张国斌1 苏万斌1 齐子诚2 陈建伟11 嘉兴市特种设备检验检测院 嘉兴 314050 2 中国兵器科学研究院宁波分院 宁波 315103
摘 要：从设计制造、安装施工、使用载荷变化等方面对大型桥、门式起重机焊缝裂纹产生机理进行分析，结合设备管理的要求，对起重机的使用维护及焊缝裂纹的修补给出解决方案。在此基础上，以爬壁机器人作为载体，探讨其在无损检测中的关键技术，为研究起重机自动无损检测技术及应用提供参考。
关键词：桥、门式起重机；焊缝裂纹；机理；爬壁机器人；检测关键技术
0 引言大型桥、门式起重机是大型设备安装、工程施工、船舶制造等现代化生产作业中实现机械化、自动化、减轻体力劳动并提高生产效率的重要机械设备，其强大的装卸、搬运能力有目共睹。桥、门式起重机的主要受力构件由上、下盖板、腹板及加劲板焊接而成的箱形结构（见图1），焊缝形式主要以角焊缝和对接焊缝为主，受力状况复杂，多处于多轴应力状态。特别是在役大型起重机械，长期承受交变载荷，主梁震动频繁；作业环境复杂，温差大，湿度高，设备长期受交变热应力影响，易在应力集中的焊缝处产生疲劳裂纹。疲劳断裂作为起重机机械结构主要的破坏形式之一[1]，具有突发性，高度局部性，降低起重机的使用性能及使用寿命，严重的造成起重机主梁折断，危害生命财产安全。
1. 上盖板 2. 水平加劲板 3. 短加劲 4.长加劲板5. 下盖板 6. 板腹板图1 箱形结构主梁示意图
大型桥、门式起重机一般选用高强度钢材作为金属结构件，在设计制造时选择合理的母材、焊条及焊接工艺并进行相应的焊接试验，以减小结构制造内应力，防止焊缝出现裂纹非常重要。焊缝裂纹是起重机械金属结构最为常见和最危险的危害之一，占起重机结构故障的80％～ 90%，如图2 所示。本文通过对在役起重机在不同工作环境下焊缝裂纹产生机理进行分析，结合设备管理的要求，对使用中起重机裂纹的修补及检测关键技术进行探讨，达到及早发现故障，延长起重机的使用寿命，确保起重机能够处于长期的安全运行状态。
图2 起重机金属结构焊缝裂纹
1 焊缝裂纹产生机理分析大型桥、门式起重机具有庞大的结构和复杂的机构，且所吊运货物多种多样，载荷不断发生变化，作业环境亦较复杂。从设计制造，焊接工艺施工到安装过程中的误差及至使用在高温、湿度大、酸性场合等都会引起焊缝产生裂纹及裂纹加速扩展。
1.1 起重机设计制造、安装及焊接施工影响1）起重机在选型时客户的需求不明确，以致工作级别与实际使用工况不对应，设计不合理，起重机主要受力构件（桥架、门架、主支撑腿等）刚度不足，有些部位（特别是焊缝位置处）应力过大，当超过材料的许用应力时，便会在焊缝处产生破坏性裂纹。
2）在制造过程中，由于放样尺寸和实际尺寸之间的误差，以及生产设备、工艺装备在起重机金属结构（盖板、腹板等）下料切割时自身存在的误差和起重机主体结构在由多块板料拼接时的误差，这些误差如不加以控制，在综合作用下，致使起重机结构尺寸存在波浪变形及水平弯曲。在交变载荷长期作用下，应力集中的焊缝处容易产生细微裂纹并逐步扩散，最终引起严重破坏。
3）在安装施工过程中，起重机主梁与端梁连接的直线度，刚性支腿与主梁连接的垂直度和四边车轮轴中心对角线差超标以及大车两侧车轮轨道高度差超标会使大车运行时车轮轮缘与轨道摩擦，发生啃轨、运行卡阻现象。当达到起重机焊缝许用应力极限时，便会产生裂纹，引起破坏。
4）在焊缝连接的设计中，焊缝应具有与母材同等的综合机械性能，起重机金属结构焊接工艺大多采用手工电弧焊，会出现夹渣、气孔、未熔透、未焊透等现象，致使焊缝承受纵向拉伸、压缩，承受剪切时许用应力低于母材的机械性能，在焊缝处产生裂纹的倾向性比较大。大型起重机在设计制造时，主要受力部位的钢板厚，支撑部位的钢板薄，形成较多薄厚板角焊缝，且由于焊件的不均匀受热；焊缝金属由液态冷却为固态时收缩不充分；钢材在加热和冷却过程中金相组织会发生变化等形成了焊接应力，最终导致焊缝处产生裂纹的倾向性变大。
