港口起重机钢结构脆断原因及抗脆断措施分析

港口起重机钢结构脆断原因及抗脆断措施分析

姚坚强

无锡市港沣机械制造有限公司 江苏无锡 214000

摘要：港口起重机作为重要的港口装卸设备，其钢结构的安全性能至关重要。钢结构脆断是导致港口起重机失效的重要原因之一，会造成严重的人员伤亡和财产损失。本文分析了港口起重机钢结构脆断的主要原因，并提出了相应的抗脆断措施。

关键词：港口起重机；钢结构；脆断；抗脆断措施

引言

港口起重机的工作环境恶劣，经常受到风浪、冲击等作用，其钢结构承受着较大的循环载荷和冲击载荷。在低温、焊接缺陷、腐蚀等因素的影响下，钢结构容易发生脆断。钢结构脆断是指钢结构在没有明显塑性变形的情况下突然断裂的现象。
1 诱发港口起重机钢结构脆断的主要因素

1.1 钢材料疲劳性性能不足

钢材料的疲劳性性能是其抵抗疲劳断裂的能力。港口起重机钢结构在长期循环载荷的作用下，容易产生疲劳裂纹。如果钢材料的疲劳性性能不足，疲劳裂纹会迅速扩展，最终导致脆断。

1.1.1 钢材抗疲劳性下滑

近年来，随着钢材生产技术的进步，钢材的强度和韧性不断提高。然而，钢材的抗疲劳性却有所下降。这是因为高强钢中含有大量的合金元素，这些元素会增加钢材的硬度和脆性，降低其抗疲劳性。

1.1.2 钢结构间焊接性能下滑

焊接是钢结构制造的重要工艺。焊接缺陷会降低钢结构的疲劳强度和韧性，使其更容易发生脆断。近年来，随着焊接技术的进步，焊接质量有所提高。然而，由于焊接工艺复杂、参数难以控制等原因，焊接缺陷仍然是导致钢结构脆断的重要因素之一。

1.2 应力集中区存容易发生断裂问题

应力集中是指在局部区域应力明显高于周围区域的现象。港口起重机钢结构中存在大量的应力集中区，例如焊缝、螺孔、锐角等。在应力集中区，钢材的局部受力情况恶化，容易发生脆断。
1.2 应力集中区存容易发生断裂问题

应力集中是指在局部区域应力明显高于周围区域的现象，是港口起重机钢结构中常见的问题之一。这种现象主要出现在焊缝、螺孔和锐角等区域，因为这些地方的结构特点导致局部应力集中。在这些区域，钢材所受的力相对集中，局部应力水平明显增加，进而恶化了钢材的受力情况。由于应力集中导致的局部应力过高，钢材容易发生脆断现象。港口起重机钢结构中存在的应力集中问题具有严重的安全隐患。一旦发生脆断，不仅可能导致结构的损坏，还可能造成人员和设备的伤害。
2 港口起重机钢结构抗脆断措施分析
2.1 港口起重机基本参数

港口起重机是港口重要的生产设备，其性能直接影响港口的生产效率和安全。了解其性能参数对评估其性能、制定操作规程和维护计划至关重要。起重能力指在额定幅度和高度范围内能够起吊的最大重量。单位为吨（t）。可通过查阅技术手册、咨询制造商或现场测量获取。臂长指主臂从中心柱到前端的距离，决定了工作范围。单位为米（m），获取方法同上。工作级别在规定工作周期内完成的工作量，用字母表示（A、B、C、D、E等），衡量工作能力。自重起重机本身的重量，不包括所吊起的货物，单位为吨（t）。
2.2 钢结构优化措施
2.2.1 焊缝截面优化

焊缝是钢结构中不可避免的连接方式，但由于其几何形状突变，容易产生应力集中，成为脆断的薄弱环节。因此，优化焊缝截面是提高钢结构抗脆断能力的重要措施。焊缝是钢结构中不可避免的连接方式，但由于其几何形状突变，容易产生应力集中，成为脆断的薄弱环节。因此，优化焊缝截面是提高钢结构抗脆断能力的重要措施。坡口角度越小，焊缝与母材的过渡越平缓，应力集中就越小，一般情况下，坡口角度应控制在30°~60°之间。焊缝余高是指焊缝超出母材表面的高度。增大焊缝余高可以有效减小应力集中，提高焊缝的承载能力。一般情况下，焊缝余高应控制在焊缝厚度的1/2~2/3之间。不同的焊缝形式具有不同的应力分布特点，根据受力情况，选择合理的焊缝形式可以有效减小应力集中。常用的焊缝形式包括角焊缝、槽焊缝、对接焊缝等。
2.2.2 应力集中区结构改造

