某大型重力式码头高空吊轨道钢轨断裂原因分析

刘丽芬 中交四航局第五工程有限公司

1.码头轨道系统及高空吊概况

1.1 码头高空吊简述

该码头岸线全长达380m，主体结构为重力式沉箱结构。码头上配备了圆筒型支柱加桁架式吊臂双钩高空吊机。该吊机最大起重量为2600t，最大起吊高度达150m，为同类型国内最大的码头岸壁吊机。高空吊共有4个支腿，并且每个支腿设置双排钢车轮，每排并列布设12个，整个高空吊机车轮系共由96个钢车轮组成。

1.2 码头轨道系统

高空吊轨道沿码头前沿线布置，分为两组轨道，因为钢车轮为双排结构，所以每组轨道布设2条钢轨，共4条，每组两条钢轨中心距离为1.5m，两组轨道中心距离为16m，单轨总长380m。钢轨型号为QU120，材质U71Mn，钢轨锚固系统采用GANTREX连续固定形式，布设间距为25cm。

2.钢轨断裂情况简述

于2013年1月25日对码头高空吊安装调试完成并进行试运行。在2013年2月7日发现陆侧一组的外侧钢轨发生断裂。断口在码头的西部，距离11号泊位端部50m处，断口距离最近的焊接接口间隔1.5m、缝宽为1.01cm，且在两个轨道压板中部且靠近一侧压板，断裂区段钢轨底部支垫平整，高差为0～1mm。2013年4月18日发生钢轨第二次断裂。断裂的钢轨是第一次断裂陆侧同一钢轨，断口距第一次断口40m位置，也在两个轨道压板中部且靠近一侧压板位置。具体情况如下图1和图2所示。

图1 第一次断裂情况

图2 第二次断裂情况

3.钢轨断裂原因分析

3.1 钢轨断裂常见原因

重力式码头钢轨断裂原因各异，从过往收集的码头钢轨断裂案例中分析总结出的原因多为钢轨母材质量不良、接头焊接质量差、钢轨安装顺直度和平整度有偏差，或是由于轨道基础不均匀沉降、上部荷载下竖向应力传递不均以及低温环境（-20℃以下）引起脆性断裂，也有可能是以上一个或多个因素相互作用造成。

3.2 钢轨断裂具体原因分析

高空吊码头钢轨仅运行了3个月，同一钢轨便连续断裂两次，这引起了业主、高空吊设计制造安装方、使用操作方、设计单位、施工总承包单位以及工程监理等各方高度关注。各方查找和分析钢轨断裂的原因，并召开了专题研讨会，邀请有关专家进行研究，一开始从常见原因入手和分析，包括从钢轨施工安装调试质量及精度、钢轨接头焊接工艺、焊接质量、钢轨母材材质及机械性能、码头不均匀沉降考虑分析及低温脆性断裂分析。但没有从高空吊机运行时轮轨行走对钢轨的影响进行分析。

经对码头面和轨道检测测量，码头、轨道整体结构的沉降量控制在设计要求及规范允许范围内，钢轨安装的轨道轴线、标高控制均在设计要求和规范允许偏差范围内，全线平顺。钢轨由国内正规厂家供应，安装钢轨前按国家标准取样进行理化和机械性能检验，均符合相关国家标准。钢轨焊接接头超声波检测符合相关技术标准。

综上所述，排除由于钢轨施工安装质量、钢轨母材性能不佳、码头轨道不均匀沉降以及高空吊运行时以上几个原因共同作用造成断裂的情况，另外码头环境长年温度在0℃以上，不会发生钢轨因温度过低而低温脆性断裂现象。钢轨断裂的原因未找到，即使进行修复也只能暂时解决此钢轨断口，但是没有真正解决问题，随后高空吊运行使用过程中还有可能再次断裂，从而影响码头安全作业及正常生产安排。对此，必须找到造成钢轨断裂的真正原因，彻底解决钢轨该问题，以保证码头高空吊安全生产和正常使用。

