门式起重机金属结构疲劳裂纹分析与修理方法

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引用本文格式:郑强 门式起重机金属结构疲劳裂纹分析与修理方法[期刊论文]-安全与健康(上半月版) 2006(7)
3!在 发 现 分 化(轧 制 板 层 化 现 象)时 #为 揭 示 其 在 板
厚中的分布可用细凿刺入扎件外表面直到碰到坚实的 金属#故障检验应考虑到分化时板截面的削弱" 如果构 件还具有工作能力#所有的分化表面应清 除 #在 金 属 中 的形成凸尖角应刨光"
9!为 了 增 强 局 部 稳 定 性 而 在 构 件 腹 板 上 添 置 补 充
转角三角板处有裂纹 焊缝应力较大 "脆性断裂! 主腹板与下盖板之间焊缝 疲劳裂纹 产生正应力!剪切应力和扭 支腿座板与支腿之间的焊缝 转应力"疲劳裂纹
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学术
Xue Shu Lun !"#
!!!!!! 四 ! 裂 纹 修 理 常 规 原 则 及 方 法 1!在 设 计 ! 修 理 和 焊 接 连 接 的 构 造 时 应 选 择 具 有
5!角 焊 缝 一 般 在 焊 缝 截 面 上 应 具 有 凹 或 平 整 的 截
面 形 状 # 角 焊 缝 的 高 度 a 不 应 超 过 0 . 7S ( S 为 用 角 焊 缝 联 接 的 两 块 板 中 较 薄 板 的 厚 度 ) " 如 果 S > 1 . 5a , 允 许 采 用 两 面 角 焊 缝 # 否 则 两 焊 缝 之 间 的 距 离 应 满 足 L > 2S "
最小应力集中的方案" 若在进行焊接修理时#应在考虑 等强度原则前提下#采用碱性焊条"
2 ! 在 裂 纹 长 度 不 超 过 被 损 伤 构 件 截 面 尺 寸 的 5% 以
上时#应尽可能不采用焊接方法进行修理#因 为 焊 缝 的 存在可能使应力集中系数急剧增大" 而推荐使用钻止 裂孔的方法" 在对裂纹状态进行周期性观察的条件下# 可能会发现不用对裂纹再予以补焊就能使裂纹停止扩 展" 如果在周期观察时发现裂纹端部在继续扩展#并超 出止裂孔的范围#那么起重机应停止工作#直 到 采 取 适 当的修复手段消除裂纹的继续扩展为止" 图 3 刚性肋端部修理和连接焊缝 图 2 焊接对接焊缝与刚性肋间距离
11 ! 推 荐 用 刚 性 肋 补 充 加 强 带 有 铰 支 座 和 除 承 受
径向载荷外还承受轴向载荷腹板上的已补焊环形裂 纹" 在图 4 中给出了补焊环形裂纹后#再用刚性肋补充 加强的例子"
(见 图 1)
图 4 a"裂 纹 原 始 的 分 布 图 1 被连接件布置简图
b"裂 纹 补 焊 后 的 加 强 装 置
12 ! 在 修 理 节 点 板 与 弦 杆 联 接 焊 缝 中 的 裂 纹 时 # 推
荐切除节点板的一部分# 并打磨切口表面和插入板的 边 缘(图 5)"
6!对 于 箱 形 截 面 构 件 #腹 板 和 翼 板 的 局 部 加 强 不
允许采用焊接垫板"
7!允 许 用 焊 接 垫 板 整 体 加 强 梁 的 翼 板 的 型 材 截 面
于型材#如果采用直接对接的话#有较大的应力集中# 因此不推荐采用直接对接的方式" 在采用对接焊缝进 行修理时#如果原有焊缝是经过打磨处理 的#则 推 荐 修 理后该处焊缝也进行打磨处理" 焊接时要求坡口形状 和间隙应符合有关国标或国标中对接焊缝的要求#并 应 在 修 理 方 案 图 纸 上 标 注 引 出 垫 板 的 所 有 尺 寸(如 果 需 加 引 出 垫 板 的 话 )" 如 果 不 需 打 坡 口 #则 用 于 对 接 的 两 块板厚度差也应符合有关标准的要求"
学术
Xue shu Lun !"#
门式起重机金属结构 疲劳裂纹分析与修理方法
!
