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起重機械無損檢測技術研究

起重機械根據載荷運載形式的不同,有不同的主體結構。主體結構由各種鋼結構件聯接構成,操作、控制和驅動等電氣結構安裝在鋼結構的各個功能部件中。

起重機械的機構零件、金屬結構、聯接件和附件大都由金屬材料加工而成。零件一般以鍛件、軋制件、焊接件和鑄件作坯件經機械加工制成。鍛件、軋制 件和焊接件主要采用碳素結構鋼、優質碳素結構鋼或低合金結構鋼。重要件采用合金結構鋼,有特殊要求的零件則要用到特殊合金鋼。鑄件可采用鑄鋼、鑄鐵或鑄 銅。有色金屬及其合金用于有高導電性、耐磨性、抗腐蝕性或高強度等特殊性能要求的零件。起重機金屬結構的材料主要是鋼材,常用的材料是普通碳素鋼 Q235,需減輕結構自重時,可采用16Mn或15MnTi。起重機械的金屬結構聯接方式主要有焊接和螺栓聯接。

根據起重機械材料、焊縫及零部件易出現的缺陷類型,可選用相應的無損檢測方法,如對整機的金屬結構、電氣控制和安全防護裝置等可用目視檢測方 法;對零部件和機構,如母材或焊縫內部缺陷主要用射線和超聲方法;表面裂紋等缺陷主要用磁粉或滲透方法,也可采用漏磁裂紋檢測裝置;壁厚減薄可用卡尺等度 量工具測量,也可以用超聲測厚儀進行測量;漆層厚度可用渦流膜層厚度測量儀測量;金屬磁記憶檢測儀可對鋼結構的應力狀況進行檢測;聲發射技術可檢測起重機 械材料內部因腐蝕、裂紋等缺陷產生的聲發射(應力波)情況;應力應變測試可　　對整機靜態和運動等狀態下的應力分布及變化情況進行測試;振動測試可對整機 的自振頻率和振型分析進行測試。隨著無損檢測技術的發展,可用于起重機械上的無損檢測技術和方法也將越來越多。

起重機械種類繁多,與安全生產關系密切相關,國內外有眾多標準和規范對起重機械進行規范化管理。這些標準涵蓋了從零件和機械部件到整機的設計、材料、制造、安裝、試驗和檢驗的完整過程。

國內的標準有國家標準(GB)和原機械電子部標準(JB)等數十個,主要有GB 3811—1983《起重機械設計規范》、GB 6067—1985《起重機械安全規程》、GB 5905—1986《起重機試驗規范和程序》、GB5927—1986《起重機械用鋼絲繩檢驗和報廢實用規范》和GB 10051.1~5—1988《起重吊鉤》等[1~6]。

國外標準組織如國際標準化組織(ISO)和美國機械工程師協會(ASME)以及歐共體(EN)、英國(BS)、德國(DIN)、日本(JIS)和澳大利亞(AS)等,也都有起重機械相關的標準,其分類原則與國內基本一致,不再贅述。

起重機械的無損檢測暫無專用標準,一般根據選用的不同檢測方法參考相應的方法標準,常規無損檢測方法可參照采用JB/T 4730—2005《承壓設備無損檢測》、GB 3323—1987《鋼熔化焊對接接頭射線照相和質量分級》及GB 11345—1989《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級》,其它無損檢測方法可采用各自的方法標準。

1 起重機械無損檢測技術要求

起重機械種類繁多,不同的起重機械應按其設計、制造、檢驗、試驗和驗收等技術條件進行檢測。主要針對不同部件和特殊結構易產生缺陷的類型而采用相應的無損檢測方法,并以相應的檢測工藝和標準進行探傷和評價。

起重機械的所有零部件,如吊鉤、電磁鐵、真空吸盤、集裝箱吊具及高強螺栓、鋼絲繩套管、吊鏈、滑輪、卷筒、齒輪、制動器、車輪、錨鏈和安全鉤 等,以及金屬結構的本體和焊縫,如主梁腹板、蓋板和翼緣板等對接焊縫等而言,均不允許存在裂紋等損傷,各機構在試驗后也不允許出現裂紋和永久變形等損傷; 大部分摩擦部件,如抓斗鉸軸和襯套、吊具、鋼絲繩、　　吊鏈環、滑輪、卷筒、齒輪、車輪等表面磨損量也都有嚴格的規定;某些部件及其焊縫,如吊鉤、真空吸 盤、集裝箱吊具金屬結構、金屬結構原料鋼板、各機構焊接接頭等內部缺陷的當量尺寸也有明確規定;某些專用零部件,如鋼絲繩等,也有專用的質量要求;有的對 表面防腐涂層厚度也有規定[7]。具體要求可參考各種起重機械及零部件的技術規范,必須根據相　應的技術要求針對不同的檢測對象采用適當的檢測方法和檢測 工藝。

