双梁U型门式起重机轨道下方疲劳裂纹分析与修复处理

双梁Ｕ型门式起重机　轨道下方疲劳裂纹分析与修复处理　朱建学　曾兵　付为刚　１河南江河起重机有限公司　长垣４５３４００　２中铁集装箱公司成都东办理站成都６１００００　３西南交通大学机械工程研究所成都６１００３１　摘要：针对某站场双梁Ｕ型门式起重机轨道下方出现疲劳裂纹的问题，分析了形成原因，指出应力集中、　焊接残余应力和小车轮压的作用是产生疲劳裂纹的主要原因。给出了上盖板疲劳裂纹的具体修复措施和建议，　对于安全生产具有重要意义。　关键词：门式起重机；疲劳裂纹；焊接　中图分类号：ＴＨ２１３．５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—０７８５（２０１０）０７—００８７—０３　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｃｒａｃｋｓ　ｂｅｌｏｗ　ｔｈｅ　ｒａｉｌ　ｆｏｃｕｓｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｈｅ—　ｎｏｍｅｎｏｎ　ｔｈａｔ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｃｒａｃｋｓ　ａｐｐｅａｒ　ｂｅｌｏｗ　ｔｈｅ　ｒａｉｌ　ｏｆ　Ｕ—ｔｙｐｅ　ｄｏｕｂｌｅ　ｇｉｒｄｅｒ　ｇａｎｔｒｙ　ｃｒａｎｅ　ｉｎ　ａ　ｓｔａｔｉｏｎ，ｉｔ　ｉｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅｄ　ｔｈａｔ　ａｃ—　ｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ｗｅｌｄｉｎｇ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｔｒｏｌｌｅｙ　ｗｈｅｅｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍａｊｏｒ　ｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｃｒａｃｋｓ．Ｓｐｅｃｉｉｆｃ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｒｅｐａｉｒ　ｏｆ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｃｒａｃｋｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｕｐｐｅｒ　ｃｏｖｅｒ　ｐｌａｔｅ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｔ　ｆｏｒ　ｓａｆｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇａｎｔｙｒ　ｃｒａｎｅ；ｆａｔｉｇｕｅ　ｃｒａｃｋ；ｗｅｌｄｉｎｇ　１起重机的使用及裂纹情况　１．２主梁上盖板裂纹情况　该双梁ｕ型门机西侧主梁轨道正下方的上盖　１．１起重机使用情况　板出现了大量的裂纹，轨道沉陷，上盖板局部变　双梁ｕ型门式起重机（以下简称双梁ｕ型门　薄，并呈现深度为１～２　ｍｌＴＩ的凹槽，如图１、图２　机）是用于站场集装箱装卸的特种设备，主要特　所示。根据现场测量，裂纹主要分布在２支腿跨　点是工作频繁，满载率高，安全性和可靠性要求　距之间，纵向裂纹２４个，横向裂纹９个，基本全　高。某站场双梁Ｕ型门机于１９８９年５月投入使　部贯穿。整体观察所有裂纹均从焊缝根部呈延伸　用，并于１９９８年对其进行改造，通过拆除副钩和　性向焊缝表面裂出，所有的纵向裂纹基本上都处　加强结构，将主钩由原２０　ｔ起重量提升至２６　ｔ，使　于同一条直线上，并距离上盖板外边缘约１２５　ｍｍ；　其适合铁路２０英尺集装箱装卸的需要。　所有的横向裂纹均处于三角肋板焊缝附近。另外，　该门机担负繁重的集装箱装卸工作，最初设　东侧主梁轨道正下方的上盖板只出现了１条纵向　计时，工作级别是按Ａ６级，设计使用寿命约２０　裂纹，上盖板也呈现了深度为２　ｉｎｎ左右的凹槽，　年。