郑强 福建省特种设备监督检验所
!!!!!! 对 于 门 式 起 重 机 的 金 属 结 构 而 言 9 微 裂 纹 的 产 生
和扩展在实际工作中根本无法预防和监测O 因为人们 往往关心宏观裂纹的扩展时间9 而微裂纹却在被忽视 的同时已加速扩展9最后形成宏观裂纹9使得门式起重 机存在严重的安全隐患O 在日常的检验中9 起重机的检验重点是确定结构 的损伤部位 9寻找与损伤部位相关连的缺陷:
l) 结 构 构 件 和 焊 缝 中 的 裂 纹 9 2) 组 合 件 及 其 组 成 构 件 和 局 部 残 余 变 形 9 3) 铆 接 和 螺 栓 连 接 零 件 的 位 移 9 4) 组 合 件 的 闭 合 箱 体 和 结 构 件 的 锈 蚀 9 5) 钢 轧 板 件 发 生 分 化 9 6) 铰 连 接 构 件 机 械 连 接 的 损 伤 和 磨 损 O
(图 2)" 刚 性 肋 的 自 由 度 端 应 按 图 4 制 造 " 在 肋 的 端 部
应 从 肋 的 两 边 和 端 部 焊 牢 ( 图 3) " 推 荐 打 磨 端 部 焊 缝 # 以形成向母材平滑过渡"
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2006#07
门式起重机金属结构疲劳裂纹分析与修理方法
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 郑强 福建省特种设备监督检验所 安全与健康(上半月版) SAFETY & HEALTH 2006(7)
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杆件"
8!在 构 件 腹 板 上 添 置 补 充 刚 性 肋 时 不 推 荐 把 其 放
置 在 距 离 工 具 对 接 焊 缝 或 者 装 配 对 接 焊 缝 100mm 以 内 图 5 带裂纹节点板的修理 通过对上述修理方法的应用# 门式起重机金属结 构的疲劳裂纹得以较好地修复#具有较 高 的 实 用 价 值 " 因此#笔者认为在日常工作中以上方法值得推广"
10 ! 在 借 助 于 嵌 入 物 的 方 法 更 换 被 损 伤 段 时 # 沿 封
闭 裂 口 的 对 接 应 采 用 塑 性 较 高 的 焊 条(可 略 低 于 母 材 强 度)" 对 没 有 扩 展 到 外 边 缘 的 疲 劳 裂 纹 构 件 的 修 理 #应 采用沿裂纹的端部钻孔方法# 以防止应力集中作用扩 大裂纹$ 同时用反向焊补的对接焊缝施焊或者焊缝沿 裂纹深度整个焊透的单面焊接的方法完成# 在焊补裂 纹 时 被 钻 的 孔 不 补 焊(如 果 需 要 密 封 #止 裂 孔 可 用 油 灰 填充)" 如果条件限制不能按上述方法实施 # 则作为例 外#允许用角缝接的垫板覆盖" 此时#焊缝可以不焊补# 但必须在焊缝端部钻孔"
不难看出这六个方面最难发现的就是裂纹9 裂纹 造成的危害极大9引起起重机时有臂架折断 圆筒整体 断裂等恶性事故O 为此9 笔者针对性地研究疲劳裂纹的扩展因素以 及相应的裂纹修理方法O 一!疲劳裂纹的扩展 对于宏观裂纹尺寸9 其扩展只取决于整体的工作 性质和条件 9而不是某个局部的性质和条件 O 从线弹性 力学观点来讲9 宏观裂纹的扩展可用应力强度因子来 描述O 然而9正如静态加载裂纹一样9在 扩 展 的 疲 劳 裂 纹尖端处也存在塑性区9 这些塑性区的存在对裂纹的 扩展也会产生重大影响O 此外9环境也是影响宏观裂纹 扩展的一个重要因素O 对疲劳微裂纹扩展而言9 关键在于裂纹从初始尺 寸扩展到最大尺寸的允许值是多少9 此时结构恰好能 避免破坏O 因此9 疲劳裂纹的扩展可用三个参数来描 述9即初始裂纹尺寸 最大允许裂纹尺寸 及 裂 纹 扩 展 周 期来描述O 其中9用无损检测技术能可靠测得裂纹的最 小尺寸 9它并不一定等于初始裂纹尺寸9而 是 取 决 于 采 用何种无损检测技术O 而在原理上能用线弹性断裂力 学或弹塑性断裂力学来确定9 以便预示裂纹失稳断裂 的开始O 二!焊接结构断裂因素分析 对门式起重机这样的大型焊接结构9 引起其脆性 断裂的因素很多9包括温度 材料韧性 焊接工艺 残余
"!裂 纹 尺 寸
复杂的焊接结构在制造时总会存在一些缺陷 (气 孔 未 熔 合 未 焊 透 表 面 夹 渣 裂 纹 焊 瘤 等)9而 脆 性 断裂总是从各种形式的细小缺陷开始9 经过疲劳和应 力腐蚀就可能扩展到临界尺寸O
#!应 力 水 平
应力是引起脆性断裂的必要条件9 使用各种应力 分析技术可确定该应力的大小O 总之9断裂力学建立在应力分析基础上9用应力强 度因子描述裂纹尖端应力场的强度9 反映裂纹扩展和 材料的断裂行为9用应力及裂纹尺寸描述断裂特性9并 预测结构对脆性断裂的敏感性O 将这三个因素联系起 来9可以定量评价结构的安全性和可靠性O 三!裂纹易产生的部位 起重机的裂纹主要产生在焊缝区 产生裂纹的部位列表O 表 1 起重机易产生裂纹的部位及可能出现的问题 金属结构的部位 可能出现的问题 主梁应力集中程度较高的 疲劳断裂"脆性断裂 部位 偏轨箱形主梁在跨中的焊 焊瘤等焊缝缺陷"应力集 缝及其附近母材上 中"脆性断裂 !疲劳裂纹 主梁跨中附近截面 在 !$% 跨 度 截 面 内 小拉杆 最大正应力"疲劳裂纹 正应力和剪切应力 " 疲劳裂纹 母材或者焊缝 本身 结构截面转折区或突变部位O 表 l 是起重机容易
应力 疲劳 约束等O 但断裂力学认为9本质上有影响的 因 素 只 有 三 个(其 它 因 素 只 是 影 响 这 三 个 因 素)9即 材 料 韧性 裂纹尺寸和应力水平O
!!材 料 韧 性
含缺口的材料在缓慢加载及线弹性特性情况下9 承受载荷或抗塑性变形的能力可以用平面应力的临界 强度因子或平面应变的临界强度因子来描述9 在最大 约束冲击或动力加载及线弹性特性情况下9 用动态应 力强度因子来描述O
刚性肋时#如果生产厂家在生产时添加 了 对 接 焊 缝#则 应 将 刚 性 肋 放 置 在 距 对 接 焊 缝 100mm - 200mm 以 外 刚 性肋的自由端#按图 4 的弧度制造#并 推 荐 打 磨 焊 缝# 以形成向母材的平滑过渡"
4!在 可 能 的 情 况 下 #应 尽 可 能 采 用 对 接 焊 缝 " 但 对
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