2 起重機械主要無損檢測方法

起重機械的檢測方法有,目視檢測、電磁檢測(包括渦流膜層測厚、漏磁裂紋檢測和鋼絲繩探傷等)、金屬磁記憶檢測、聲發射檢測、應力應變測試和振 動測試主要在安裝和定期檢驗中采用,射線檢測主要在制造和安裝中采用,超聲、磁粉和滲透檢測檢測在制造、安裝及定檢中都有應用。

2.1　目視檢測

目視檢測是為了檢測起重機械的整體質量和各功能部件的性能。主要檢測內容有①機械部分金屬結構的幾何尺寸測量、表面質量檢查、載荷試驗、機械裝 置試驗和安全保護裝置試驗等。②電氣部分　電控裝置、電氣保護裝置、保護接地、照明及信號電路檢驗等。檢驗方法主要采用量具測量和機構試運行等[7]。

2.2　射線檢測

一般在起重機械制造和安裝階段對鋼結構部分對接焊縫進行射線檢測,在用設備則較少采用。起重機械多采用鋼板材料制造,與鍋爐、壓力容器等承壓設備相比,壁厚較薄,常規X射線即可對起重機械的焊接質量進行檢查。

起重機械射線檢測的對象主要是厚度均勻、形狀較規則的鋼板或鋼管制工件和部件的對接焊縫,如成品片式吊鉤鉤片及懸掛夾板的焊縫、集裝箱專用吊具 的主要受力構件金屬結構焊縫、橋式和門式起重機主梁翼緣板和腹板的對接焊縫、主梁上下蓋板和腹板的拼接對接焊縫、Π形梁內壁的對接焊縫、橋架的組裝焊縫以 及塔式起重機中主要鋼結構的對接焊縫等。

檢測時根據被檢對象的材質、板(壁)厚、形狀等和所要求的標準規范選擇適當的參數,如膠片類型、增感屏材料和厚度、像質計材料和型號規格、透照 方式、射線源至工件的距離、管電壓、管電流和曝光時間等,即可得到合格的底片,然后按標準對底片進行評定,確定其質量等級[8]。

2.3　超聲檢測

超聲方法可對材料對接或角接焊縫的內部缺陷進行檢測,故在起重機械的焊縫質量檢查中,超聲檢測是較為常用的方法,可檢測如鍛造吊鉤內部的裂紋、 白點和夾雜等缺陷,自由鍛造吊鉤坯料、吊鉤鉤柄圓柱部分的內部裂紋、白點及夾雜物等缺陷,片式吊鉤鉤片及懸掛夾板的內部裂紋等缺陷,起重真空吸盤主要受力 構件的裂紋等內部缺陷,集裝箱專用吊具金屬結構主要受力構件焊縫質量和高強度螺栓質量,橋門式起重機原材料鋼板質量,主梁蓋板與腹板的拼接和對接焊縫質 量,Π形梁內壁的焊縫質量,主梁翼緣板和腹板對接焊縫質量,塔式起重機主要　　結構的對接焊縫以及門座式起重機主要受力構件焊縫質量等。

超聲波探傷平板對接焊縫時,應根據板厚與焊接形式選擇適當K值的斜探頭,并根據檢測標準和被測件厚度選擇合適的對比試塊,以人工缺陷的當量制作 相應的距離2波幅曲線來對缺陷當量進行判識。檢測時,斜探頭應垂直于焊縫中心線放置在檢測面上,在焊縫兩側作鋸齒形掃查和斜向掃查等,同時也可配合采用轉 角、環繞等掃查方式,以便更有效地發現和確定缺陷,然后在焊縫表面作出標記,記錄缺陷的長度、深度及所在區域。

