港口起重机构件裂纹失效研究

杨娜 石瑾 尼玛扎西

摘 要：我国海域辽阔，岸长水深，海岸线长度为1.8万公里，十分利于水运行业的发展。而其最重要的设备就是港口装卸起重机，其可实现库场堆码、转运和拆垛等。本文对港口起重机构件的研究现状进行了简要的介绍，对构件裂纹的安全性评价进行了研究，并指出了今后该领域的研究现状。

关键词：港口起重机；裂纹；安全性评价

中图分类号：U653.921 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）08-0055-02

1 引言

众所周知，我国海域辽阔，岸长水深，海岸线长度为1.8万公里，十分利于水运行业的发展，而水运的最大优势就是运量大，运费低。随着经济全球化的不断深化和我国对外经济的快速发展，新港口的建设成几何量级增长。而港口内最重要的设备就是港口装卸起重机，其可实现库场堆码、转运和拆垛等。我国港口起重机经过十几年的发展，已经可以独立自主的研制各类型港口起重机，满足国内对起重设备的需求。

1975年，我国首次颁布了港口起重机的基本参数，1983年颁布实施了《起重机设计规范》，于2008年实施了新版的《起重机设计规范》。港口起重机具有间歇性的工作性质，其作业时通常周期性重复一个循环动作。港口起重机分为桥架型和臂架型两类：桥架型包括岸边集装箱装卸桥和桥门式起重机等，臂架型包括集装箱正面吊和门座起重机等。

起重机虽然种类繁杂，但基本结构只有三种：金属结构、工作结构、动力装置与控制系统等。而金属结构最为关键，作为起重机的支撑构架，不仅用来支撑其自重，而且还用来支撑外部载荷。港口起重机构件一旦出现裂纹，其短期内不一定会造成事故，但长期工作下必然会引发事故，因而港口起重机构件出现裂纹时必须引起足够的重视。

2 构件裂纹研究现状

港口起重机的工作载荷大，且为交变载荷，作业条件恶劣，因此在大多数情况下，港口起重机基本都是在构件存在缺陷的情况下工作。早在1997年，我国学者对港口起重机发生事故的原因进行了调查统计，统计结果显示：起重机金属结构故障八成以上是由于其存在裂纹引起的，裂纹的存在已成为起重机安全使用的最大威胁。以门座起重机为例，其金属构件的重要部位全部发现过裂纹，裂纹长度从几厘米到几百厘米不等，而且起重机在运行10年左右，其金属结构重要部位就会产生宏观裂纹。以深圳港口的54台门座起重机为例：其中有27台的主臂腹杆出现弯折断裂现象；有10台人字架、平衡梁和臂架等承载部位出现开裂现象；有23台转柱的门腿与回转支撑滚道链接焊缝下侧出现裂纹，最长的有70厘米；70台流式起重机支腿部位存在裂纹。这些裂纹的存在足以表明：起重机承载部件最重要故障为裂纹[1]。由裂纹的存在引起的事故极大的制约了港口的安全生产，严重时会造成人员的伤亡。但是，起重机只要出现裂纹就对相关部件进行更换，也是不现实的，这牵涉到两方面的问题：其一是港口起重机的吨位较大，更换成本很高，其二是即便存在裂纹，也不代表马上就会出现事故，通过其它方式如维修、定期巡检等可以使其继续服役。

某港口的门座起重机在对小块铸铁进行卸载时，其空斗在下降过程中，臂架变幅处出现弯折变形，导致拉杆弯折变形、象鼻梁掉进了船舱。此次事故原因为：存在于臂架处的裂纹进行了扩展，导致纵向筋板弯曲，加强筋失效，失去作用而造成臂架失稳[2]。2010时，某起重机在吊运一根8吨重的钢棒材时，出现整机坠落事故，后分析事故原因时认为：在超负荷交变载荷的作业条件下，基础螺栓产生了疲劳裂纹，随着疲劳裂纹的不断扩展，其工作界面逐渐减小，应力逐渐增大，导致裂纹加速延伸，剩余有效承载面积不能够支撑载荷时，就发生了瞬时断裂。

港口管理员必须高度关注两个问题：重要部件带有裂纹缺陷是否影响到了港口起重机的连续性作业？裂纹达到多大时，必须进行维修？时刻注意这两个问题，可以有效的减小由裂纹造成的事故的发生。

对港口起重机的母材上的裂纹来说，目前已能够对其服役寿命进行相关的计算，依据该计算可以制定相关的巡检周期，并对裂纹的大小进行监控。同时裂纹达到一定的长度时，可通过多种维修手段对其进行维修。但是对于港口起重机焊缝处的裂纹，目前为止并没有相关计算公式，还有待后人进行研究。

