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低温环境 对钢结构的影响 严旭东 唐辉 1中船第九设计研 究院工程有限公 司 上海2 0 0 0 6 3 2上海外高桥造船有限公司 上海2 0 0 1 3 7 摘要低温环境下冰冻鼓胀和冷脆开裂是起重设备等钢结构的常见而易被忽视的破坏。文中通过实际案 例和实验 ，分析了故障发生的原因和机理，提出在设计中应重视材料的选用，以及在制造过程中采取的工艺措 施 ，保证了设备的本质安全。 关键词钢结构；冰冻鼓胀；冷脆开裂；韧脆转变温度 ；工艺措施 中图分类号 T G 4 5 7 ． 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 4 1 1 0 1 1 1 0 4 Ab s t r a c t F r o z e n d r u m d e f o r ma t i o n a n d c o l d c r a c k i n g i s t h e c o mmo n d a ma g e s e a s y t o b e n e g l e c t e d i n h o i s t i n g e q u i p me n t a n d o t h e r s t e e l s t ruc t u r e u nd e r l o w t e mpe r a t u r e e n v i r o nme n t ． Th r o ug h a c t ua l p r a c t i c es a n d e x p e r i me n t ，t he p a p e r a n a l y z e s f a u l t r e a s o n a n d me c h a n i s m ，p u t s f o r wa r d t h e n e c e s s i t y o f a t t a c h i n g i mp o r t a n c e t o ma t e r i a l i n d e s i g n，a n d t h e p r o c e s s i n g me a s u r e s t o b e t a k e n d u r i n g p r o d u c t i o n，i n o r d e r t o g u a r a n t e e e q u i p me n t s a f e t y ． Ke y wo r d s s t e e l s t ruc t u r e ；f r o z e n d rum d e f o r ma t i o n ；c o l d c r a c k i n g ；t e n a c i t y a n d b ri t t l e n e s s c o n v e r s i o n t e mp e r a t u r e ； pr o c e s s me a s u r e s 0引言 1 原 因分析 近年来 ，在北方 的港 口、船 厂，起 重机钢 结 构经常被发 现结 构 的翼 缘板 的鼓胀 和开 裂现象 ， 直接影响到正常生产。通过分析 ，该类事件存 在 着大多发 生在北方 中高纬度地 区、基本在 开春 以 后的例行 检查时被发现 、钢结构部位往往在 臂架 下铰点或对 重 平衡 梁 下 铰点 等 箱形 结 构处 的特 点 。以北方某船厂 的臂架下铰点故 障为例 ，在例 行检查 中，发 现臂 架 下铰 点 翼缘 板 出现 鼓 胀 现 象 ，位置如图 1所示 ，图中位置 1 、6变形最大 ， 最大变形达 1 5 I T l m。形状为 中间凸 ，向两侧逐 渐 平 缓 。 图 1 变形位 置 起重运输机械 2 0 1 4 1 1 臂架下铰点的载荷由铰轴承载。该铰点箱形 梁的外包翼 缘板部位没有外载荷 。经有限元仿 真 计算 ，按照该 区隔翼缘板 与腹板连续 角焊缝 ，放 射筋与翼缘板采用 塞焊连结 。翼 缘板产生 1 5 m m 的鼓胀变形 ，压强需达到 1 0 0 MP a ，该 区域压力已 远远超出该 处焊缝所能承受 的载荷 。通过对该处 钢套 和 铰点轴 承检 查 ，并 未发 现异 常。夏 季 时， 在凸起部位附近开裂 出现渗水 ，通过钻孔放 出大 量积水 ，初 步判断该现象是 因结 构 内积水 ，冬季 结冰冻造成鼓胀。 为了证 明这一判断 ，按照与实物 1 2的比例 ， 做 了一个臂架下铰点 的实物模型 ，灌水后模 拟现 场室外环境温 度 一1 0 c C～一1 5℃冷 冻于室 内。