超聲檢測角焊縫時,首先在選擇檢測面和探頭時應考慮到各類缺陷的可能性,使聲束盡可能垂直于該焊接接頭結構的主要缺陷。根據結構形式,角焊縫有 五種檢測方式,即①接板內側直探頭檢測。②主板內側直、斜探頭檢測。③接板外側斜探頭檢測。④接板內側斜探頭檢測。⑤主板外側斜探頭檢測。根據檢測對象和 幾何條件的限制選擇一種或幾種組合方式實施檢測。角焊縫以直探頭檢測為主,必要時增加斜探頭檢測。

T形焊縫的超聲檢測,同樣需要根據被檢缺陷的種類來選擇檢測面和探頭,使聲束盡可能垂直于該類焊縫結構的主要缺陷。根據焊縫結構形式,T形焊縫 有三種檢測方式,即①翼板外側斜探頭直射法探測。②腹板側斜探頭直射法或一次反射法探測,探頭K值一般取2. 0 ~ 3. 0 (腹板厚度<25 mm)。③翼板外側沿焊縫用直探頭或雙晶直探頭或斜探頭(推薦用K1探頭)探測。可根據檢測對象和幾何條件的限制選擇一種或幾種組合實施檢測。缺陷評定以 腹板厚度為準[8]。

2.4　磁粉檢測

表面和近表面裂紋是起重機械的重要檢測內容,起重機械的鋼結構和零部件及焊縫表面都不允許存在裂紋,鑒于一般起重機械材料多是鋼材,磁粉檢測也就成為其最常用的無損檢測手段之一。

磁粉探傷時,先要對受檢表面進行清潔和干燥處理,要求表面不得有油脂、鐵銹、氧化皮或其它粘附磁粉的物質。一般以打磨處理為主,打磨后要求工件 表面粗糙度Ra≤25μm。在對工件進行靈敏度測試合格后即可對工件進行磁化檢測,磁化時間一般為0.5~2 s,同時施加適量的磁懸液,應保證磁粉濃度均勻,并在停施磁懸液至少1 s后方可停止磁化。建議對每個受檢區域應進行兩次90°方向的磁化檢測,以降低漏檢率。將膠帶紙粘在磁痕上,再將粘有磁痕的膠帶紙揭下可作為記錄保存,用 以評定焊縫缺陷程度。如果檢測部位所處環境較昏暗或觀察條件不佳時,可采用靈敏度更高的熒光磁粉[8]。

2.5　滲透檢測

起重機械主要檢測的缺陷類型是裂紋,其中表面開口裂紋的危險性更大。而有時因為材料和結構形狀等原因,有些部件或部位不利于磁探儀的操作,　用 其它無損檢測方法也難以取得理想的檢測效果,此時,滲透檢測便成為唯一可選的無損檢測方法。滲透檢測前一般必須對檢測表面進行清潔和干燥處理,表面不得有 影響滲透效果的鐵銹、氧化皮、焊接飛濺、鐵屑、毛刺及各種防護層等。要求被檢工件的表面粗糙度Ra≤12.5μm。在對檢測劑靈敏度和檢測工藝進行對比試 塊的測試合格后即可進行滲透(一般持續時間≮10 min),清洗、干燥5~10 min,　　顯像(一般≮7 min)等檢測程序。如果檢測部位所處環境較昏暗或觀察條件不佳時,也可采用靈敏度更高的熒光滲透劑[8]。

2.6　電磁檢測

2.6.1　渦流膜層測厚

起重機械的表面漆層厚度測量主要利用渦流的提離效應,即渦流檢測線圈與被檢金屬表面之間的漆層厚度(提離)值會影響檢測線圈的阻抗值,對于頻率 一定的檢測線圈,通過測量檢測線圈阻抗(或電壓)的變化就可以精確測量出膜層(提離)的厚度值。渦流膜層測厚受基體金屬材料(電導率)和板厚(與渦流的有 效穿透深度相關)的影響,為克服其影響,　一般選用較高的渦流頻率,當頻率>5 MHz時,不同電導率基體材料和板厚對檢測線圈阻抗的影響差異將變得很小。渦流是空間電磁耦合,一般無須對檢測表面進行處理,但為使膜層厚度的測量更加精 確,建議對測量表面進行適當的清理,以去除可能對檢測精度有影響的油漆防護層上的雜質[9]。

