港口机械金属结构故障预控管理

【摘 要】金属结构是港口起重输送机械的骨架，决定着设备的经济寿命。因此避免金属结构故障至关重要。金属结构常见故障开裂、失稳等，通过对引发已有设备金属结构故障原因的深入分析，积累经验教训，提出从点检制度、检测评估两个方面的强化管理来避免金属结构故障。这些策略对于保障港口机械设备金属结构安全使用和延长设备经济寿命具有一定的参考价值。

【关键词】港口机械；金属结构；管理

1.引言

金属结构[1]是指以金属材料轧制成的型钢及钢板作为基本构件，采用铆、焊、螺栓连接等连接方法，按照一定的结构组成规则连接且能够承受载荷的结构物，也叫钢结构。港机设备的故障中，金属结构故障约占70%[2]。金属结构作为设备的承载结构，其健康寿命就决定了设备的寿命。金属结构出现破坏性事故不仅会使设备失去功能，而且会给生产带来巨大损失。因此，如何加强金属结构管理、预防故障发生是港口设备管理人员所面临的棘手问题。

2.港口大型机械金属结构故障原因分析

2.1设计问题

港机设备大多是为满足客户要求的个性化设计，其金属结构部分在设计过程中会出现很多的未知因素，从而产生金属结构的形式和结构间互相干扰、局部结构处理不当等方面的设计欠缺。比如：某港口堆取料机配重掉落故障。主要原因是制造单位结构设计上存在不足，受力严重失衡，作业中整机失稳，导致配重坠落；翻车机部分金属结构设计缺陷。端环金属结构设计刚度较弱，转轴方向刚度严重不足，轻微外力就可引起严重轴向变形，端环翼缘板下拐折角过度弧太小，在此拐角腹板沿辐射方向拼接。

2.2制造安装不良

金属结构的构件大多采用Q235、Q345等材料，且大多数是焊接成型的薄壁结构，而焊接对疲劳强度和稳定性均有重大影响。目前许多在役机械的焊接结构在设计初并未考虑疲劳、断裂等问题，因而这些结构潜伏着危机。安装过程中，由于安装人员为省时间而采用气焊烘烤、气割等违反操作规程的安装手段，导致运行时出现问题。如某港口曾经发生的装船机臂架坍塌故障的主要原因是主臂架框架结构焊缝制造时存在夹渣、单面焊、根部未焊透缺陷，大部分为四级焊缝，在长期交变载荷作用下，发生疲劳裂纹、失效破坏。

2.3交变载荷导致疲劳破坏

港口设备要长期承受大负荷动载冲击，且多为周期变载荷，交变应力会对设备的金属结构造成变形、焊缝开裂、结构疲劳裂纹、连接件和固定件松动等现象。在役设备中后期此问题特别突出，严重时会导致设备破坏性坍塌。如某港口曾发生的翻车机转子结构端环、底梁开裂故障。主要原因是端环局部结构处理欠缺，造成金属结构疲劳破坏。再如煤堆取料机变幅拉杆耳板裂纹，反复承受扭摆交变载荷也是产生裂纹的重要原因。

2.4外部力量产生结构变形及锈蚀

港口大型设备金属结构由于误操作与船舶、火车、地面车辆、货垛等碰撞而造成异常冲击，危险断面应力过大带来严重失稳、变形。此外结构中长杆件较多，如臂架、撑杆、立柱等，在作业过程中，由于风载荷作用会带来失稳或变形。

港口大型设备的许多部位长期被潮湿的海水盐雾、积料覆盖，渗入金属结构箱形梁内的积水，这对金属结构具腐蚀作用。锈蚀使结构件的有效厚度减薄，截面超过临界状态便会产生裂纹源，形成安全隐患。

2.5整机结构的平衡问题

大型设备作业过程中由于局部物料积聚造成整台设备失衡，最终导致车轮“腾空”现象，使多点受力的设备变成两点或单点受力，易造成大型设备承力点的金属结构使用安全存在显性或潜在威胁。严重的造成支撑部位垮塌，如某港口曾发生的煤取料机前倾故障。

