鋼結(jié)構(gòu)低溫凍脹開(kāi)裂的分析與研究

鋼結(jié)構(gòu)低溫凍脹開(kāi)裂的分析與研究

0臂架下鉸點(diǎn)翼緣板三大變形事件的分析近年來(lái)，在北方的港口和造船廠，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的翼緣板的張力和開(kāi)裂，這直接影響到正常生產(chǎn)。通過(guò)分析,該類(lèi)事件存在著大多發(fā)生在北方中高緯度地區(qū)、基本在開(kāi)春以后的例行檢查時(shí)被發(fā)現(xiàn)、鋼結(jié)構(gòu)部位往往在臂架下鉸點(diǎn)或?qū)χ仄胶饬合裸q點(diǎn)等箱形結(jié)構(gòu)處的特點(diǎn)。以北方某船廠的臂架下鉸點(diǎn)故障為例,在例行檢查中,發(fā)現(xiàn)臂架下鉸點(diǎn)翼緣板出現(xiàn)鼓脹現(xiàn)象,位置如圖1所示,圖中位置1、6變形最大,最大變形達(dá)15mm。形狀為中間凸,向兩側(cè)逐漸平緩。1冬季結(jié)冰激凌形成鼓脹臂架下鉸點(diǎn)的載荷由鉸軸承載。該鉸點(diǎn)箱形梁的外包翼緣板部位沒(méi)有外載荷。經(jīng)有限元仿真計(jì)算,按照該區(qū)隔翼緣板與腹板連續(xù)角焊縫,放射筋與翼緣板采用塞焊連結(jié)。翼緣板產(chǎn)生15mm的鼓脹變形,壓強(qiáng)需達(dá)到100MPa,該區(qū)域壓力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出該處焊縫所能承受的載荷。通過(guò)對(duì)該處鋼套和鉸點(diǎn)軸承檢查,并未發(fā)現(xiàn)異常。夏季時(shí),在凸起部位附近開(kāi)裂出現(xiàn)滲水,通過(guò)鉆孔放出大量積水,初步判斷該現(xiàn)象是因結(jié)構(gòu)內(nèi)積水,冬季結(jié)冰凍造成鼓脹。為了證明這一判斷,按照與實(shí)物1∶2的比例,做了一個(gè)臂架下鉸點(diǎn)的實(shí)物模型,灌水后模擬現(xiàn)場(chǎng)室外環(huán)境溫度(-10℃~-15℃)冷凍于室內(nèi)。先后做了2次實(shí)驗(yàn)。第一次,按照臂架晚間不工作狀態(tài)的角度放置,如圖2所示。冷凍約20h后發(fā)現(xiàn)水已經(jīng)結(jié)冰,并在靠近出水口的部位發(fā)生了鼓脹變形。第二次,按圖3所示調(diào)整擺放角度后,將水灌滿整個(gè)模型結(jié)構(gòu),觀察變形情況。經(jīng)放置約50h后,最大變形為6mm。由此可知,從形狀和尺寸基本可以推斷出翼緣板變形的成因,即由于結(jié)構(gòu)內(nèi)積水,流入鉸點(diǎn)結(jié)構(gòu)箱體內(nèi),而出入口較小,一旦出入口處先結(jié)冰,就成為封閉的壓力容器,鋼套在該結(jié)構(gòu)中是一個(gè)絕對(duì)的剛體,放射筋成喇叭狀布置,向軸心聚攏,筋板靠得越近,則承載外力的能力就越大。因此,冰只能向箱體中相對(duì)薄弱的翼緣板尋求突破,而喇叭口越大,翼緣板就越薄弱,也就最易變性。需要說(shuō)明的是,這個(gè)實(shí)驗(yàn)室在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行的,現(xiàn)場(chǎng)是多次反復(fù)冷凍,溫度也由高到低逐步變化。2水的按總壓力和分子力的壓力變化產(chǎn)生的冰的特性水之所以能冷賬熱縮是因?yàn)楫?dāng)環(huán)境溫度降低,對(duì)外熱傳遞而使水的分子運(yùn)動(dòng)減弱,最后結(jié)成冰。由于冰的分子空間比水的大,故其體積比水的大。在通常情況下,冰在0~-4℃區(qū)間內(nèi)的體積隨溫度的下降而膨脹。水分子在凍結(jié)過(guò)程中只要熱傳遞過(guò)程不斷,其運(yùn)動(dòng)就會(huì)不斷地減弱。因此,即使裝水的壓力容器空間有限,水不能得到通常成為冰的體積,也不能阻止水分子運(yùn)動(dòng)的減弱,而成為冰。結(jié)冰前壓力容器對(duì)水沒(méi)有額外的壓力,也不會(huì)影響水的冰點(diǎn)。之后環(huán)境溫度微小下降,水開(kāi)始結(jié)冰,此時(shí)產(chǎn)生膨脹壓(亦即結(jié)冰才會(huì)產(chǎn)生壓力),剛性結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固程度足以抵抗水結(jié)冰產(chǎn)生的膨脹壓力而不發(fā)生非彈性形變,即可測(cè)量這個(gè)壓力。冰的理論體積與實(shí)際容積提供的體積的差值決定著冰分子被壓縮的多少,也決定著分子力的多少。