随着国家经济和铁路运输的飞速发展，近１０　如图３所示。　年集装箱运输量大幅提升，该起重机经常满负荷，　其实际工作级别远远超出了Ａ６级。２００９年１１　月，对该设备进行检查时发现该起重机西侧主梁　轨道正下方的上盖板出现了大量的裂纹，而３年　前检修时并未在上盖板发现裂纹。疲劳裂纹的产　生严重制约了该站场集装箱的装卸工作量。因　图１　西侧主梁上盖板纵向裂纹　此，对该起重机进行疲劳裂纹成因分析，制订切　２上盖板疲劳裂纹分析　实可行的修复方案，对装卸安全作业具有重要的　对于全偏轨箱形梁，应力集中、焊接残余应　意义。　力、焊接缺陷和小车轮压的作用是门机疲劳裂纹　《起重运输机械》　２０１０（７）　一８７—　图２西侧主梁上盖板横向和纵向裂纹　图３东侧主梁上盖板纵向裂纹　产生的主要原因。由于小车轮压的作用。主腹板　在２支腿之间的重载作用区段内具有相近的应力　场交变特性。因此，在此区段的每一微段上萌生　裂纹的概率是相近的。在纵向平面内交变剪切力　作用下，焊缝处发生滑移，裂纹不断扩展，由于　裂纹面与力的作用平面平行，裂纹的扩展方向在　力的作用平面内，因此，纵向裂纹属于滑开型疲　劳裂纹　］。随着裂纹尺寸的变长，裂纹尖端应力　强度因子逐渐变大，扩展速率逐步增大，纵向裂　纹形成后，三角肋角点处裂纹强度因子逐渐变大，　在主梁弯瞳应力、纵向焊缝横向残余应力及横向　加劲肋板焊缝方向残余应力的共同作用下，横向　裂纹开始萌生并逐步扩展。　同时，因为焊接热影响区材料的正交各向异　性，使得众多裂纹源的疲劳扩展行为具有个体上　的发散性和整体上的趋同性——沿焊缝方向聚合　扩展。所谓聚合扩展，就是各自独立萌生的裂纹　源，在其扩展过程中相互接近、会聚、融合、贯　通，形成较长的穿透裂纹。裂纹扩展的同时，也　使焊接内应力得以部分释放。在主腹板（承轨梁　腹板）水平裂纹的扩展中，所吸收的能量来自于　载荷应力的只是小部分，大部分是来自于内应力。　因此，从裂纹的危险性来说，主腹板水平裂纹的　直接危险性要小于主梁受拉翼板的横向开裂。这　也是某些水平裂纹发现时都已扩展很长，但均未　造成严重事故的原因。当然及时发现和处置是极　为重要的　。　３修复措施【５一　Ｊ　现阶段上盖板纵向裂纹长度，一般在４００　ｍｍ　一８８一　左右，数目较多（２４条），横向裂纹长度一般在　４０　ｍｍ左右，且数目相对较少（９条）。纵向裂纹　对于主梁整体结构强度影响较小，横向裂纹对于　整体结构强度影响较大，但是，纵向裂纹的扩展　能导致横向裂纹的扩展。因此，通过采取合理的　修复和防护措施来阻止横向和纵向裂纹的继续扩　展，该门机仍可继续使用。根据现场观测，２主梁　轨道正下方的上盖板均有沉陷，上盖板厚度局部　变薄。西侧主梁上盖板存在较多很明显的纵向裂　纹和横向裂纹，东侧主梁上盖板只有１条纵向裂　纹。通过观察发现，只有１条裂纹的东侧主梁的　轨道下方垫有２　ｍｍ的垫板。由于２根主梁的受力　情况一致，但加了垫板的上盖板只出现了１条纵　向裂纹。因此，在对裂纹进行焊缝修复后，应在　轨道下方上盖板上增加６　ｍｍ以上厚度的垫板　加强。　３．１施工准备　（１）由检测中心推荐安排焊接技术水平较高　的合格焊工施焊。　（２）将小车移至裂纹少、修复工作量较少的　端部固定。　（３）搭设维修施工作业平台，保证牢靠并覆　盖所有作业范围。　（４）焊接施工前由工地焊接专业技术人员编　写焊接裂纹补焊措施，并对施工人员进行交流后　进行施工。　（５）施工器具及材料：ｚｘ４００ＳＴ逆变焊机、　磨光机、保温桶、气割工具、电焊工具等。　Ｊ５０７４，３．２　ｍｍ焊条在使用前经３５０℃烘烤１　ｈ，领　用时使用保温桶，到达现场后立即接通电源，焊　条随用随取。、　３．２修复施工　（１）为了减少焊接缺陷，焊前清理需维修部　位一定范围内的油污、铁锈、水等杂质。　、　（２）由于裂纹尖端应力强度因子较大，因此，　在裂纹的两端头钻直径４，８　ｍｍ的止裂孔，消除裂　纹尖端应力集中现象，防止裂纹继续扩展。　（３）对于穿透性裂纹，修复时，需揭露整个裂　纹的长度，用磨光机从每段裂纹的中间对称向两侧　打磨，直到打磨出坡口，打磨坡口角度为５Ｏ。一６０。，　预制沿裂纹长度方向的焊缝边。