1.2 起重机载荷变化影响起重机金属结构在远低于材料强度极限甚至屈服极限的循环应力和交变应力的作用下，结构件母材连接处或应力集中部位逐渐产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数产生裂纹或突然发生断裂，这种疲劳破坏是起重机金属结构最常见的缺陷，主要发生在焊缝连接处。起重机工作时的载荷工况复杂，金属结构除了承受自重载荷、工作载荷外，还受到振动载荷、冲击载荷、水平惯性力、风载荷等的影响，主要受力部件在循环交变应力的作用下，由于存在原始缺陷，使疲劳损伤产生的裂纹持续扩展，最终形成断裂等难以修复的失效。起重机在选型设计时已确定了整机的工作级别，由使用等级和载荷状态决定。使用等级是起重机的设计预期寿命，指预设的起重机从开始使用到最终报废时能完成的总工作循环次数。当使用年限过长，超过了总工作循环数，在长期交变应力作用下，裂纹的产生无法避免。载荷状态是指在起重机的设计预期寿命期限内，各个有代表性的起升载荷值的大小及各相对应的起吊次数，与起重机额定起升载荷值的大小及总起吊次数的比值情况。其已确定起重机正常使用情况下所吊运的载荷范围，若选型不当或工作环境的用途发生变化，起重机的服务对象载荷状态增大，即使未达到预期使用寿命，在长期重载的作用下，也会加剧焊缝裂纹的形成和扩展。
当吊物起升、或悬吊在半空中的吊物突然卸载、或悬吊在半空中的吊物下降制动时，起重机金属结构的自重将因出现振动而产生脉冲式增大或减小的动力响应，称为自重振动载荷。过大的自重振动载荷主要由起升制动器过紧导致。制动力矩过大，起重机制动距离就会变短，由S ＝ Vt2/（2a）、F ＝ ma，可得F ＝ m· [Vt2/（2a）]。制动距离越短，下降速度越快，起重机的自重越大，反馈到起重机金属结构本体的应力也就越大，对设备的伤害亦越大，超过材料强大极限时就会产生裂纹。
1.3 作业环境对焊缝裂纹产生的影响桥、门式起重机的作业环境复杂，有些工作环境恶劣。在露天工作的起重机要承受风雨雪的侵蚀以及夏冬季高低温对起重机的损伤；在冶金铸造车间工作的起重机常年工作温度大于40℃，易产生疲劳破坏，更有在盐碱、酸性等腐蚀性环境下作业。在有些地区，起重机使用时的季节性温差很大，温度的变化引起结构件膨胀或收缩，随着温度的升高，金属结构的强度降低而塑性增加，起重机在长期载荷作用下产生蠕变塑性变形现象，在焊缝处易出现裂纹甚至断裂；反之，在低温环境下，焊缝在纵向残余拉伸应力与自重载荷引起的纵向拉伸应力的联合作用影响下，极易产生脆性破坏，随着温度的降低，金属结构构件的厚度越大，脆性破坏的危险性也越大。
起重机在酸性、盐碱环境下作业，生锈腐蚀难以避免。即便起重机的金属结构采取喷涂防锈漆等处理，然而由于大气中含有大量的腐蚀性介质，起重机长期在这种环境下工作，金属表面就会产生腐蚀，随后在使用中由于风吹日晒、温度变化、摩擦、机械撞击等的作用，金属结构的表面涂层被破坏，大大失去了对内部结构的保护能力。在超载、交变载荷以及其他各类附加载荷的长期作用下，起重机的强度和刚度大大降低，应力集中的焊缝位置处产生裂纹，缩短起重机的使用寿命，甚至出现断裂的危害。
2 金属结构的维护保养及裂纹修补起重机的运行状态直接关系到人身和设备安全，金属结构的经常性维护保养是确保安全运行的重要环节，应与周检、年度检查、预见性修理和大修理结合进行。在运输过程中应尽量设法防止结构件变形及碰撞破坏，在使用期间，必须定期检查和保养，以防锈蚀。另外，还应经常检查连接处是否松动，焊缝有无出现裂纹，结构件有无变形等情况，对已出现下挠或旁弯的主梁进行矫正修理并加固，对整台起重机全部清洗干净并喷涂防锈漆两遍加以保护。
当焊缝出现裂纹后，直接降低了起重机的安全性能和使用寿命，同时对作业人员、工作场所内的设备也带来极大的安全隐患。对起重机焊缝的修补主要集中在以下方面：改善接头形式降低应力集中等级，对双面连续焊缝的头部进行包裹回焊，采用较大半径的圆弧过渡板以减少内应力等。对裂纹尚未扩展位置，予以贴板加固处理，避免应力集中，对于大面积、范围广的裂纹，应拆下相应的结构件予以修理，必要时应更换金属结构，以确保结构安全。