壓力還與結(jié)冰的速度有關(guān)。破壞總是在最薄弱的環(huán)節(jié)發(fā)生,冰往各個(gè)方向膨脹,直到冰找到那個(gè)能突破的薄弱部位。上述實(shí)例中之所以中間凸起,是因?yàn)橐砭壈逅闹芎缚p的作用,抗變形能力強(qiáng),而中間約束少相對(duì)薄弱。3影響鋼質(zhì)材料脆性的因素導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)在低溫環(huán)境下結(jié)冰膨脹的因素有水和鋼結(jié)構(gòu)等的作用。當(dāng)環(huán)境溫度下降到一定程度時(shí),水結(jié)冰膨脹,同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)熱脹冷縮,容積變小,壓力增強(qiáng),鋼的材質(zhì)變脆,力學(xué)性能發(fā)生變化,出現(xiàn)冷脆性破壞。用于制造起重設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)的常用材料是Q345,其冷脆性主要取決于脆硬傾向,雖然Q345含碳量<0.2%,但含有少量的合金元素,其脆硬性反比低碳鋼大,其重要指標(biāo)就是韌脆轉(zhuǎn)變溫度。韌脆轉(zhuǎn)變溫度是指物體在一定作用力下,在某一溫度下呈現(xiàn)脆性而高于此溫度呈現(xiàn)韌性的一種情況,這個(gè)溫度就是韌脆轉(zhuǎn)變溫度。其基本特征:1)與作用力大小有關(guān),作用力大小不同,此溫度也不同;2)隨升溫速率不同,其大小也不同。對(duì)于鋼材而言,在200℃時(shí)容易出現(xiàn)熱脆化,但超過(guò)這個(gè)溫度即又恢復(fù),而在低溫時(shí)又會(huì)產(chǎn)生冷脆性。在GB/T3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄1影響脆性破壞因素評(píng)價(jià)和鋼材質(zhì)量組別的選擇中,提到了額工作環(huán)境溫度的影響,鋼材質(zhì)量組別的劃分依據(jù)是鋼材牌號(hào)及相應(yīng)的沖擊韌性值。沖擊吸收功主要是評(píng)價(jià)材料抵抗外力沖擊的能力。對(duì)于起重機(jī)機(jī)械常用厚度在40mm以下的鋼板,V形缺口沖擊能量為25.51J/cm2時(shí)的溫度作為該材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度,其中韌-脆性轉(zhuǎn)變溫度是針對(duì)低碳鋼和低碳錳鋼,其他鋼材還無(wú)法進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)。在低溫環(huán)境下,應(yīng)使用低溫沖擊韌性較好的低溫合金鋼,典型的鋼種有碳素鋁脫氧鋼、低溫高強(qiáng)鋼。當(dāng)溫度低于常溫時(shí),鋼材的脆性隨溫度的降低而逐漸增大,可能會(huì)導(dǎo)致低溫脆斷。鋼材的破壞有塑性破壞和脆性破壞,其中脆性破壞是指加載后無(wú)明顯變形,故破壞前無(wú)預(yù)兆,斷裂時(shí)斷口平齊,呈有光澤的晶粒狀。脆性破壞危險(xiǎn)性很大。影響脆性破壞的因素有:1)鋼材化學(xué)成分中碳、硫、磷、氧、氮等元素含量過(guò)高,造成晶粒較粗。2)夾雜物等冶金缺陷嚴(yán)重,韌性差等較厚的鋼材輥軋次數(shù)較少,材質(zhì)差、韌性低,可能存在較多的冶金缺陷。3)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件構(gòu)造不合理孔洞、缺口或截面改變急劇或布置不當(dāng)?shù)仁箲?yīng)力集中嚴(yán)重。4)制造安裝質(zhì)量差焊接、安裝工藝不合理。5)焊縫交錯(cuò),焊接缺陷大,殘余應(yīng)力嚴(yán)重。6)冷加工引起的應(yīng)變硬化和隨后出現(xiàn)的應(yīng)變時(shí)效使鋼材變脆。7)結(jié)構(gòu)受有較大動(dòng)力載荷或反復(fù)載荷作用但載荷在結(jié)構(gòu)上作用速度很快時(shí)(如起重機(jī)車(chē)運(yùn)行時(shí)由于軌道接縫處高差造成對(duì)軌道梁的沖擊作用,以及地震作用等),材料的應(yīng)力-應(yīng)變特性發(fā)生很大改變。隨著加載速度增大,屈服點(diǎn)將提高而韌性降低,特別是與缺陷、應(yīng)力集中、低溫等因素同時(shí)作用時(shí),材料的脆性將顯著增加。8)在較低環(huán)境溫度下工作當(dāng)溫度從常溫開(kāi)始下降肘,材料的缺口韌性將隨之降低,材料逐漸變脆,這種性質(zhì)稱(chēng)為低溫冷脆。