码头重型轨道连接缝断裂原因分析与对策

程大庆，虞学明，顾津玮，黄明俊

（1.营口港务集团有限公司，辽宁 营口 115007；2.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

引 言

港口码头起重机大车行走轨道是由一根根 12 m长的单根标准钢轨连接而成，两根钢轨之间必然存在接头，接头主要有两种型式，一种是焊接接头，一种是伸缩缝接头。焊接接头主要是将两节标准轨焊接成整体形成无缝钢轨，一般采取现场铝热焊或电弧焊焊接工艺进行连接。伸缩缝接头是根据钢材热胀冷缩和焊接工艺的影响确保长轨温度变形而设置一种接头，是一种结构性接头，接头设置的间距受接头型式、环境温差等因素影响，目前国内外设计规范主要有平接头、斜接头、Z字形接头和凸字形接头等接头型式（图1）。随着码头向重型化、大型化、自动化的发展，码头起重设备的额定吨位越来越大，为了满足大车行走的钢轨承载能力、稳定性和安全性的需要，对重型轨道的使用条件要求越来越高。近年来在码头建设中广泛采用的轨道连接方式，是通过接头联结将长度12 m的轨道焊接后连接成长轨后再铺设施工，可以大幅降低起重机行走经过接头时产生的冲击力，保证大车行走和作业过程的平稳性，可延长设备使用寿命。

图1 接头型式

早期码头起重机主要采用的是 P系列铁路钢轨，轨道伸缩缝接头主要采用平接头和斜接头型式，基本上能够满足小型起重机使用的要求；随着船舶大型化，码头起重机也相应地向大型化、重型化发展。承载能力较大的QU系列重型钢轨逐渐取代了P型钢轨，为减小冲击，产生了连续轨道概念，这样焊接接头组合Z字形接头成为施工设计主流，个别港口也有采用凸字形接头型式。随着使用年限的增长，全国各港口均出现了轨道伸缩接头断裂、焊点开裂的现象，特别是大型矿石、集装箱码头断裂严重，在很大程度上影响了码头装卸生产效率，对起重机安全作业造成了严重的安全隐患。

1 码头轨道断裂原因初步分析

1.1 轨道焊接接头

一般而言，承载钢结构焊接连接中要求焊接接头比母材具有更高的静载荷承载能力，以确保结构连接的可靠性，但是实际作业操作时受焊接工艺、焊接作业水平、焊接环境控制等诸多因素影响，焊接过程中难免会存在各种焊接缺陷，形成的焊接接头存在不同程度的结构性能的不均匀性，尤其是一些非高标准要求的焊接施工中，在焊接结构变形与焊接缺陷的影响下，焊接接头在静态和动态载荷作用下的力学性能远不如母材，所以焊接工艺选择和焊接质量控制尤为重要。

码头钢轨焊接工作基本上是在码头施工现场进行，大多采用手工焊接方式，辽宁营口地区一般60～120 m为一个焊接单元，将5～10根标准钢轨通过焊接方式连成通长无缝钢轨。这类焊接接头主要存在以下问题：

1）焊缝缺陷

夹渣，焊缝内有焊条头、钢板条等杂物，焊缝与轨道母材未充分融合，焊缝不饱合，焊缝底部存在缺口等各种缺陷。其中，焊缝中的夹杂物对焊缝性能影响尤其是疲劳裂纹的萌生影响较大，如果夹杂物的热膨胀系数大于母材的热膨胀系数，那么在热处理后冷却的过程中，母材和夹杂物的交界处便会产生内拉应力，容易削弱了母材和夹杂物的结合强度，导致夹杂物和母材脱开，在夹杂物处便会形成“空穴”，导致应力集中从而萌生出疲劳裂纹；反之，如果夹杂物的热膨胀系数小于母材的热膨胀系数，夹杂物就会受到压应力的作用，也会产生疲劳裂纹萌生的风险，此外，影响疲劳裂纹萌生型式的主要因素还包括夹杂物自身的弹塑性：夹杂物的弹性模量若是大于母材的弹性模量，在加载的过程中，夹杂物容易发生断裂从而萌生疲劳裂纹；夹杂物的弹性模量若是小于母材的弹性模量，那么在加载过程中，夹杂物将使得周围的母材应力升高，容易产生滑移从而使得母材开裂，萌生疲劳裂纹。夹杂物对疲劳裂纹萌生的影响，除了跟夹杂物的弹塑性和热性有关以外，还与夹杂物的形状和大小有关，低周疲劳中疲劳裂纹比较容易在较大的夹杂物附近萌生，夹杂物形状对应力集中系数的影响较大，因此对疲劳裂纹萌生会有较大的影响。

