80MN水压机下梁无损检测裂纹分析

陈昌华、汤志

马钢股份有限公司技术中心

 

摘? 要? 采用超声波探伤、磁粉探伤跟踪的方法,分析了80MN水压机下梁侧立板和底板贯穿呈树枝状裂纹的发展趋势和发展速度,以确定下梁的使用寿命。采取在裂纹尖端处打止裂孔方案,及时提供无损检测监控数据,可大大延续剩余寿命。跟踪分析为应急预案的制定提供科学依据

主题词? 超声波;磁粉;裂纹;应力;止裂孔; 剩余寿命

 

80MN WATER PRESS GIRDER NDT CRACK ANALYSIS

Chen Changhua, Tang Zhigui

(Technology Center of Maanshan Iron & Steel Company? Limited)

?? Abstract?? Adopting ultrasonic testing? and? magnetic testing track method, Analysing 80MN water press girder expanding trend and speed of the arborization crack, Make certain girder using natural life. Adopting strike crack hole in crack point. In time providing NDT inspection data, Can greatly continue remain life. Track analysis providing science data for the meet an emergency.

Keywords? ?ultrasonic testing;? magnetic testing;? Crack;? Stress;? Crack hole;? Remain life

 

一.简述

??? 2002年7月24日马钢车轮公司80MN水压机在检修过程中发现下梁侧立板和底板部分有长近900mm、宽度为1mm、最深处壁厚已贯穿呈树枝状裂纹。由于该水压机是生产环节中不可缺少的关键设备,因此,急需要掌握该下梁现有的强度裕度以及裂纹的发展趋势和发展速度,在此分析研究的基础上,确定下梁是否需进行修补加强?还是需要更换?以满足马钢车轮公司生产的需要。

二. 水压机下梁裂纹跟踪分析

??? 遇到零部件因断裂或出现裂纹而导致零部件失效情况,其失效原因分析一般通过两条途径来分析:一是对断口或裂纹进行宏观和微观分析,以确定是什么原因造成的断裂和裂纹;二是通过力学角度来分析计算断裂或产生裂纹的原因。但第一条途径,必须在裂纹处取样才能进行微观分析,从目前情况下这是不可能的。而且该设备已服役了40多年,裂纹什么时间产生的又很难确定。因此微观的分析裂纹对马钢车轮轮箍分公司意义不大。

??? 安徽工业大学有限元分析计算结果可知在额定载荷下,下梁裂纹剩余寿命在151天~233天之间。在实际工作载荷下(75MN),可计算出其剩余寿命分别为:

KIC=60、aC=120mm时,188天~254天

KIC=80、aC=210mm时,235天~293天

??? 以上都是在最不利的因素情况下计算得出的,而在实际生产中,各种因素的变化很难预料。因此我们认为以上得出的剩余寿命,是选用最恶劣状态下的理论计算,偏于保守方法。但它又明确地提示我们下梁的剩余寿命是很有限的。

另外,从宏观上看,金属裂纹的走向是由应力原则和强度原则决定的。应力原则:在金属疲劳断裂、脆性断裂情况下,裂纹的扩展方向一般都垂直于拉伸应力的方向。但在局部区域也有不按此方向扩展的情况,这是由于材料的缺陷引起的走向偏离。强度原则:系指裂纹沿着最小阻力路线即材料的薄弱环节扩展原则。有时按应力原则扩展的裂纹,途中突然发生转折,这种转折是由于材料内部的薄弱环节而引起的。由于下梁是一个很大的铸钢件,因此其内部一定会有许多小缺陷和薄弱环节,而且是随机分布的,因此裂纹的走向也是随机的,从下梁目前所能看到的裂纹走向就完全说明了这一点,它呈“树枝”和“S”形形状发展的。再则,裂纹在转折时,可能会延缓裂纹的扩展速度,但在无大量的实验数据和其它相关资料情况下,无法定量估计其影响程度。而上面分析的裂纹发展趋势均是在一个理想的无缺陷和无薄弱环节的无限大平板上进行的,因此其裂纹寿命预测和走向均是理论分析,与实际情况一定会有差别的,因此通过超声波探伤、磁粉探伤跟踪分析的方法,分析下梁裂纹的发展趋势和发展速度,以确定下梁的使用寿命,是非常科学及结合实际的很好方法。

三.技术措施

1.采取在裂纹尖端处打止裂孔,一是施放该处应力;二是阻止裂纹进一步再扩展。

2.磁粉探伤及超声波探伤跟踪

(1)用超声波和磁粉检测近半年时间,对下梁侧立板和底板进行跟踪,除2002年9月29日磁粉探伤发现裂纹尖端处扩展约10mm,其余时间内裂纹无明显变化,见下表1:

表1? 2002年7~12月间80MN水压机下梁裂纹跟踪

检测日期

检测方法

裂纹跟踪情况

07月25日

UT

发现下梁侧立板和底板树枝状裂纹

08月19日

UT、MT

裂纹无变化

08月30日

UT、MT

裂纹无变化

09月29日

MT

裂纹尖端处扩展约10mm

10月29日

MT

裂纹无变化

11月08日

MT

裂纹无变化

11月22日

MT

裂纹无变化

12月05日

UT、MT

裂纹无变化

(2)我们对水压机下梁裂纹进行第二周期跟踪,在近4个月跟踪检测,除2003年02月26日发现下梁底板下立柱孔端表面有长近260mm裂纹、最宽处有1mm、孔端机加工表面处超声检测裂纹最深有40mm左右,其余时间内裂纹无明显变化,见下表2:

表2? 2003年1—4月间80MN水压机下梁裂纹跟踪

检测日期

检测方法

裂纹跟踪情况

01月11日

MT

裂纹无变化

02月26日

UT、MT

下梁底板下立柱孔端表面又发现裂纹

03月04日

MT

裂纹无变化

03月26日

MT

裂纹无变化

04月18日

MT

裂纹无变化

04月29日

MT

裂纹无变化

(3) 我们对水压机下梁裂纹进行第三周期跟踪,在近7个月跟踪检测,除2003年08月06日发现下梁底板分叉小裂纹长12mm。另在一标志孔上产生一条3mm长小裂纹,其余时间内裂纹无明显变化,见下表3:

表3? 2003年5~11月间80MN水压机下梁裂纹跟踪

检测日期

检测方法

裂纹跟踪情况

05月15日

MT

裂纹无变化

06月10日

MT

裂纹无变化

07月08日

MT

局部有一处裂纹延伸

07月25日

MT

裂纹无变化

07月29日

MT

裂纹无变化

08月06日

MT

产生分叉小裂纹

08月27日

MT

裂纹无变化

09月16日

MT

裂纹无变化

09月19日

MT

新发现二条小裂纹

10月09日

MT

裂纹无变化

11月04日

MT

裂纹无变化

11月28日

MT

裂纹无变化

?(4) 我们对水压机下梁裂纹进行第四周期跟踪,在近11个月跟踪检测,除2004年04月14日发现下梁底板四条龟裂,其中一条为60mm,其它三条为30mm长;2004年12月13日发现下梁底板标准孔处裂纹扩展了10mm,树枝状裂纹左上部附近又新发现一条10mm尺寸裂纹外,其余时间内裂纹无明显变化,见下表4:

表4? 2004年2~12月间80MN水压机下梁裂纹跟踪

检测日期

检测方法

裂纹跟踪情况

02月17日

MT

裂纹无变化

03月03日

MT

裂纹无变化

03月23日

MT

裂纹无变化

03月31日

MT

裂纹无变化

04月14日

MT

新发现四条龟裂

05月12日

MT

裂纹无变化

08月03日

MT

裂纹无变化

12月03日

MT

标准孔处裂纹扩展了10mm

又新发现一条10mm裂纹

(5) 我们对水压机下梁裂纹进行第五周期跟踪,在近7个月跟踪检测,马钢车轮公司在2005年7月大中修期间将80MN水压机拆除。见下表5:

表5? 2005年1~7月间80MN水压机下梁裂纹跟踪

检测日期

检测方法

裂纹跟踪情况

01月21日

MT

裂纹无变化

03月15日

MT

裂纹无变化

06月01日

MT

裂纹无变化

07月15日

MT

裂纹无变化

四.结论

??? 1.下梁没有发生裂纹时,局部区域内有较高的内应力,因此极易在此处形成疲劳裂纹,这是原设计条件下带来的缺憾。因此下梁裂纹的产生可以认为是铸造缺陷和疲劳共同引起的。

??? 2.下梁顶部裂纹尖端应力呈现三向拉应力,其数值很高,分别为:s1=3.263E8s2=5.411E7s3=1.355E7。(s4max = 323.82MPa,这种情况是非常不利的,这将直接威胁着下梁的安全。

??? 3.在载荷作用下侧立板裂纹内侧张口大于外侧张口,由于加固(比如说在裂纹外侧粘贴钢板或用栓扣住裂纹等加固手段)只能在外侧或外侧浅表面进行,因此在外侧或外侧浅表面的加固其效果不会太好。

??? 4.采用焊接的方法进行加固,我们认为其风险较大:一是下梁部件很大(重达80t),在现场焊接时无法保温均匀,因此这将会引起很大的热应力,从而很可能加速裂纹的扩展,产生爆裂现象;二是经探伤下梁侧立板内部有许多裂纹存在,表面上的裂纹的走向可以确定,便于焊接处理和补焊。而内部裂纹走向无法确定,在什么地方进行焊接处理和补焊无从下手。因此我们认为采用焊接的方法进行加固不可取。

??? 5.下梁裂纹的在额定载荷情况下和考虑最不利的因素下,理论计算剩余寿命在151~233天左右;在实际工作载荷情况下和考虑最不利的因素下,理论计算剩余寿命在188~293天左右。虽然这是非常理想化和理论化的计算,但它明确说明了下梁寿命是有限的,不可能长期使用。

6.如果裂纹在侧立板从上到下整个贯通的情况下,虽然整个下梁应力分布没有很大的变化,但最大应力发生在顶部的顶板上和底部的底板上的裂纹处:顶板处:s4max=487.7MPa、其应力状态为三向应力状态:s1=245.0MPaa1=57.50s2=-1.091MPas3=-275.5MPaa3=147.40。底板处:s4max=465.2MPa,它们的数值基本上达到了35号铸钢的强度极限:sb=500MPa,因此这时候裂纹非常有可能迅速扩展,将使整个下梁遭到瞬间破坏。

7. 根据目前状况,采取在裂纹尖端处打止裂孔方案是行之有效的,盛至还可大大延续使用寿命。下梁裂纹的发展趋势能得到很好控制,确保了发展速度接近为0。

8.通过超声波探伤、磁粉探伤跟踪裂纹扩展情况,及时提供检测数据,监控下梁的使用寿命,不至于设备突发失效事故,影响马钢车轮公司的生产。马钢车轮公司在2005年7月大中修期间已将80MN水压机安全拆除,比预期测算寿命多使用了2年多。从而保证水压机下梁工作情况一直很正常,为马钢车轮公司节约了大量成本和创造了经济效益。