2.6.2　裂紋檢測

電磁法檢測裂紋時,用一交變磁場對金屬試件進行局部磁化,試件在交變磁場作用下,也會產生感應電流,并生成附加的感生磁場。當試件有缺陷時,其 表面會產生泄漏磁場梯度異常,用磁敏元件拾取泄漏復合磁場的畸變就能獲得缺陷信息,如裂紋的位置和深度等。此種裂紋檢測方法快速準確,并能對裂紋進行定性 和半定量評估。受集膚效應影響,波形幅度與裂紋深度呈非線性關系,在工程應用中,可用人工對比試樣來得到更準確的深度信息。相關標準有EN 1711—2000《焊縫無損檢測———用復平面分析的焊縫渦流檢測》。探傷結果與裂紋的走向　　有關,為防止漏檢,按標準推薦的操作方法,應以至　少兩 次相互垂直的掃查方向進行探傷。

裂紋檢測的空間電磁耦合,一般無需對檢測表面進行處理,并可穿透非導體防護涂層和鐵銹,甚至較薄的非鐵磁性金屬覆蓋層,可用于對鋼結構母材及焊 縫的裂紋檢測,檢測精度與常規磁粉相當,適合對起重機械進行快速裂紋掃查。但該方法依據磁場信號進行判定,若磁粉檢測后未進行有效的退磁操作,將對檢測部 位的磁場信號產生干擾,故檢測時機應選在磁粉檢測之前。

對某門座式起重機輪座支腿加強筋焊縫的裂紋檢測結果(圖1)表明,加強筋焊縫存在裂紋,且深度>4 mm,現場查看發現筋板幾乎完全脫焊。

2.6.3　鋼絲繩檢測

鋼絲繩一般采用漏磁方法進行檢測。探頭對進入其中的鋼絲繩進行局部飽和磁化或技術磁化,根據缺陷引起的磁場特征參數(如磁場強度和磁通量等)的變化情況對鋼絲繩的缺陷情況進行判別,并可進行定性(斷絲或腐蝕等)和定量(斷絲數或橫截面積損失量)分析。

鋼絲繩檢測時一般無需對不影響鋼絲繩在檢測儀上正常行走的油污和灰垢進行清理,但對于因鋼絲繩與滑輪和卷筒等構件摩擦而使鋼絲繩股間夾雜大量鐵磁性顆粒的情況,應對鋼絲繩進行清洗或對檢測結果進行適當修正。

對某門式斗輪取料機鋼絲繩的檢測結果(圖2)表明,鋼絲繩a有多處明顯磨損,截面積損失量為1.9%,鋼絲繩b有一處斷絲,截面積損失量為2.2%。

2.7　金屬磁記憶檢測

金屬磁記憶是對金屬結構的應力集中狀況進行檢測的。通過測量金屬構件處磁場切向分量Hp(x)的極值點和法向分量Hp(y)的過零點來判斷應力集中區域,并對缺陷的進一步發生和發展進行監控和預測[10]。

磁記憶是一種弱磁檢測方法,無需對工件進行磁化,其應力集中部位在地磁場的作用下即可顯示出磁記憶信號。但是一旦對工件進行了磁粉檢測而又未進行有效的退磁操作,則微弱的磁記憶信號將被磁化后的剩余磁場信號湮沒,所以檢測時機應放在磁粉檢測之前。

對某裝卸橋鋼腿支撐處補板邊緣焊縫的磁記憶檢測結果(圖3)表明,該處有若干Hp(x)的極值點和Hp(y)的過零點,相應地存在若干應力集中區域,對照設備的歷史記錄,發現該處曾多次開裂補,證明的確是該起重機應力值較大的部位。

2.8　聲發射檢測

起重機械聲發射檢測時,在設備的關鍵部位,一般選擇設計上的應力值較大或易發生腐蝕、裂紋或實際使用過程中曾出現過缺陷(如裂紋)的部位布置傳 感器。對起重設備施加額定載荷(動載)和試驗載荷(靜載),起重機械則進行正常運行或保持靜止,此時材料內部的腐蝕、裂紋等缺陷源會產生聲發射(應力波) 信號,信號處理后將顯示出產生聲發射信號的包含嚴重結構缺陷的區域,頻譜分析等手段還可為起重機械的整體安全性分析提供支持。聲發射檢測相對于其它無損檢 測技術而言,具有動態、實時、整體和連續等特點,聲發射技術不僅可對是否存在缺　　陷進行檢測,還可對缺陷的活度進行判斷,進而為起重機械的有效安全監測 提供準確的依據。