2）工艺缺陷

焊接工艺执行不到位，甚至没有焊接工艺。普遍存在焊接前轨道母材不预热，焊后不保温的违规作业现象；轨道对接不成直线，位置公差超标，以至于连成长轨后整体呈蛇形状态，安装到轨道梁上时，不可避免地人为造成预应力；焊条选用与轨道材质不匹配，焊机选用电流与焊条要求不匹配。

3）验收标准不到位

由于轨道在码头整体工程中占比非常小，验收时往往只是凭人体感官查看钢轨焊缝外表面，轨道施工在工程验收报告中基本没有具体描述。

1.2 轨道伸缝缩接头

伸缩缝接头断裂在Z字形接头和凸字形接头型式上比较常见，在斜接头型式上发生概率很低，在平接头型式上基本不会发生。主要存在以下问题：

1）加工缺陷

轨道原材料采购到场时，并没有预先加工成Z字形接头和凸字形接头需要的形状，加工是在施工现场进行的。加工工艺采用机械切割方式，被加工的两个平面交汇处的直角，不可避免地存在加工缺陷，形成应力集中现象。观察现场断裂的轨道裂纹走向，裂纹都是从两个加工面尖角处开始发生的。而裂纹扩展方式的不同，也将引起不同的钢轨伤损型式。断裂力学理论指出裂纹扩展过程是沿着能量降低的方向和遵循阻力最小的途径来进行的，裂纹扩展的阻力由裂纹前缘金属的性能和微观的断裂机制来决定，而温度、应变速度、应力状态及介质对裂纹扩展的阻力均有一定影响。

2）承载缺陷

大型化的码头起重机需要重型轨道匹配，现有最大型号重轨QU120承载能力安全裕度较低，Z字形接头和凸字形接头加工成型后，承载能力降低一半以上；起重机经过存在缝隙的两个接头时，会有很大的冲击力，轨道伸缩缝处在使用过程中所受到的上部结构传导的偏心载荷、水平力、弯曲应力的复合作用，通过车轮的反复低周高强碾压对轨道接头截面变化处造成疲劳破坏，这种疲劳经年累月逐渐积累造成轨道断裂。

2 码头轨道施工和设计问题

2.1 轨道“爬行”

现行轨道存在向一个方向移动，最终使得伸缩接头预留间隙不断缩小，甚至出现顶死的“爬行”现象。造成“爬行”现象的主要原因有两个，一是轨道压板螺栓防松措施不得力：紧固时没有预紧力大小要求，现场随意使用工具紧固；压板与螺母接触面存在角度，致使螺母无法与压板表面完全接触；基本没有采用弹簧垫圈等必要的防松手段。致使轨道处于浮动状态。二是沿轨道长度方向，没有采取任何有效的防窜动措施。

2.5插管率高,愈合期长,这与老年人肺部基础病多,肺组织修复技能减弱、感染、胸膜粘连形成多房、粘连牵拉致破口不易闭合有关,为缩短愈合期,除加强抗感染外,还需注意吸氧、全身支持疗法。