先后做 了 2次实验。第一次 ，按 照臂架 晚间 不工作状态的角度放置 ，如图2所示 。冷冻约 2 0 h 后发现水 已经结 冰 ，并在靠近 出水 口的部位发生 了鼓胀变形 。 第二次 ，按 图 3所示调整 摆放角度后 ，将水 灌满 整个 模 型 结 构，观 察 变形 情 况。经 放 置约 5 0 h后 ，最大变形为 6 m m。由此可知 ，从形状和 尺寸基本可 以推断 出翼缘板变形 的成 因，即由于 结构内积水 ，流入铰 点结 构箱体 内，而 出人 口较 一 1 1 1 高强钢。当温度低 于常温时 ，钢材 的脆性随温 度 的降低而逐渐增大 ，可 能会导致低温 脆断。钢 材 的破坏有塑性破坏和脆性破坏 ，其 中脆性破坏 是 指加载后无 明显变形 ，故破坏前无 预兆 ，断裂 时 断 口平齐 ，呈有光 泽的晶粒状。脆 性破坏危 险性 很大。影响脆性破坏的因素有 1 钢材化 学成分 中碳 、硫 、磷 、氧、氮等元 素含量过高 ，造成 晶粒较粗 。 2 夹杂物等冶金缺陷严重 ，韧性差等较厚的 钢材辊轧次 数较少 ，材质差 、韧性低 ，可能存 在 较多的冶金缺陷。 3 结构或构件构造不合理孔洞 、缺 口或截 面改变急剧或布置不当等使应力集 中严重。 4 制 造 安 装 质 量 差 焊 接 、安 装 工 艺 不 合理。 5 焊缝交错 ，焊接缺陷大 ，残余应力严重。 6 冷加工引起的应变硬化和随后 出现的应变 时效使钢材变脆 。 7 结构受有较大动力载荷或反复载荷作用 但载荷在结构上作用速度很 快时 如起重机车运 行时由于轨道接缝处高差造成对 轨道梁的冲击作 用 ，以及地震作用等 ，材料的应力 一应变特性发 生很大改 变。随着加载速度增 大 ，屈 服点将提高 而韧性降低 ，特 别是 与缺陷 、应 力集 中、低温等 因素同时作用时 ，材料的脆性将显著增加。 8 在较低环境温度下工作 当温度从常温开 始下降肘 ，材料 的缺 口韧性将随之 降低 ，材料逐 渐变脆 ，这种性质称 为低 温冷脆。不 同的钢材 品 种向脆性 转化的温度并不相 同，同一种材料也会 因缺 口形状 尖锐程度不 同，而在 不 同温度下发 生 脆性断裂。 4 预 防低温对钢 结构 的措施 4 ． 1 在低温环境下 ，预防结冰的措施 1 水变成冰为放热过程 ，若 隔断与外界的联 系，减缓热量的散失 ，即能防止结冰 ； 2 在制造过程 中，结构封闭前焊缝要仔细检 查 ，避免渗水或积水 ； 3 一旦有渗水 ，及 时开泄水孔进行排水 ，并 寻找漏水点 ，补漏 ； 4 平时常规检查 ，注意油漆爆裂及怀疑有裂 缝 的部位 ，及时采取补救措施。 起重运输机械 2 0 1 4 1 1 4 ． 2 防止钢材在低温环境下脆性断裂的措施 1 裂纹 当焊接结 构 的板 厚较大 时 2 5 m m ，如果含碳量 高，连接 内部有约束 作用 ，焊 肉外形不适 当，或 冷却 过快 ，都 有可能在焊后 出 现裂 纹 ，产 生 断 裂 破 坏。 因此 ，可将 碳 控 制 在 0 ． 2 2 ％左右，在焊接工 艺上增加预 热措施使焊缝 冷却减缓 ，可解决 断裂问题。当焊缝冷却时收缩 作用受到约束 ，有可能 出现裂纹。故 可在 2板之 间垫上软钢 丝 留出缝 隙，焊缝有 收缩余地 ，裂纹 就不 会 出现。另 外 ，将 角 焊缝 的表 面作成 凹形 ， 虽然有利 于缓和应力集 中，但 凹形表面 的焊缝焊 后比凸形 的容易开裂 ，原 因是 凹形 缝的表面有较 大的收缩拉应力 ，并在 4 5 。 截面上焊缝厚度最小 。 凸形缝表面拉力不大 ，而 4 5 。 截面处又有所增强 ， 情况要好得多。 2 应力应力是构件 的实际应力 ，它不仅与 载荷 的大小有关 ，也与构造形状及施焊条件有关 。 几何形状和尺寸 的突然 变化会造 成应力集 中，使 局部应力 增 高 ，是 脆性破 坏 中最 危险 的。另外 ， 施焊过程造成构件 内的残余拉应力 ，也是不利的。 因此 ，避免 焊缝过 于集 中和避 免截 面 突然变化 ， 都有助于防止脆性断裂。 3 材料选用为了防止脆性断裂，结构 的材 料应具有一定 的韧性 。材料断裂 时吸收的能量和 温度有密切关系，吸收的能量可划分 为 3个 区域 ， 即变形 是塑性的 、弹塑性 的和弹性 的。要求材料 的韧性不低于弹性 ，以避免 出现完全脆性 的断裂 ， 也没有必要 高于弹塑性。钢材 的厚 度对其韧性也 有影响 ，厚钢板 的韧性 低于薄钢板 的。