對某港口的裝船機進行聲發射檢測,監視定位結果表明該裝船機的右側橫梁有較均勻的聲發射定位信號,對比左側幾乎沒有聲發射信號,這說明在該裝船機右側橫梁有輕微的缺陷活動,對該定位區域進行復查和焊縫探傷,結果表明存在部分鋼結構聯接松動和焊縫表面裂紋的情況。

2.9　應力測試

應力測試是型式試驗中結構試驗的主要項目,通過測試起重機械結構件的應力和變形,來確定結構件是否滿足起重性能和工作要求。

靜態應力測試在加載后機構應制動或鎖死,動態應力測試一般在額定載荷下按測試工況運行,各部件的最大應力不應超過設計規定值。測試前由結構分 析確定按危險應力區的類型,即均勻高應力區、應力集中區和彈性撓曲區,并據此來確定測試點和應變片的位置和種類,制定測試方案。根據應力狀態和類型選擇電 阻應變片,一般單向應力用單向應變片,二向應力、扭轉應力和應力集中區等必須用由三個應變片組成的應變花,應變片標距為1 ~30 mm,以盡量小為宜,靈敏度系數必須明確。各測點部位需磨光并用丙酮清洗,再粘貼應變片,粘貼前后的電阻值相差≤2%,應變片與被測件絕緣電阻要 求>100~200 MΩ。將電阻應變儀調整到零應力狀態后加載,卸載后必須回零,并應作多次加載和卸載,使電阻應變片達到穩定,因自重無法消除而得不到零應力狀態時,應在測 試中加進計算的自重應力。超載工況時的應力值僅作結構完整性考核用,不作為安全判斷依據;額定載荷時的結構最大應力按危險應力區的類型作為安全判斷的依據 [7]。

對某門式起重機的應力測試結果如圖4所示。靜態應力測試分空載、額載200 t、超載250 t三種工況,測試結果顯示主梁跨中最大應力為34.23 MPa,柔腿下部最大應力為-36.12 MPa,柔腿上部與剛腿上下部最大應力為16.77 MPa;動態應力測試分空載、額載200 t兩種工況,測試結果顯示在整個檢測過程中,兩種工況下,各結構件的應力波動都較小,應力幅值<70 MPa,且測試過程中應力過渡平穩,未出現較大波動。

2.10　振動測試

振動特性(動剛度)是指起重機的消振能力,通常以主梁自振周期(頻率)或衰減時間來衡量。自振頻率(特別是基頻)和振型是綜合分析和評價結構剛 度的重要指標。主梁在載荷起升離地或下降突然制動時,會產生低頻率大振幅的振動,影響司機的心理和正常的作業。對電動橋門式起重機,當小車位于跨中時的滿 載自振頻率要求≥2 Hz。振動測試時,在主梁跨中上(或中下)蓋板處任選一點作為垂直方向振動檢測點,小車位于跨中位置,把應變片粘在檢測點上,并將引線接到動態應變儀輸入 端,輸出端接示波器,起升額定載荷至2/3的額定起升高度處,穩定后全速下降,在接近地面處緊急制動,從示波器記錄的時間曲線和振動曲線上可測得頻率,即 為起重機的動剛度(自振頻率)[7]。用此法對某門式起重機空載和載荷時的振動測試結果表明空載時自振頻率為3.13 Hz,載荷162 t時的自振頻率為1.76 Hz。

3　結束語

起重機械作為現代工業不可或缺的特種設備,在工業生產中起著重要的作用。因為我國的特殊情況,既有已使用了幾十年的老舊起重機,也有高性能、高 自動化的起重機,且數量龐大。我國政府特種設備安全監察機構本著對企業安全生產高度負責,對人民生命財產高度負責的精神,以型式試驗、行政評審和定期檢驗 等監督方式對起重機械的設計、制造、安裝和檢驗進行了全面管理。無損檢測方法的綜合應用可以確保各種監督檢驗手段的學有效。上面介紹了一些在起重機械檢驗 中常用的常規無損檢測方法和新技術,希望能起到拋磚引玉的作用,推動業界同仁將各種先進的無損檢測方法和技術引入起重機械檢驗領域,保障起重機械的安全生 產,為國民經濟的高速發展作出貢獻