表面均存在裂纹等缺陷。在进行剩余工作寿命估算时，将这些实际存在的缺陷因素考虑在内的计算方法显然更为准确、更接近于实际情况。我们将这种计算方法称为“结构完整性剩余工作寿命评估”或“含缺陷剩余工作寿命评估”。

2.2 评估准备工作和条件

起重机剩余寿命的评估工作，无非是从经济性的角度评价起重机上主要受力结构件（如主梁或支腿）的更换或维修的行为。那么，结构完整性剩余工作寿命评估工作就应从主要受力构件的应力分析计算开始。（1）确定主要受力构件所受最大拉应力的位置；（2）确定该拉应力区域附近的过渡区域；（3）通过无损探伤方法掌握两区域内存在的缺陷的实际分布情况、形状和尺寸大小等信息，为进行准确评估奠定基础。通过查阅大量的国内外经验数据资料，根据国内探伤水平，将实际探伤面积增大为实际缺陷面积的2～3倍[1]。

在断裂力学理论中，夹渣、气泡、偏析等缺陷通常被折算成裂纹来考虑。我们将探伤后各缺陷按系数折算成裂纹，过渡区域中的其他缺陷折算成裂纹时，可适当考虑增大其比例系数。这样就可以得到裂纹半长ac的数值。将裂纹半长与计算出的裂纹尖端塑性区域尺寸半径rv比较，就可以判定裂纹所在位置的材料的屈服状态。在弹塑性断裂力学（EPFM）理论中，含缺陷构件完整性评估是通过裂纹尖端张开位移（COD或CTOD）或J积分的办法处理的。由于在役起重机主要受力构件的材料是确定不变的，其力学性能是可以通过查阅资料或实验来确定的。这样，系数K1（c材料的断裂韧度）或δ（c即COD的临界值）就是可知的，那么，裂纹的最大临界尺寸也是可以计算的。

2.3 理论计算及参数

成熟的结构完整性评估方法对含有缺陷构件的评定分为脆断评定、疲劳评定和其他破坏方式评定3种，寿命评估属于疲劳评定。一般情况下，寿命评估计算中被广泛采用的是用于在裂纹的亚临界扩展阶段使用的Paris公式。目前，在WEE/ 37、JWES和ASME等著名规程中也要求使用Paris公式进行疲劳裂纹扩展速率计算。而我国起重机的结构完整性评估工作尚未起步，在这种实验室所需软硬件基础条件不够完备的情况下，显然Paris公式最适于作为开展在役起重机结构完整性评估方法工作的基础。Paris公式实际上是疲劳裂纹亚临界扩展速率公式。其具体形式是[2]：

式中，a为裂纹半长；N为循环应力；C为所用材料常数，可由实验得出；ΔK为裂纹尖端应力强度因子的变化幅度（ΔK= YΔσ）。将上式积分后即得到剩余工作循环次数：

式中，C和m为所用材料常数；Δσ为应力变化辐度；ΔK为裂纹尖端应力强度因子的变化幅度；ac为裂纹半长实测数值；a0为裂纹半长按ASME规程简化计算后的数值；Y为弹性形变。

构件中内埋的、表面的和通透的裂纹缺陷的产生大致可分为裂纹的发生、稳定扩展和失稳快速发展3个阶段。疲劳裂纹亚临界扩展速率公式用于第二阶段。在第一阶段中，当工况处于最大载荷时，裂纹尖端处于应力场强度因子的幅度ΔK低于某一数值时，da/dN=0，即裂纹不发展，这个数值称为下门槛值，以Kth表示；当ΔK＞ΔKth后，裂纹快速发展到第二阶段，此时在da/dN-ΔK图上是一条斜直线，如果ΔK不变，则裂纹发展速率稳定不变，但是随着工作循环，裂纹在不断变长变大，当ΔK大到某一数值时，裂纹会发生失稳快速扩展，进入第三阶段，此时的ΔK值，被称为上门槛值，以ΔKt表示。此时，ΔKt几乎已经与材料的断裂韧度K1c值相等了。

前面提到的探伤后裂纹半长a0并不是探伤时构件缺陷原始状态的初始尺寸，它是通过探伤所得原始缺陷按ASME等规程进行简化计算得出来的。如果rv/a的值较小，大约在0.1以下，则应采用线弹性断裂力学（LEFM）加修正的方法计算。如果裂纹尖端rv较大，处于大屈服或全面屈服状态，则应按EPFM理论用裂纹尖端张开值δc进行计算。在式（2）中的计算，也要根据裂纹尖端的线弹性、小范围屈服、大范围屈服和全面屈服状态选择不同的公式。如果裂纹属于内埋或表面裂纹，还要将简化得到的a0进行当量化，转化为相当于大板中透裂纹相当的裂纹a¯0，再进行下一步计算。这是因为目前COD方法只有大板通透裂纹的解，如果直接用表面裂纹或内埋裂纹的a是无法计算求解的。

论文在进行结构完整性剩余工作寿命评估时，将裂纹按其受力状态分为受拉、剪切和撕裂3种，对应的应力强度因子分别定义为K1、K11和K111。将裂纹分布的位置分为大板中间通透裂纹、表面裂纹和内埋裂纹3种，在计算时，根据具体情况分别按断裂力学的理论进行。探伤位置的确定一般取在拉应力最大的位置和焊缝处，特殊情况下，例如，可视为几何瞬变系统的框架结构，也将在铰点的最外或最内边缘处予以重视。

综上所述，目前可知的主要参数有C、m、Δσ、Y、a0及ac，其中Y和Δσ用于表示式（1）中的ΔK参数，K（应力强度因子）和ΔK的取值求解过程，具有很好的独立性。要确定在役起重机的剩余工作寿命，需要确定该设备哪里最薄弱，缺陷的形状尺寸，材料的力学性能，实际工作载荷、工作状态及工作环境等信息，再应用断裂力学的理论进行计算。

3 结语

结构完整性剩余工作寿命评估作为一个较大的工作项目，要得到进一步发展，就需要从策略高度做一些长期性工作，如建立专门的实验室、在材料检测方面建立较为固定的服务关系、建立技术情报网络等，通过长期工作的经验积累，形成在役起重机评估工作持续发展的必要基础。结构完整性剩余工作寿命评估是数理力学研究成果在工程技术方面的应用。这种基于断裂力学的结构完整性技术在起重机方面的开展，将会使传统的材料力学设计和机械零件设计发展到损伤容限设计，从而使起重机的制造工艺得到进一步的改进和创新，使我国起重机工业出现新的发展。

【1】李庆芬.断裂力学及其工程应用[J].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1998(1)：72-75.

【2】伍颖.断裂与疲劳[M].北京：中国地质大学出版社，2008.

An Estimation Method of the Residual Life of Cranes,Which is Affected by the Factors of Defect

ZHONG Peng,ZHU Kai
（Shenyang Special Equipment Inspection and Research Institute,Shenyang110034,China）

This paper applied the theory of fracture mechanics,considering the exist defect factors of crane in service,try to explore an estimation method of the residual life of cranes,which is affected by the factors of defect,so that the crane in service remaining life assessment work compared with the currently no remaining work life is more accurate and scientific.

small crack; residual service life; structural integrity; life estimation; fracture mechanics

U653.921

A

1007-9467（2016）12-0105-02

2016-10-25

钟鹏（1978～），男，辽宁沈阳人，工程师，从事起重机检验检测及事故调查研究。