基于应变测试法和磁记忆检测法检测起重机金属结构

庞瀛洲

（江苏省特种设备安全监督检验研究院张家港分院，江苏 张家港 215600）

港口门座式起重机作为码头货物装卸的主要设备，其工作环境较恶劣，载荷繁重，每日工作循环次数多。因此随着使用时间的推移，在载荷、环境等因素的作用下，起重机整体性能必然会衰退。依据相关标准，起重机通常设计使用年限为20 年，而所检测的门座式起重机于1996 年生产并投入使用，至今已累计投入运行达22 年，超过了起重机的一般设计使用年限。并且由于该起重机的设计结构和生产制造工艺较为老旧落后，使用单位为保证设备使用安全，特委托江苏特检院张家港分院对该设备状态进行全面安全评估。为尽早发现老旧起重机存在的隐患，采用应变检测方法和磁记忆检测方法对起重机金属结构进行检验。该门座起重机设备型号为MQ16-30A6，额定载荷为16T，变幅区间为8.5 ～16m。应力测试工况为：起始起重机位于最小幅度，起升钢丝绳处于松弛状态，载荷通过吊具挂于吊钩之上，随后起升载荷至载荷完全脱离地面，保持载荷静止后，启动变幅机构至最大幅度，待载荷静止后，下降载荷至起升钢丝绳松弛。应力测试载荷分别为：空载、5.54T、10.08T、14.62T。

1 应力测试点

依据门座式起重机检验经验，对起重机进行结构分析和参考仿真计算结果，测点选取位置如图1 所示。

图1 应力测试点分布图

应力测试点详细位置说明如表1 所示。

表1 应力测量位置表

2 起重机金属结构应力测试值

门座起重机在不同载荷下每个应变测试点应力测量值如表2 所示。

表2 各测试点应力测量结果

图2 各测试点应变曲线图

图2 为在测试工况下各应变测量点的应变曲线图，由图中可以看到9#测试点应变花三方向的应变数据呈现同号同方向变化。由于采用第四强度理论进行检验，9#测试点计算获得的应力数值并不大。但通过对起重机结构进行分析，变幅机构作用力直接作用于9#测试点位置从而实现整个臂架系统的变幅运动，并且该处金属结构受到典型疲劳载荷作用，因此采用磁记忆检测设备对该处金属结构进行复检。

3 磁记忆检测理论及检测结果

3.1 磁记忆无损检测的机理

对于已经出现的各种微观和宏观缺陷，磁记忆技术对之检测的机理更类似于磁粉检测，如图3 所示，磁力线在通过缺陷处的介质时产生畸变，形成表面漏磁场，通过对漏磁昌Hp 的测定，来对缺陷进行判断。

图3 缺陷漏磁场的产生

如图4 所示，对于应力集中区，磁记忆检测技术探测的机理可以表述为：处于地磁环境下的铁磁工件受工作载荷的作用，其内部发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向的和不可逆的重新取向，并在应力与变形集中区形成局部磁极，即漏磁场Hp。漏磁场Hp 的切向分量Hp(x)具有最大值，而法向分量Hp(y)改变符号且具有零值点。这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后继续保留。从而通过漏磁场的法向分量Hp(y)及其在长度方向的梯度值的测定，便可以准确地推断工件的应力集中区。

图4 外磁场作用下的应力集中区的表面漏磁场

3.2 磁记忆检测结果

对测试点9 进行磁记忆检测，该处金属结构磁记忆检测结果如图5 所示，并且在检测现场对检测结果异常区进行标记，标记区域如图6 所示。通过磁记忆检测图线可知测试点9 处有强烈的磁记忆信号波动，反复过零点，漏磁场梯度明显超过阈值，可以推测此处是应力集中区，并且金属结构内部存在缺陷。

图5 测试点9 漏磁场强度Hp(y)分布曲线(上)和漏磁场梯度dH/dx 分布图

4 检测结论

由于该起重机的主要金属结构所用材料为Q235， 其 屈 服 强 度为235MPa，据国家标准GB/T3811-2008《 起 重机设计规范》许用应力235/1.34=174.07MPa，由应力测量结果可以得出，金属结构的最大工作应力67.62MPa，位于象鼻架上，且最大工作应力小于设计许用应力。虽然测量的最大工作应力小于许用应力，但不意味着金属结构有足够的强度和使用寿命，其原因如下：在测试点9(大臂连接铰点)处计算获得的应力值虽然不大，但该处第一和第三主应力为同号应力。考虑到测试点9 处金属结构同时承受臂架系统自身重力、变幅机构推拉力以及焊接时产生的焊接应力，因此该处金属结构存在较大的固有应力，并且部分金属区域可能存在三向同号主应力。依据第四强度理论，材料发生屈服失效的主要原因是畸变能密度达到极限值，即不论材料处于何种应力状态，当危险点的畸变能密度达到材料的单向拉伸屈服强度时，材料就发生屈服失效。在考虑安全系数之后，第四强度计算公式为：，从计算公式可以看出，当金属承受三向同号且数值相近的主应力时，材料的屈服强度貌似可以无限大，实际上是金属材料塑形下降进入脆性状态，当某一主应力超过材料强度时则发生脆断[E]。同时通过对该处金属结构进行磁记忆检测，发现测试点9 有多处高应力区和疲劳损伤区，因此该区域金属材料存在老化和脆化。

通过对门座起重机进行结构分析可知，此处金属结构难以更换修理，并且结合该起重机使用时间已超过一般设计年限，因此从经济性和安全性上建议设备使用单位及时更换该设备。

图6 现场标记磁记忆检测异常区