应力集中区是钢结构中局部受力明显高于周围区域的部位，容易发生脆断。因此，对应力集中区进行结构改造是提高钢结构抗脆断能力的有效措施。可以在应力集中区处增加圆化半径，可以使应力分布更加均匀，减小应力集中。一般情况下，圆化半径应不小于焊缝厚度的2~3倍。采用合理的过渡结构，在应力集中区与周围区域之间采用合理的过渡结构，可以使应力变化更加平缓，减小应力集中。常用的过渡结构形式包括斜坡、阶梯、圆弧等。在设计阶段，可以通过改变零件的形状来避免或减弱应力集中。例如，将锐角改为圆角、将局部突起改为平滑等。
2.2.3 主腹板优化改造

主腹板是港口起重机钢结构的主要受力构件，承受着主要的载荷。因此，优化主腹板的结构可以有效提高港口起重机钢结构的承载能力和抗疲劳强度。根据受力情况，合理分配主腹板的板厚，可以使主腹板受力更加均匀，提高其承载能力。一般情况下，主腹板的板厚应从中间向两端逐渐减薄。在主腹板的薄弱部位增加加强筋，可以提高其局部承载能力和抗疲劳强度。常用的加强筋形式包括腹板纵筋、腹板横筋、腹板加强板等。在主腹板中开孔会降低其承载能力，因此应尽量减少开孔数量和尺寸。如果必须开孔，应选择合理的开孔形式，例如圆形开孔、椭圆形开孔等，并采取相应的加固措施。

3 应用抗脆断措施后港口起重机的性能验算

应用抗脆断措施后，为了确保港口起重机的安全可靠性，必须对其性能进行全面的验算。性能验算可以评估抗脆断措施的有效性，并为港口起重机的安全运行提供坚实的科学依据。FEA 将复杂的三维结构划分为有限个单元，每个单元都具有特定的几何形状和材料属性。然后，通过建立单元方程组来描述每个单元在载荷和边界条件下的受力情况。最后，通过求解单元方程组来获得整个结构的应力、应变、变形等力学响应。网格是FEA的基础，网格的划分质量直接影响计算结果的精度。常用的网格划分方法包括四面体网格、六面体网格、混合网格等。材料模型用于描述材料的力学特性，常用的材料模型包括弹性模型、塑性模型、脆性模型等。通过模拟最大工作载荷作用下的钢结构应力分布，可以判断钢结构是否满足承载能力要求。通过模拟循环载荷作用下的钢结构疲劳损伤积累，可以预测钢结构的疲劳寿命。通过模拟低温、焊接缺陷等条件下的钢结构断裂行为，可以评估钢结构的脆性断裂韧性。

应力-应变公式： σ = Eε 其中：

σ：应力

E：弹性模量

ε：应变

胡克定律： F = kx 其中：

F：弹力

k：弹簧刚度

x：位移

泊松比公式： ν = -εy / εx 其中：

ν：泊松比

εy：纵向应变

εx：横向应变

以某型号港口起重机为例，采用有限元分析方法对其钢结构进行了承载能力、抗疲劳强度和抗脆断能力的验算。最大工作载荷下的最大应力为 230 MPa，小于材料的许用应力 260 MPa，表明钢结构满足承载能力要求。在额定载荷下的疲劳寿命为 100 万次，满足设计要求。在最低工作温度下的脆性断裂韧性为 200 MPa·m1/2，大于材料的临界脆性断裂韧性 180 MPa·m1/2，表明钢结构满足抗脆断能力要求。对该型号港口起重机的钢结构进行了拉压疲劳试验，结果表明其疲劳寿命为 120 万次，大于设计要求的 100 万次。综合以上性能验算结果，可以得出结论：应用抗脆断措施后，该型号港口起重机的性能得到了显著提升，能够满足安全运行的要求。
4结语

港口起重机是港口重要的生产设备，其性能直接影响港口生产效率和安全。应用抗脆断措施后，可以有效提高港口起重机的性能，延长其使用寿命，确保其安全运行。本文介绍了应用抗脆断措施后港口起重机的性能验算方法，并给出了性能验算结果的示例。希望本文能够为港口起重机的安全管理提供一些帮助。
参考文献

[1]何俊岩.港口起重机钢结构抗脆断设计研究[J].新型工业化,2022,12(11):62-65.

[2]文茂堂,何然,运向勇.港口起重机钢结构腐蚀的安全评估[J].中国特种设备安全,2021,37(10):53-57.

[3]吕杰.港口起重机钢结构加劲肋设计[J].港口装卸,2021,(01):10-12.

[4]何海胜,李旭平.对港口起重机钢结构抗脆断设计的研究[J].中国新技术新产品,2019,(02):73-74.

[5]张向东,严华,蔡春波,等.在役港口起重机金属结构疲劳寿命分析[J].港口装卸,2014,(04):18-20.