3 裂纹安全性评价

工程上对于港口起重机裂纹的研究，可分为三个方面：裂纹的检测；裂纹的维修与处理；构件存在裂纹的安全性评价。

3.1 裂纹的检测

构件中如果存在裂纹，其在低于额定载荷的情况下也会发生断裂[3]。因此，对于港口起重机这类大型设备，及时的发现裂纹的存在并采取相关的措施至关重要。裂纹的检测通常依靠无损探伤等，当然也可通过新兴的手段进行检测。

常规无损探伤包括：磁粉检测、超声波探伤、射线检测、液体渗透等。虽然这些检测手段都相对成熟，但是也存在很多的局限性。新兴的检测技术有涡流检测、导波检测、声发射检测和红外检测等。其中，声发射检测技术功能强大，声发射装置所需的能量由被检测物体提供，而非由无损检测设备提供。声发射检测技术的优势在于，由于Kaiser效应的存在导致声发射检测技术能够动态的检测裂纹存在的情况，而静态的裂纹则不能显示出来。目前声发射检测技术的应用范围非常的广发，包括石油化工、建筑、电力、航空航天、铁路运输等国民经济的各个领域。

3.2 裂纹的维修与处理

对于修复结构件上已存在的裂纹，使其恢复原有的结构性能，这类研究相对较少，没有形成系统的理论，大多數是凭借一线的工程技术人员的维修经验。对于存在裂纹的港口起重机，港口管理人员通常是通过降载使用、定期巡检和定期修补进行处理的。

银建中[4]等人对“人工楔块”的作用机理进行了系统的介绍，楔块导致P=0时的裂纹尖端的张开位移不为零，即存在一个预张开位移，这样在后续载荷的作用下，能够显著的降低疲劳裂纹的扩展速度。所谓的“人工楔块”是指在构件受到载荷的情况下，裂纹张开，将粘结剂注入裂纹的尖端，待粘结剂固化后随即卸载。赵章焰[5]研究了裂纹尖端的应力应变场，提出了新的维修裂纹的方法，其核心思想就是消除裂纹尖端存在的奇异性。

3.3 构件存在裂纹的安全性评价

工程上依据裂纹的不同受力情况，可分为三种情况：张开型、滑移型和撕开型。其中，张开型裂纹最为危险。在实际的工程问题上，构件受力是非常复杂的，多形成复合型裂纹，这就要求工程技术人员将复合型裂纹看成张开型裂纹，不仅可以将问题简单化，而且这种处理方法安全系数高。

对裂纹的安全性进行评价，需要有足够的财力、人力、物力的投入，因而只能在一些高端的领域内进行，如大型承压设备、航空航天、国防武器等领域。在上述领域已形成了相关的法律或行业标准。

当前的安全性評价主要存在两种思路：一是剩余强度评价方法，通过对裂纹进行测定，获得其长度值，进而通过计算得到其在当前载荷下的极限裂纹尺寸，为维修、更新等提供理论参考。而是剩余寿命预测，主要是为定期巡检提供理论依据，其方法是通过现有的裂纹尺寸，结合当前设备工作情况，计算其剩余的运行时间。

在大型的机械承载设备领域，有一系列的标准、法规。在实际的工程应用中，通常依据裂纹前端的应力应变场来计算应力强度因子，再根据断裂准则计算出极限裂纹长度，随后进行积分求解，最终求解出设备能够承受的载荷循环次数，用以确定巡检周期。

4 结语

本文就港口起重机的事故故障情况进行了调查研究，得出了裂纹是导致港口起重机构件失效的基本结论。港口起重机构件存在裂纹时仍可继续工作，但裂纹会生长，这就要求研究者对裂纹进行安全性评价。港口起重机母材上的裂纹机理已经研究透彻了，但尚未有学者对焊缝处的裂纹安全性评价进行系统性的研究，这是未来重点发展的方向。

参考文献

[1]赵章焰.起重机金属结构故障分布及分析[J].水利电力机械，1998，（03）：35-36.

[2]陈本瑶，徐连荣，冯建平，等.一个港口固定式起重机整体倾覆事故的分析[J].起重运输机械，2011，（9）：80-82.

[3]吴宁祥，谢里阳，由美雁，等.裂纹检测的结构动力学方法研究进展[J].机械制造，2006，（12）：56-60.

[4]银建中，王炎炎.压力容器疲劳止裂技术—“人工楔块”止裂方法的研究[J].化工机械，1997，（03）：139-142.

[5]赵章焰，孙国正.金属结构裂纹维修的矩阵表达方法[J].起重运输机械，2003，（03）：7-8.