基于應變測試法和磁記憶檢測法檢測起重機金屬結構

龐瀛洲

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院張家港分院，江蘇 張家港 215600）

港口門座式起重機作為碼頭貨物裝卸的主要設備，其工作環境較惡劣，載荷繁重，每日工作循環次數多。因此隨著使用時間的推移，在載荷、環境等因素的作用下，起重機整體性能必然會衰退。依據相關標準，起重機通常設計使用年限為20 年，而所檢測的門座式起重機于1996 年生產并投入使用，至今已累計投入運行達22 年，超過了起重機的一般設計使用年限。并且由于該起重機的設計結構和生產制造工藝較為老舊落后，使用單位為保證設備使用安全，特委托江蘇特檢院張家港分院對該設備狀態進行全面安全評估。為盡早發現老舊起重機存在的隱患，采用應變檢測方法和磁記憶檢測方法對起重機金屬結構進行檢驗。該門座起重機設備型號為MQ16-30A6，額定載荷為16T，變幅區間為8.5 ～16m。應力測試工況為：起始起重機位于最小幅度，起升鋼絲繩處于松弛狀態，載荷通過吊具掛于吊鉤之上，隨后起升載荷至載荷完全脫離地面，保持載荷靜止后，啟動變幅機構至最大幅度，待載荷靜止后，下降載荷至起升鋼絲繩松弛。應力測試載荷分別為：空載、5.54T、10.08T、14.62T。

1 應力測試點

依據門座式起重機檢驗經驗，對起重機進行結構分析和參考仿真計算結果，測點選取位置如圖1 所示。

圖1 應力測試點分布圖

應力測試點詳細位置說明如表1 所示。

表1 應力測量位置表

2 起重機金屬結構應力測試值

門座起重機在不同載荷下每個應變測試點應力測量值如表2 所示。

表2 各測試點應力測量結果

圖2 各測試點應變曲線圖

圖2 為在測試工況下各應變測量點的應變曲線圖，由圖中可以看到9#測試點應變花三方向的應變數據呈現同號同方向變化。由于采用第四強度理論進行檢驗，9#測試點計算獲得的應力數值并不大。但通過對起重機結構進行分析，變幅機構作用力直接作用于9#測試點位置從而實現整個臂架系統的變幅運動，并且該處金屬結構受到典型疲勞載荷作用，因此采用磁記憶檢測設備對該處金屬結構進行復檢。

3 磁記憶檢測理論及檢測結果

3.1 磁記憶無損檢測的機理

對于已經出現的各種微觀和宏觀缺陷，磁記憶技術對之檢測的機理更類似于磁粉檢測，如圖3 所示，磁力線在通過缺陷處的介質時產生畸變，形成表面漏磁場，通過對漏磁昌Hp 的測定，來對缺陷進行判斷。

圖3 缺陷漏磁場的產生

如圖4 所示，對于應力集中區，磁記憶檢測技術探測的機理可以表述為：處于地磁環境下的鐵磁工件受工作載荷的作用，其內部發生具有磁致伸縮性質的磁疇組織定向的和不可逆的重新取向，并在應力與變形集中區形成局部磁極，即漏磁場Hp。漏磁場Hp 的切向分量Hp(x)具有最大值，而法向分量Hp(y)改變符號且具有零值點。這種磁狀態的不可逆變化在工作載荷消除后繼續保留。從而通過漏磁場的法向分量Hp(y)及其在長度方向的梯度值的測定，便可以準確地推斷工件的應力集中區。

圖4 外磁場作用下的應力集中區的表面漏磁場

3.2 磁記憶檢測結果

對測試點9 進行磁記憶檢測，該處金屬結構磁記憶檢測結果如圖5 所示，并且在檢測現場對檢測結果異常區進行標記，標記區域如圖6 所示。通過磁記憶檢測圖線可知測試點9 處有強烈的磁記憶信號波動，反復過零點，漏磁場梯度明顯超過閾值，可以推測此處是應力集中區，并且金屬結構內部存在缺陷。

圖5 測試點9 漏磁場強度Hp(y)分布曲線(上)和漏磁場梯度dH/dx 分布圖

4 檢測結論

由于該起重機的主要金屬結構所用材料為Q235， 其 屈 服 強 度為235MPa，據國家標準GB/T3811-2008《 起 重機設計規范》許用應力235/1.34=174.07MPa，由應力測量結果可以得出，金屬結構的最大工作應力67.62MPa，位于象鼻架上，且最大工作應力小于設計許用應力。雖然測量的最大工作應力小于許用應力，但不意味著金屬結構有足夠的強度和使用壽命，其原因如下：在測試點9(大臂連接鉸點)處計算獲得的應力值雖然不大，但該處第一和第三主應力為同號應力?？紤]到測試點9 處金屬結構同時承受臂架系統自身重力、變幅機構推拉力以及焊接時產生的焊接應力，因此該處金屬結構存在較大的固有應力，并且部分金屬區域可能存在三向同號主應力。依據第四強度理論，材料發生屈服失效的主要原因是畸變能密度達到極限值，即不論材料處于何種應力狀態，當危險點的畸變能密度達到材料的單向拉伸屈服強度時，材料就發生屈服失效。在考慮安全系數之后，第四強度計算公式為：，從計算公式可以看出，當金屬承受三向同號且數值相近的主應力時，材料的屈服強度貌似可以無限大，實際上是金屬材料塑形下降進入脆性狀態，當某一主應力超過材料強度時則發生脆斷[E]。同時通過對該處金屬結構進行磁記憶檢測，發現測試點9 有多處高應力區和疲勞損傷區，因此該區域金屬材料存在老化和脆化。

通過對門座起重機進行結構分析可知，此處金屬結構難以更換修理，并且結合該起重機使用時間已超過一般設計年限，因此從經濟性和安全性上建議設備使用單位及時更換該設備。

圖6 現場標記磁記憶檢測異常區