摘要：从港口起重机金属结构的故障管理与实践出发，通过对故障原理的分析，在断裂力学的基础上，对存在宏观裂纹构件的使用寿命和巡检周期进行预测，并开发出了港口起重机械金属结构裂纹诊断系统。通过在广州等大港口的推广，方便了维修、管理人员的使用。最后对该系统在应力测试操作中的经验和教训进行了总结。

关键词：故障管理；裂纹；巡检周期；应力测试

1. 引言

港口门座起重机（以下简称门机）是港口装卸作业的主要设备，它是一种间歇动作机械，具有短暂、重复、周期性循环的工作特点，并且工作环境恶劣，金属结构的故障不仅使起重机具有失去功能的潜在危险，而且一旦出现断臂等重大故障，将给生产和人身安全带来巨大危害。目前在用起重机有相当部分已到了或者接近使用寿命，各构件出现了不同程度的损伤情况甚至出现了臂架等结构折断的大事故。对港口门机调查结果表明，裂纹、断裂、变形与锈蚀是门机安全使用隐患的4个主要缺陷。其中：裂纹占81.16%，断裂占5.67%，变形为11.34%，锈蚀为1.4%。因此，裂纹是金属结构最主要的缺陷，而且门机结构各种重要部位都有裂纹，裂纹的长度从几十毫米到几百毫米不等，在图1所示的部位支腿与转盘连接法兰的焊缝出现较长的裂纹。而由于起重机金属结构件一般体积较大，造价较高，不可能一发生故障就进行更换，所以，尽管门机结构上存在着裂纹，它们仍然在生产第一线服役[2]。所以，对起重机金属结构裂纹扩展的预测、控制及相关检测设备手段的研究是有助于视情维修，对保障安全生产有着重要的意义。

图1 M1025门机焊缝裂纹

2. 工作原理

裂纹的出现在很多情况下，一般不影响机器的功能，但它存在潜在危险。断裂力学认为裂纹只有达到临界裂纹才是破坏，每一巡检部位的临界裂纹长度 c可由裂纹部位的应力状态和构件材料的断裂参数确定。理论计算公式为[3]

（1）

式中 材料的疲劳断裂韧性

y 修正系数，取y=1~1.12

max、 min 对应着一个载荷循环中的第一主应力的最大值和最小值

然后系统对结构件进行ANSYS有限元分析，通过应力云图确定巡检部位裂纹敏感区及应力值，如图2所示，该结构为M02型起重机的人字架部分，其中A，B为应力敏感区。则裂纹从初始裂纹长度 0扩展到临界长度 c所经历的应力交变次数就是裂纹的扩展寿命N，理论计算公式为

（2）

其中，c、m为材料常数，可由实验确定。N除以安全系数n就是巡检周期，从而预测可见裂纹逐步扩展到临界裂纹导致结构折断的间隔时间，进行周期巡检，防止突发性折断事故。

图2 通过应力云图确定应力值

3. 实际应用

在上海港有1台使用近20年的16 t门机[4]，其人字架部分出现约15 mm长的裂纹，见图3，且两侧对称。通过应力测试仪测得该处实际应力值为70.66 MPa，该处有限元计算的应力值为66.8 MPa，每天平均起吊次数为400次。经过软件系统的运算通过实际测量应力和用有限元计算的方法所预测的裂纹扩展的剩余寿命均不少于3年，巡检周期为2~3个月1次，也说明了2种应力获取方法所得结果基本一致。由于安全使用期限较长，所以，仅对该处裂纹的长度根据算得的巡检周期进行监控，对该区域的应力通过硬件系统进行长期的在线监测，而不用停机检修，使得生产未受任何影响，实际上是为公司创造了效益。

图3 人字架裂纹处应力测试

通过该系统在上海港的示范效应，广州港务集团有限公司也在武汉理工大学物流学院专家、教授的指导下，积极培训技术人员，掌握结构的应力测试技术，并通过港口起重机械金属结构裂纹诊断系统所带的结构有限元计算的应力云图，指导技术人员重点关注应力水平较高部位，使得大型起重机械金属结构的日常巡检更有科学依据，保证了金属结构的安全，也提高了技术人员的工作效率。

4. 系统的改进

虽然用ANSYS分析起重机金属结构得到应力云图能快速、方便地指导技术人员控制起重机裂纹扩展速度，但由于通过ANSYS建立起重机金属结构分析模型耗时较长，而且需结构的详细图纸，从广州及其他地区港口提供的金属结构图纸来看，各港口各港务公司涉及的机型很多，若无图纸就无法完成建模，也就不能得到应力云图获取预测裂纹扩展速度的应力值；同时考虑到现场测量的应力值更接近实际，故有时候需要通过仪器实测应力。为了较好地开展这种测试工作，首先根据广州港提供的金属结构总图标注出测点位置及贴片方向、个数，然后将其集成到 港机金属结构故障诊断 软件中去，如图4所示。这种现场机械实际应力测试指导图的补充大大方便了无应力云图金属结构的故障诊断，并且给予港口技术人员贴片方式、个数及其位置的指导，极大地满足了现场测试的需要。从各港口反馈的情况也证实这种做法是受欢迎的[5]。图4的三角形位置为贴应变片位置，贴应变片位置也为重点巡检部位。实际上用实测的方法更能准确地得到该起重机结构受力的实际情况，缺点是技术人员素质参差不齐，所贴应变片效果可能差异较大，从而影响测量精度，应加强操作人员的培训与实际操作的考核与监督。

图4 桥式起重机应力测试指导图

5. 教训和经验

5.1 教训

（l）准备工作不充分 电源的配备，应变片的购买等等，很多必备工具的准备不足导致测试过程拖沓，浪费了大量的时间。

（2）贴应变片水平不高 由于平时未练习很好，造成大量的应变片失效、浪费，浪费了大量的时间，并且还可以看到由于贴片质量的好坏直接影响测试结果的，所以造成了测试结果可靠度不高。

（3）测试过程参与人员太多 比方说打磨表面、剪线、接线、贴片、测量很多人都在参与，现场比较混乱，思路不清晰。实际上，在准备工作做好的情况下，只需1~2人就可以胜任。

（4）测试经验不足 测试总以为需要停机，实际上不需要。贴片的过程和起重机工作是不矛盾的，当然也要注意人员安全，而对于测试，主要就是抓住测试时机的问题，当未承受载荷时马上平衡，当稳定受载后，马上读数即可完成整个测试过程。

5.2 经验

（1）配备专职巡检人员，进行重点培训，使其能够胜任专职巡检和测试任务；

（2）配备必要的测试仪器、工具；

（3）一般在不停机的情况下就可以进行测量任务；

（4）对人员的理论水平进行适当的培训以使得能在结构裂纹诊断的水平上能有所突破。

6. 结论

金属结构裂纹诊断与管理是一个复杂的问题，它融合多门学科的理论方法途径。本文主要从应用的角度对港口起重机金属结构裂纹诊断系统的理论及其功能的完善做了大量工作，但随着科学技术的发展，还有很多问题需要做进一步的研究；同时对于进行应用诊断系统的一线技术管理人员，应加强理论培训及相关测试技术能力的培养，这将有助于结构诊断技术的推广应用，也有助于在实际应用中得到较好的效果。