3.3 钢轨断裂主要原因

从钢轨断口形状及形态判断，此种断裂形式为脆性断裂，究竟是什么因素造成钢轨脆性断裂？

钢材工作受力状态一般是二维受力。如钢材在工作受力状态的同时承受三个方向应力作用时，钢材的塑性及其力学性能会降低，特别是低合金高强度钢的塑性及韧性降低更为明显，其断裂韧性和塑性变得更差，容易发生脆断。U71Mn的钢轨属于低合金高强度钢，抗拉强度达880MPa、屈服强度为460MPa，但断裂韧性平均为29MPa，延伸率为10%左右，钢轨强度高但塑性较差。

沿此思路寻找钢轨脆性断裂原因。在与高空吊操作人员沟通和了解高空吊使用情况时，操作人员反映吊机作业行走时有不顺畅现象，似有遇到小障碍物阻碍行走，检查吊机轨道却没有发现任何异物。

是否高空吊行走时不同轴钢轮左右“啃轨”作用于钢轨上，使钢轨承受过大左右侧向应力，在各种载荷共同作用下使钢轨发生脆性断裂？经各方共同分析并到现场查看断裂钢轨断口和断裂口位置附近的钢轨磨损情况，检查吊机车轮与钢轨侧面接触磨损程度，然后全面检查吊机轮系的车轮与钢轨接触情况，并逐一检测吊机4个支腿轮系钢轮同轴度和平面度。检查发现高空吊陆侧向西支腿外侧6个车轮组中，2个车轮往码头海侧偏离轴线，1个车轮往码头陆侧偏离轴线。经测量，此组车轮偏离轴线且偏差最大达到了9mm，而高空吊其他支腿车轮组的车轮轴线及车轮平面度均在设计、安装技术要求范围内，鉴于此，最终确认上述便是造成钢轨断裂的主要原因。

根据钢轨特性及轨道系统锚固方案，正常工作状态下轮压引起的钢轨应力约为250MPa。由于陆侧外支腿车轮各有车轮左右偏离轴线，啃轨造成左右侧向挤压钢轨，引起此支腿轮系车轮下方此段的钢轨同时承受很大的左右侧向压力，高空吊作业运行时，钢轨还要承受高空吊运行的行进轴向力。即此支腿轮系车轮下方此段的钢轨承受车轮的正压力、多个车轮同时啃轨左右侧向压力以及吊机行走时的轴向力，此钢轨在吊机作业时承受三维应力的共同作用。吊机作业过程中，当车轮啃轨比较严重时，引起钢轨受更大左右侧向应力。另外，本工程采用的钢轨锚固系统为GANTREX连续固定形式，较一般的码头轨道压板间距50cm来说较密，在压板全部调紧的状态下，高空吊行走时，钢轨承受的压力、摩擦力以及钢轨变形产生的内应力无法完全释放，导致钢轨的内应力增大并集中。

侧向承受力比较低是钢轨的特性，当受到较大侧向应力特别是同时受左右侧向应力的作用时，即啃轨比较严重时钢轨承受的侧向应力会变得更大，同时因紧固件过紧，应力无法完全释放，在其他工作荷载应力共同作用下，作用于钢轨的应力大于钢轨的强度而发生断裂。此种断裂一般为脆性断裂，是钢轨承受三维应力超过钢轨强度造成的。

找到钢轨断裂主要原因，那么采取相应技术措施即可解决。高空吊设计、制作、安装公司重新调整支腿轮系精度，再全面检测和调整有安装精度问题的高空吊支腿轮系车轮的平面度和同轴度，直至符合高空吊的安装技术要求，并适当回调钢轨锚固系统，系列操作后问题迎刃而解，化解了施工过程中的难题。此后高空吊作业运行数年，至今未发生新的断裂情况，证明解决措施具有可行性。

4.结语

经过本次分析，得出以下几点结论：

（1）码头轨道钢轨使用过程中出现断裂问题时，除了从常见断裂原因寻找，也要考虑码头吊机设备的制造、安装、使用等因素对轨道钢轨的影响。

（2）码头大型多轮系吊机设备中，如果一支腿轮系车轮的同轴度出现偏差，极易导致钢轨同时受三维应力作用，使钢轨的塑性及其力学性能降低，特别是低合金高强度钢的塑性及韧性降低更明显，其断裂韧性和塑性变得更差，导致钢轨容易发生脆断。

（3）在设计、制造、安装码头大型吊机的过程中要充分考虑此因素影响，并制定针对性的质量保证措施，避免钢轨断裂。