起重机金属结构焊缝的综合检测与寿命估算

陈 莹

（新疆生产建设兵团质量技术监督检验研究院，新疆乌鲁木齐 830021）

0 引言

近些年，起重机械在电力、物流、机械制造及建筑行业等均有广泛应用，其运作过程安全性关系着生命财产安全。金属结构是大型起重机的主要结构，其样式复杂多样，T形或薄壁箱形焊接结构是主要的承载构件。制造起重机械过程中，若设计不合理、钢材内存有冶金缺陷及焊接结构时存有夹杂、咬边等缺陷，均会成为形成裂痕问题的疲劳来源[1]。起重机作业环境偏差，在多种载荷作用下，很可能造成疲劳源出现裂痕随即扩散，对整个机械的运行安全构成威胁。

1 起重机金属结构焊缝的检测方法

1.1 声发射检测

是近些年发展起来的一种局部损伤监测技术。若起重机械金属结构存有裂纹并在荷载作用下发生扩展时，将会形成应力波，通过采集和分析应力波，能较科学地判断出焊缝所处方位及准确辨识裂纹参数。

国外Curly J.M于50 t桥门式起重机上率先进行了声发射测试；Jordon R.D等利用声发射技术检测电动桥式起重机主梁的载荷加载过程，也利用该项技术检测退役起重机管状吊杆的破坏性过程，全面分析了声发射信号的强度与声发射源[2]。

声发射技术引进国内的时间相对偏晚，但发展较快速。有人员对起重机梁加载开展疲劳试验，配合使用声发射技术监测加载过程，分析监测声发射信号，探究焊缝危险等级的测评方法。声发射检测技术有时效性好、检测范围较宽广等优点，在起重机结构焊缝检测领域中有较大的应用空间。

1.2 PVDF检测技术

PVDF为近些年开发出的一种新型高分子压电功能材料。1969年探查到其压电性处于较高水平，后期对PVDF进行研究。PVDF检测技术应用压电材料的压电效应检测被测对象[3]。粘贴于结构表层的压电薄膜顺沿某方向在外力的作用下发生变形时，其内部会逐渐出现极化表象，两个在方位上形成相对关系的表面形成的电荷极性相反，消除外力后，其便能够顺利的复原到不带电状态。PVDF压电薄膜的电荷输出与结构应变成两者存在正比关系，通过检测压电薄膜的输出电荷能换算出结构应力，通过分析应力数据去测评结构焊缝严重程度。

1.3 红外热成像检测

红外热成像检测原理是采用外部红外热源对被检结构进行热激励，记录被检结构表层时，因局部存有焊缝裂纹而导致温度改变，通过分析结构表面温度场，去辨识及判断焊缝。

既往有人员利用有限元分析方法探究在施加局部表面热流工况下焊缝外表层温度场的改变，解读不同热流密度对加热热流效果形成的影响，掌握了温度场改变和钢板焊缝缺陷规格、深度之间的相关性[4]。金属结构焊缝检测属于主动式红外检测的范畴，热源激励形式对检测结果形成有较大影响。电磁激励是一种新型红外热源激励方法，电磁感应定律和涡流效应是其基本原理，有灵活性大，能够选择不同波形、频率及激励装置的功率可以调控等诸多特点。可以参照检测目标对象的差异，设定不同参数，进而取得最佳的焊缝检测效果。

2 寿命估算

2.1 测试工况

应以应力数据采集为基础估算机械的安全使用寿命，故而现场检测记录、采样数据能呈现出被检起重机机门的现实工作状况。采样长度要适宜，不可遗漏数据，也不能引进噪声信号。测试现场，将模拟机门正常运作作为采样工况。

2.2 机理分析

当前，国内外均有文献记载，虽然造成港口起重机金属结构失效的原因较多，但疲劳性破坏是主要原因。名义应力法是当下估算疲劳寿命长短的主要方法。该方法的应用思路如下：

将分析材料的S—N曲线特征、走势等作为着手点，考虑各类影响系数，获得和构件相配套的S—N曲线，参照现场检测到的应力谱，基于Miner理论及其延伸出的寿命估算公式进行预测，具体是综合分析起重机械的结构样态，对其安全应用年限作出合理预测，执行的基本过程如下[5]：

（1）借用雨流计数法完成计数，记录应力—时间阶段应力循环的总次数，摸索出其遵循的规律。

（2）针对实际测得到的应力谱，采用古德曼等规划设计出寿命曲线进行局部完善，使其演变成平均值是0的等效式载荷谱。

（3）将所有应力循环细化成8级，按序依次记录各级应力循环的次数，采用其组成当量载荷谱。

（4）将幂函数的S—N关系整合至其内，据此得到各级单向应力相应的循环次数。对Miner理论进行适度修整，获得当量载荷谱作用下的循环总次数[6]：

式中 N1——第一级应力作用下的循环频次

Ti——第一级应力作用下的循环数与总循环数的比值

ei、e1——分别是第i级、第1级应力

k——应力谱的级数

（5）估算寿命

式中 N——当量载荷谱作用下的总循环次数

n——采样数据应力—时间历程中的循环次数

t——时间

h——起重机械的寿命

寿命估算采样活动中，在门机上选取4个测点（A2、D6、E1、F1），因为主要依照应力估算起重机械的疲劳寿命，对选定的4个测点对应的应力数值进行对比分析，最后拟定选取应力幅值最大的A2点去估算疲劳寿命。

检测阶段对门机持续模拟了数个作业循环，历经比较与筛选过程后，拟定选取其内两个连贯性较好的作业循环作为寿命估算的初始数据。观察分析A2的应力—时间历程图，发现A2测点应力的波动幅度偏大，以拉应力为主、测点位置应力数值有一定变化，作业载荷是导致应力值变动的主要原因，主要发生在载荷升与降的起始、制动时及回转启动时。整体分析，应力值变动不显著，预示当下门机强度符合作业要求。

参照现行规范标准，材料参数设定情况如下[4]：

eb=448 MPa，e-1k=132 MPa，缺口系数Ks=1.3，利用雨流计数法完成A2测点的应力—时间历程的计数，提取全部的应力循环并开展统计分析，获得当量载荷谱。其中e1、N1分别是64 MPa、16 MPa，代入式（1）算出总循环次数N，历经前期设定的换算流程后，便能计算出剩余疲劳寿命为8.6年。

3 结束语

起重机门机疲劳寿命的预测、计算是在相对正常的工况下执行，其对Miner理论表现出较高的依赖性，但该项工作推进阶段时而会出现超载、突然启制动等异常情况，外加机械作业工况条件偏差，以上因素若长期不被解除，将不利于起重机械的安全使用。考虑到门机的作业时间与发生锈迹、裂痕等状况，本文获得的测量结果较保守。