再对打磨干净的裂　纹处进行表面探伤，以确认裂纹全部被揭露。在裂　《起重运输机械》　２０１０（７）　纹尾部钻直径６８　ｉ／ｌｌｎ的止裂孔，如果有必要可采用　焊缝反面的底焊和借助垫板焊接。　（４）对于非穿透性裂纹，采用焊缝沿裂纹深　度整个焊透的单面焊接的方法完成，并沿裂纹端　部钻直径西８　１ｔ－ｉｍ的止裂孔，减小裂纹尖端应力强　度因子。　（５）为了降低焊接接头的冷却速度，减少温　度差异引起的焊接残余应力，施焊前对补焊处及　其周围局部区域使用火焰预热，预热温度为１５０　℃。焊后用石棉布包扎，进行３００℃保温０．５　ｈ以　上，待冷却后将焊缝表面清理干净进行自检，同　时应将焊缝铲平以确保加强垫板的平整。焊接完　成４　ｈ以后，对焊缝进行超声波表面渗透探伤，确　保焊缝无开口型缺陷及表面超标缺陷。　（６）发现焊缝有裂纹或者其他缺陷时，应去　掉裂纹长度后将裂纹加长１５　１Ｔｉｍ重新焊。用气割　方法消除有其他缺陷的焊缝时，要修整到有金属　光泽。补焊时该区域加热到１８０～２００　ｏＣ再进行，　补焊次数不宜多于３次。　（７）焊接时采用手工电弧焊工艺，为防止焊接　裂纹的产生降低焊接应力，焊接电流采用８５～１１５　Ａ，焊接ＪＩ顷序为从中间往两边焊接。　（８）确认所有裂纹处焊缝合格后，应在主梁轨　道下的上盖板上增加６　ｎｌｌＴｌ以上厚度的垫板加强。　（９）按要求增加垫板补强后，采用分段焊接　的方法焊接垫板，焊缝长度按照每段２００　ｍｍ焊　接，中间空３００　ｍｍ，且垫板两侧焊缝错开焊接。　焊缝高度同垫板厚，焊缝表面无气孔、夹渣、裂　纹、弧坑及咬边等焊接缺陷。　（１０）确认焊缝修复达到要求后，对焊缝局部　区域进行打磨、喷砂、喷涂油漆，油漆为底漆１　道、面漆２道，检查油漆表面质量、漆膜厚度、　附着力和颜色并做记录保存。由于是焊缝修复，　后补的颜色与原来颜色接近即可。　（１１）将施工过程中所涉及的技术工艺、资格　证、合格证、试验记录及检查记录等资料整理成　册，作为设备修理改造的资料存档备查。　３．３施工注意事项　（１）将修复用焊接材料按相关要求烘干并用　保温桶保温，焊接位置打磨光滑，在安装焊接引　弧板后进行焊接。　（２）焊接作业前应拆除受影响区域的电线、　《起重运输机械》　２０１０（７）　电缆等，避免发生安全事故。　（３）检查确认箱梁、腹板、上盖板有无凹陷　等变形，若有则需及时校正。　（４）轨道安装必须要保证轨道上表面水平，　同时应确保小车轨道中心线置于主腹板中心线正　上方。　４结论和建议　２６　ｔ双梁Ｕ型门机由于长期担负繁重的２０　ｆｔ　集装箱装卸工作，经常满载负荷，其实际工作级　别超出了原设计的Ａ６级，致使主梁轨道正下方的　上盖板出现了大量的裂纹、轨道沉陷、上盖板局　部变薄。同时通过对疲劳裂纹具体分布位置对主　梁结构强度影响的分析得出，该门机经过合理修　复还可以继续使用。由于该门机已经达到了工作　寿命，鉴于该门机通过裂纹补焊和垫板补强后，　还应进行降吨作业，最大起重量控制在１５　ｔ以下。　同时今后使用中，还应每月定期对门架结构进行　外观检查，若发现有新的裂纹出现，应及时报告　和处理，以确保装卸作业的安全。　参考文献　［１］卜广强，刘敬东，曹利维，等．轮胎式集装箱门式起　重机钢结构裂纹分析与修复［Ｊ］．起重运输机械，２００８　（７）：９６．　［２］汪洪峰，王立涛，张光胜，等．门座式起重机焊接件　疲劳破坏的成因及其修复、维护措施［Ｊ］．焊接技术，　２００６（４）．　［３］孙志雄．焊接断裂力学［Ｍ］．西安：西北工业大学出　版社，１９９０．　［４］董达善，石来德．起重机承轨梁水平裂纹成因分析　［Ｊ］．同济大学学报，２００１：１０—１４．　［５］唐新华，胡佑成．１００／３２　ｔ双梁桥式起重机主梁裂纹　分析及修补［Ｊ］．起重运输机械，２００６（１１）：７４．　［６］朱从兵，张卫国，刘海洋．岸边集装箱起重机箱形构　件疲劳裂纹扩展分析ｆ　Ｊ］．上海海事大学学报，２００８．　［７］林勇．港口起重机金属结构裂纹的诊断与维修［Ｊ］．起　重运输机械，２００５（５）：５４．　作　者：朱建学　地　址：河南长垣县人民路西段河南江河起重机有限　公司　邮　编：４５３４００　收稿日期：２０１０—０２—０２　—８９—