3.提高金属结构预控能力的对策

3.1点检制度

3.1.1 日常点检

设备点检是发现隐患最简单、最直接、最可靠的方法，是防范事故的重要措施。

首先，要明确检点。金属结构要在进行受力分析的基础上，找出应力集中的关键部位。一般情况下根据重要程度把这些部位进行ABC分级管理。

第二，落实点检制度。抓好设备管理相关人员的分工，落实好操作人员在设备管理方面的职责，操作人员与设备朝夕相处，在运行操作期间最能直接的感受到各种工况下的设备运行情况，往往是查觉隐患的第一人。

设备主管是所管设备安全、技术的第一责任人，他们的检查最为关键。他们的责任心和素质水平，基本代表了金属结构安全管理的水平。

第三，注重分析评价。对于修复后结构缺陷进行跟踪，对设备隐患情况每月进行分析评价，及早提出操作、保养和维修措施。

3.1.2 隐患分析和维修策略

主管工程师、维修技师、专业技术人员组成金属结构专家组，对于出现开焊、裂纹、破断、变形等现象做出全面、系统的分析，找出原因及改进措施，制定好修复方案。

在修复时常规的办法是简单加固修复（如煤取料机、堆取料机臂架拉杆耳板裂纹等），局部结构改造（如装船机固定臂架端口支撑轮架）和大范围的整体改造（如翻车机转子金属结构改造）等。

3.2 对设备进行安全检测评估

港口大型设备金属结构关键受力部位如多处产生开裂、变形；整体结构出现较明显的弯曲、凸凹变形；高利用率下在役中后期设备每隔3-4年应寻求专业检测机构对其进行检测及评估。一般采取的程序和方法[3]：

3.2.1 编制检测及评估方案

由于港口大型设备属于特种设备，各设备之间结构差异较大，且使用情况也不尽相同，因此，在编制检测及评估方案时，要查阅设备有关的设计、运行和维修等技术档案，了解金属结构的使用、损伤情况，尤其是关键的和已出现损伤部位的情况，确定检测及评估内容。

3.2.2 针对不同的失效形式进行检测

（1）结构尺寸和表面大缺陷检测。设备经过长期的运行后，负荷越来越重，主要结构可能产生下挠、侧弯、箱体结构面板产生凹凸等变形问题。检测仪器采用钢丝、水准仪、激光直线仪等。

（2）进行机械性能和应力测试。疲劳破坏是金属结构失效的主要形式，疲劳破坏是交变应力引起。通常采用电阻应变片和动态应变仪来进行检测，并随机检测载荷下构件的时间历程。

（3）进行声发射检测。采用声发射检测可以快速全面的确定缺陷的大置及其活动程度，提高检出率。检测仪器为声发射检测仪。

3.2.3 安全评估

安全评估主要从两个方面进行，一个是静载下的断裂安全评定，另一个是疲劳安全评估，利用前述的结果对构件的缺陷情况、材料性能情况以及应力情况进行分析，然后根据相关标准，对缺陷乃至整个设备进行安全评估。

4.结束语

安全可靠的设备是港口完成装卸任务、创造效益的重要保障。采用科学、有效的管理方法对港口大型设备金属结构进行预防控制会给港口带来经济效益。在大型设备初始设计、制造、安装过程中，对金属结构进行优化设计，严格按照工艺流程进行，可避免金属结构的先天不足；在投产运行过程中，对设备金属结构重点部位坚强检查，有必要时安装在线检测系统，实时监控结构的受力状态和变形大小，确保设备安全运行。

参考文献：

[1]交通部水运司. 港口起重运输机械管理手册 . 北京：人民交通出版社，2002.

[2]马乔林. 港口机械检修技术（第二版）. 北京：人民交通出版社，2010.

[3]卢家森，张其林.金属结构稳定问题的可靠性研究评述[j]. 同济大学学报，2005.

作者简介：

赵秋园（1979.10-），男，硕士，研究方向：港口物流设备与自动控制。