3 焊缝裂纹的检测及爬壁机器人应用目前，对大型桥、门式起重机焊缝检测较少，以出厂检测和非工作状态检测为主，检测手段和成套检测设备单一。在役起重机金属结构焊缝检测主要以超声波检测和磁粉检测为主，通用的无损检测方法，技术成熟，标准规范，但检测效率低，检测焊缝长度比例严重不足，无法实现主要受力构件焊缝快速、全面检测。
采用超声波无损检测是确保金属结构焊缝质量的关键技术。随着机械电子、计算机技术、信号处理等技术的发展，自动化、智能化超声无损检测技术逐渐成为研究热点。自20 世纪70 年代以来，国际上就开始了自动化检测技术研究。常规超声自动化系统及方案大多数是围绕着一个水浸槽设计，通过控制伺服电机来驱动机械系统控制超声探头空间位置和姿态，实现自动检测弧面和复杂曲面[2]。对于在役大型金属结构，这种自动化检测系统应用具有很大的局限性。
爬壁机器人是一种能够在壁面爬行作业的极限作业机器人，随着吸附方式的研究日趋成熟，国内外研究人员开始尝试将其与无损检测技术相结合。日本公司研制了一种蜘蛛型爬行机器人，用于球罐结合面焊缝超声波探伤[3，4]；美国iRobot 公司为日本福岛核电事故生产的轻型机器人PackBot，经过抗辐射处理后，能监测核电站机组的辐射量[5]，如图3 所示；加拿大公司设计并建造了蛇形臂监测机器人，应用于反应堆中复杂的管道和结构进行监测和检测[6]，如图4 所示；英国的Silverwing 公司研制了超声波自动爬行壁厚检测系统[7]用于检测储罐、球罐、导管、钻机、船舶等碳钢结构材料的腐蚀情况；德国 Hans Walischmille 股份有限公司开发了用于蒸汽发生器检修的机器人[8，9]。
图3 PackBot 轻型机器人
图4 加拿大SAFIRE 蛇形监测机器人
近几年，国内爬壁检测机器人的研究已取得了很大进步，许多科研机构开展了相关的研究。研究人员开发出一种专门用于检测金属油罐容积的机器人[10]，用于替代传统的人工探伤检测；研制了以磁吸附爬壁机器人为载体，搭载涡流无损检测设备，用于大型垂直圆柱形油罐侧壁中凹坑、裂纹、内部孔洞等缺陷，能在快速移动过程中检测出宽0.5 mm、深0.5 mm 的裂纹和直径1mm 的孔洞[11]；针对电站锅炉水冷壁管管壁内外表面缺陷检测，将漏磁普查和超声精检相结合研制了一种能在管壁表面自动爬行的无损检测机器人系统[12]。纵观超声自动化检测技术的现状，目前基于水浸超声波C 扫描检测技术较为成熟，但不适合检测大型金属结构。基于爬壁机器人的超声波检测技术具有体积小、灵活性高等优点，没有最大扫查范围的限制，较前者具有明显的优势，但仍然存在一些关键技术需要研究。
1）结构及扫描路径方面目前，已有的无损检测自动化设备均是针对具体对象需求，开展结构设计，移动速度、灵活性和稳定性难以同时达到最优，无法直接用于在役大型起重机焊缝超声波检。此外，复杂的金属结构如何有效开展超声波检测还涉及到扫描路径规划，需要合理优化移动方式才能满足大型起重机超声检测所需的曲面适应性、转向灵活性及移动快速稳定的要求。
2）超声波缺陷精确定位定量技术研究角焊缝（T 形焊缝）内部缺陷势必会导致产品使用中存在安全隐患，而缺陷的形貌和走向对大型起重机械是否报废或如何进行维修有着重要的意义。焊缝超声波原位探伤中，现场条件恶劣、耦合差、检测区域油漆面的影响，均会造成超声杂波反射较高，降噪和灵敏度补偿方法就显得格外重要，但在役角焊缝（T 形焊缝）超声检测的降噪补偿、评定以及缺陷结果图像化技术研究尚未开展。
由于对大型桥、门式起重机焊缝自动超声检测的迫切需求，需要在吸收已有成果的基础上，围绕高效的超声检测技术、磁吸附爬行结构设计（见图5）、扫查轨迹优化、缺陷类型（当量）及超声信号表征的映射关系等若干问题开展创新性研究。
图5 焊缝检测磁吸附爬行机器人
4 结论对大型桥、门式起重机金属结构焊缝裂纹的产生机理进行分析，并提出了维护保养中的注意事项以及修补方法。在对爬壁机器人进行无损检测研究的基础上，探讨其在起重机焊缝裂纹检测的关键技术，为在役起重机焊缝自动无损检测技术提供参考。
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