不同的鋼材品種向脆性轉(zhuǎn)化的溫度并不相同,同一種材料也會(huì)因缺口形狀尖銳程度不同,而在不同溫度下發(fā)生脆性斷裂。4預(yù)防低溫鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的措施4.1防止快速凝結(jié)1)水變成冰為放熱過(guò)程,若隔斷與外界的聯(lián)系,減緩熱量的散失,即能防止結(jié)冰;2)在制造過(guò)程中,結(jié)構(gòu)封閉前焊縫要仔細(xì)檢查,避免滲水或積水;3)一旦有滲水,及時(shí)開(kāi)泄水孔進(jìn)行排水,并尋找漏水點(diǎn),補(bǔ)漏;4)平時(shí)常規(guī)檢查,注意油漆爆裂及懷疑有裂縫的部位,及時(shí)采取補(bǔ)救措施。4.2在一般鋼結(jié)構(gòu)無(wú)法設(shè)置時(shí),所有的措施都有制約作用1)裂紋當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)的板厚較大時(shí)(>25mm),如果含碳量高,連接內(nèi)部有約束作用,焊肉外形不適當(dāng),或冷卻過(guò)快,都有可能在焊后出現(xiàn)裂紋,產(chǎn)生斷裂破壞。因此,可將碳控制在0.22%左右,在焊接工藝上增加預(yù)熱措施使焊縫冷卻減緩,可解決斷裂問(wèn)題。當(dāng)焊縫冷卻時(shí)收縮作用受到約束,有可能出現(xiàn)裂紋。故可在2板之間墊上軟鋼絲留出縫隙,焊縫有收縮余地,裂紋就不會(huì)出現(xiàn)。另外,將角焊縫的表面作成凹形,雖然有利于緩和應(yīng)力集中,但凹形表面的焊縫焊后比凸形的容易開(kāi)裂,原因是凹形縫的表面有較大的收縮拉應(yīng)力,并在45°截面上焊縫厚度最小。凸形縫表面拉力不大,而45°截面處又有所增強(qiáng),情況要好得多。2)應(yīng)力應(yīng)力是構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)力,它不僅與載荷的大小有關(guān),也與構(gòu)造形狀及施焊條件有關(guān)。幾何形狀和尺寸的突然變化會(huì)造成應(yīng)力集中,使局部應(yīng)力增高,是脆性破壞中最危險(xiǎn)的。另外,施焊過(guò)程造成構(gòu)件內(nèi)的殘余拉應(yīng)力,也是不利的。因此,避免焊縫過(guò)于集中和避免截面突然變化,都有助于防止脆性斷裂。3)材料選用為了防止脆性斷裂,結(jié)構(gòu)的材料應(yīng)具有一定的韌性。材料斷裂時(shí)吸收的能量和溫度有密切關(guān)系,吸收的能量可劃分為3個(gè)區(qū)域,即變形是塑性的、彈塑性的和彈性的。要求材料的韌性不低于彈性,以避免出現(xiàn)完全脆性的斷裂,也沒(méi)有必要高于彈塑性。鋼材的厚度對(duì)其韌性也有影響,厚鋼板的韌性低于薄鋼板的。起重機(jī)械常用的Q235與Q345鋼材,根據(jù)GB/T3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求,根據(jù)環(huán)境溫度劃分有A、B、C和D級(jí),應(yīng)進(jìn)行沖擊韌性實(shí)驗(yàn)。4)構(gòu)造細(xì)部發(fā)生脆性斷裂的原因是存在和焊縫相交的構(gòu)造縫隙,或相當(dāng)于構(gòu)造縫隙的未焊透的焊縫。構(gòu)造焊縫相當(dāng)于狹長(zhǎng)的裂紋,造成高度的應(yīng)力集中,焊縫則造成高額殘余拉應(yīng)力并使其相鄰金屬因熱塑變形而時(shí)效硬化,提高脆性。低溫地區(qū)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造細(xì)部應(yīng)該保證焊縫能夠焊透。因此,設(shè)計(jì)時(shí)必須注意焊縫的施工條件,以保證施焊方便,能夠焊透。5)設(shè)備搬遷造成工作環(huán)境變化隨著企業(yè)兼并重組的增加,室外工作的大型鋼結(jié)構(gòu)的異地調(diào)配將越來(lái)越多。由于更多地考慮了設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性和設(shè)備的工作性能,而原設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)的工作環(huán)境溫度參數(shù)往往被忽視。因此,在設(shè)備異地搬遷時(shí),特別是由南方搬遷至北方時(shí),應(yīng)謹(jǐn)慎從事。例如在長(zhǎng)江以南,鋼結(jié)構(gòu)材料(普通碳素鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼)設(shè)計(jì)選用B級(jí)即可,但在北方往往