起重机械 常用的 Q 2 3 5与 Q 3 4 5钢材 ，根据 G B ／ T 3 8 1 1 _2 0 0 8 起重机设计规范 的要求 ，根据环境温度划分有 A、B 、c和 D级 ，应进行冲击韧性实验 。 4 构造细部发生脆性 断裂 的原因是存在和 焊缝相交 的构造缝 隙，或相 当于构造缝 隙的未焊 透的焊缝 。构造焊缝相 当于狭 长的裂纹 ，造成高 度的应力集 中，焊缝 则造成高额残余拉 应力并使 其相邻 金属 因热 塑变形 而 时效硬 化 ，提高脆 性。 低温地 区结构的构造细部应该保证 焊缝能够焊透。 因此 ，设计 时必须注意焊缝 的施 工条件 ，以保证 施焊方便 ，能够焊透 。 5 设备搬迁造成工作环境变化 随着企业兼 并重组 的增加 ，室 外工作 的大 型钢 结构的异地调 一 1 1 3 2 0 1 4年国际标准化组织起重机技术委员会 I S O／ T C 9 6 系列会议报道 赵 春晖 北京起 重运 输机械 设 计研 究 院北 京1 0 0 0 0 7 文章编 号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 4 1 1 一 O 1 1 4 0 3 国际标 准化 组 织起 重机 技 术委 员会 I S O ／ T C 9 6 2 0 1 4年系列会议 ，于 2 0 1 4年 6月 5～1 0日 在美国佛罗里达州圣彼得斯堡召开 ，会议 由 I S O ／ T C 9 6起重机技术委员会主办 ，由美国 国家标准学 会 A N S I 承 办。来 自澳 大利 亚、中 国、芬 兰 、 法 国、德 国 、印度 、 日本 、马来西 亚 、挪威 、波 兰、俄 罗斯 、韩 国、南非 、瑞典 、英 国、美 国共 1 6个国家的代 表出席了会议 。我国由北京起重运 输机械设计研究院组成 1 2人代表 团代表 国家标准 化管理委员会 S A C 参加了系列会议。 1 I S O／ T C 9 6概况 I S O ／ T C 9 6成立 于 1 9 6 0年 ，现任 秘 书 国是 中 国，现任主席是 中国的张喜军先生 ，秘 书是付玲 博士。I S O ／ T C 9 6技术委员会下设 9个分技术委员 会 S C 2一S C 1 0 ，各分技术委员会下设 5个工作组。 截止到 2 0 1 4年 4月 3 0日，该技术委员会共有 P成 员 积极成 员 2 2个 ，O成 员 观 察成 员 2 9 个。I S O ／ T C 9 6共有正式 国际标准 1 0 5个 包括标 准 、标准的修改件 、技术勘误 、补充件 和技术报 告 。 目前 ，I S O ／ T C 9 6正 在 进 行 的 工 作 项 目有 1 2个 。 I S O ／ T C 9 6的工作 范 围是 借 助于 取物装 置 ， 用于 吊运悬 吊载荷的起重机及其相关设备领域 的 标准化工作 ，着重 于术语 、额定 载荷 、试验 、安 全 、通用设计原则 、维护 、操作和吊具方面。 该技术委员会与其他 1 4个 I S O技术委员会 的 工作协调一致 ，并与 6个 国际组织 的工作协调一 配将越来越多。由于更多地考虑 了设备 的经济性 和设备的工作性能 ，而原设备设计 时的工作环境 温度参数往往被忽视。因此 ，在设备异地搬迁时 ， 特别是 由南方搬迁至北方 时，应谨慎从事 。例如 在长江以南 ，钢结 构材料 普通碳素钢 、合金结 构钢 设计选用 B级 即可，但在 北方往往需要采 用 C或 D级材料。 5 结 语 整台起重设 备 由工作机 构、电气控制及 钢结 构等部分组成 ，钢结构虽 然尺寸大 ，但 常会 被熟 视无睹 ，同时钢结构会成为减轻 自重 降低造 价的 受害者。通过上述 实例及 实验验证 的分析 ，低温 下易造成积水成冰，或裂纹引发钢结构脆性破坏 。 随着设备在生产过程 中所 占比重越来越大 ，从 设 计、制造及使用维护全过程 中，关注低温环 境对 一 1 1 4 ～ 钢结构的影 响，将对保 障生产安全起 到事半功倍 的作用。 参考文献 [ 1 ]G B 1 5 0 2 叭1 压力容器[ s ] ． [ 2 ]G B ／ T 3 8 1 1 2 o 0 8 起重机设计规范[ S ] ． [ 3 ]董达善 ．起重机械金属结构[ M] ．上海上海交通大 学 出版社 ，2 0 1 1 ． [ 4 ]付荣柏 ． 起重机钢结构焊接制造技术[ M] ．北京机 械工业 出版社 ，2 0 1 0 ． 作 者严旭东 地 址上海普陀区武宁路 3 0 3号中船第九设计研究院 工程有限公司 邮 编 2 0 0 0 6 3 收稿 日期 2 0 1 4 0 4 2 3 起重运输机械 2 0 1 4 1 1