2.2 轨道基础

胶垫板与找平钢板、胶泥共同构成钢轨的基床，基床的刚度会影响特征长度的取值，影响钢轨的内力响应。起重机在经过轨道伸缩接头时，由于车轮的辗压力首先是作用在一侧轨道上，相对于另一侧的轨道接头，本侧轨道接头下沉位移量很大。长期往复作用，致使轨道钢垫板、填充胶泥渐渐变形、损坏，而胶垫板承受压力，会产生压缩变形，侧向向外延展。在均匀荷载作用下，产生对称的延展变形，在偏心荷载作用下就会产生不对称的延展变形，这种不均匀挤压，产生局部较大张力，反复作用下，容易造成局部变形过大，超过橡胶垫的伸长率而撕裂。胶垫板一旦发生破坏，存在较大的空隙时，上部钢轨的应力就会明显加大，应力集中现象更加明显。如此恶性循环，更加速了轨道伸缩接头的损坏。

2.3 轮轨接触

起重机行进过程中，若存在偏心荷载，车轮与轨道接头的接触方式将由一点接触变为多点接触（图 2），除与钢轨上表面接触外，还与轨距角处发生接触。

图2 车轮与钢轨接触型式

轨距角处接触面积小，压应力大，虽然钢轨在装船机正常工作状态时处于弹性阶段，但是如果某些地方产生地基沉降，钢轨应力将明显增大。通过现场试验发现，钢轨在使用过程中受到车轮反复低周碾压，表层接触区域受到反复的拉压应力作用，钢轨表层较薄弱的区域在剪切应力的作用面上形成滑移带，产生明显塑性变形，当塑性变形达到一定程度，随着钢轨受到循环剪切应力作用次数的增加，钢轨中的累积塑性应变将达到材料的裂纹萌生临界值，导致滑移带开裂从而萌生微小裂纹，分散的微小裂纹贯穿后便会形成宏观裂纹，出现断裂情况。

3 码头轨道断裂对策

3.1 焊接接头

1）严格执行焊接工艺

手工焊接前，必须制订完善的轨道焊接工艺，并严格执行：对接轨道找正，对接缝隙留好；根据轨道材质选用焊条型号；选用合适的电焊机，调节好焊接电流等等。有条件的，优先选用铝热焊。

2）加强验收

采用MT和UT综合检测第一个焊缝的质量，作为码头工程总体项目验收必不可少的一项验收内容，需提供现场检测验收报告。

3.2 伸缩接头

1）总体原则

尽量减少伸缩接头数量；伸缩接头缝隙大小要根据当地极限温差预留；伸缩接头尽量安排在起重机不经常作业的区域（如两个泊位之间），以便降低损坏的频率；可采用门式起重设备小车轨道止挡块的技术措施（图 3），止块与轨道焊接，挡块与钢垫板焊接，防止码头轨道“爬行”，造成伸缩缝挤死现象；伸缩接头处基础采用高等级的加强设计，并施工。

图3 轨道加装止挡块

2）优先原则

优先选用平接头。具有不用再加工，承载力大、损坏概率极低等不可替代的优点。缺点是对起重机行走冲击力大，可采取根据温度选用不同长度的，便拆式硬质橡胶等塑性材质填充接头缝隙减少冲击力。

3）加工工艺

改变设施设计时，轨道接头只给出名义尺寸的惯用做法，要明确出形位公差，两个加工面接合处的尖角应该采取圆角过渡等有效的消除应力设计。

4）设计新型接头

水运工程中较少有涉及码头钢轨设计的相关规范和规程，钢轨的设计主要参考设计图集进行选型，常用的几种伸缩缝接头在很多港口均存在断裂等适应性问题，开展系统的技术研究和试验，提出和设计适应性更好的码头钢轨接头是一个重要的方向。

4 结 语

分析了码头起重机轨道在使用过程中产生断裂的原因和问题，提出了解决方案和对策，对码头轨道实际维护具有极大指导作用，也为今后推动码头轨道设计规范的制订及施工设计提供具有积极意义的理论和实践支撑。