大型鋼結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷無損評估及殘余壽命預(yù)測技術(shù)----最終版

1、Beijing Constant Technology, Inc起重機械是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中不可或缺的大型鋼結(jié)構(gòu)，在其使用過程中,承受著循環(huán)交變載荷，因疲勞累積損傷而導(dǎo)致關(guān)鍵構(gòu)件功能失效乃至整個起重機械斷裂失效的事故往往是災(zāi)難性的,而疲勞斷裂因其特點在構(gòu)件失效前往往不易被察覺,給起重機械的安全使用帶來較大的安全隱患。2 2、高壓高壓高壓輸電鐵塔具有桿塔高聳、跨度大，結(jié)構(gòu)整體柔度隨桿塔高度的增加而非線性增加，在風(fēng)雨及導(dǎo)線覆冰等隨機環(huán)境交變荷載作用下，鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞累積損傷，當(dāng)疲勞損傷累積到一定程度時，在風(fēng)雨及導(dǎo)線覆冰等隨機環(huán)境下極易發(fā)生突然倒塌。3 3、橋梁、橋梁結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)大型橋梁承重的鋼構(gòu)件因反復(fù)長

2、期承受加載和卸載而產(chǎn)生循環(huán)交變應(yīng)力，將使橋梁承重的鋼構(gòu)件產(chǎn)生疲勞累積損傷，當(dāng)疲勞損傷累積到一定程度時，將嚴(yán)重威脅橋梁整體結(jié)構(gòu)的安全，從而導(dǎo)致毫無預(yù)警的災(zāi)難性的坍塌。作為海洋資源開發(fā)的基礎(chǔ)設(shè)施，海洋平臺造價高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用周期長，長期承受著循環(huán)交變載荷，因疲勞累積損傷而導(dǎo)致整個海洋平臺倒塌失效的事故往往是災(zāi)難性的,而疲勞斷裂因其特點在構(gòu)件失效前往往不易被察覺,給海洋平臺的安全使用帶來較大的安全隱患。作為海洋運輸?shù)幕A(chǔ)設(shè)施，船舶結(jié)構(gòu)造價高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用周期長，長期承受著循環(huán)交變載荷，因疲勞累積損傷而導(dǎo)致整個船舶結(jié)構(gòu)斷裂失效的事故往往是災(zāi)難性的,而疲勞斷裂因其特點在構(gòu)件失效前往往不易被察覺,給船

3、舶結(jié)構(gòu)的安全使用帶來較大的安全隱患。結(jié)構(gòu)主要承載結(jié)構(gòu)主要承載材質(zhì)材質(zhì)1、起重機主要承載結(jié)構(gòu)及零部件常用材料 （1） 起重機承載結(jié)構(gòu)件常用材料采用Q235B、Q235C、Q235D(和平鋼)，沸騰鋼Q235F。管事級別為A7、A8的起重機金屬結(jié)構(gòu)，宜采用平爐和平鋼Q235C或特殊和平鋼Q235D，必要加重結(jié)構(gòu)自重時,可采用16Mn或15Mn可。 （2） 起重機主要零部件常用材料吊鉤是鍛造的：采用鋼板鉚合，為片式吊鉤。吊鉤材料應(yīng)采用DG20、DG20Mn、DG34CrMo、DG34CrNiMo、DG30Cr2Ni2M02鋼制成，片式吊鉤由若干片厚度不小于20mm的Q235、20或Q345的鋼板制造

4、。 （3）鋼結(jié)構(gòu)聯(lián)接鋼結(jié)構(gòu)聯(lián)接方式主要有焊接、螺栓聯(lián)接、銷軸聯(lián)接等，螺栓聯(lián)接主要分普通螺栓聯(lián)接和高強螺栓聯(lián)接，普通螺栓般為六角頭螺栓，以碳素鋼Q235J造。高強螺栓分摩檫型和承壓型，由中碳鋼或合金鋼等經(jīng)淬火并回火后制成，我國采用的高強螺栓分88級和109級兩類，88級高強螺栓常用材料為經(jīng)過熱處理的40B、45或35鋼，109級高強螺栓常用材料是20MntiB和35VB鋼。2、輸電線路鐵塔常用材料我國輸電線路鐵塔目前用材主要以熱軋角鋼型材為主，輔以少量鋼管，鋼材的品種以Q235 和Q345兩種為主，鐵塔采用熱鍍鋅防腐，使用年限約為50a。鐵塔用材與發(fā)達(dá)國家相比，品種少、強度值偏低、可選擇余地小。

5、 我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中的最高強度等級為420MPa (Q420 鋼材)，架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)定中的最高強度等級只有390MPa(Q390 鋼材)。從各國的設(shè)計規(guī)范、選材范圍及工程實際應(yīng)用情況來看，我國的高強鋼使用水平均明顯落后于國外一些發(fā)達(dá)國家。 目前, 我國已經(jīng)有了可以使用的高屈服點鋼材Q390，Q420 和Q460。在大負(fù)荷桿塔上使用高強鋼可有效地降低塔重指標(biāo)。云廣直流輸電線路作為世界上第一條800kV 等級的直流輸電線路，采用高強鋼對有效降低工程造價，提高我國輸電線路科技水平和市場競爭力有著重大意義。 3、橋梁結(jié)構(gòu)常用材料橋梁用結(jié)構(gòu)鋼對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)GB/T714-2000, 有4個強度等

6、級：Q235q（C、D級）；Q345q（C、D、E級）；Q370q（C、D、E級）；Q420q（C、D、E級）。 4、海洋平臺結(jié)構(gòu)常用材料對平臺本體結(jié)構(gòu)必須充分考慮結(jié)構(gòu)是否會因水壓產(chǎn)生彎曲變形，并且在施工時使用冷熱加工及焊接接頭必須滿足疲勞強度，通常采用抗拉強度為500MPa級的正火型高強鋼，鋼板厚度通常不大于130mm，不建議用調(diào)質(zhì)型高強鋼。 10Cr2MoAlRE、08PVRE、09MnCuPTi、10MnPNbRE、10NiCuAs、10CrMoAl等已通過鑒定，但除了少數(shù)用戶因個別工程需要訂貨外，尚未推廣開來，應(yīng)用少，產(chǎn)量也少，多用在鋼板樁、海水冷凝器、輸海水管線、管樁、船塢閘門等方面

7、，尚未涉及大型的固定式和移動式海洋結(jié)構(gòu)物。 5、船舶結(jié)構(gòu)常用材料現(xiàn)代船舶的船體結(jié)構(gòu)制造所用材料主要是一般強度船體結(jié)構(gòu)用鋼、高強度船體結(jié)構(gòu)用鋼、奧氏體不吳鋼和雙相不吳鋼、復(fù)合鋼板、Z向鋼、鋁合金、加強塑料等。根據(jù)CCS 1998年材料與焊接規(guī)范和2002、2004年規(guī)范修改通報要求，所有金屬材料必須從力學(xué)性能(強度、吮逶、硬度、蠕變)、工藝性能（彎曲、焊接性）、化學(xué)成分、脫氧方法、交貨狀態(tài)（熱處理）等方面符合規(guī)范要求。 大型鋼結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷所致功能性喪失 疲勞累積損傷所致功能喪失是大型鋼結(jié)構(gòu)最常見的失效方式，約占工程材料與構(gòu)件全部失效的80%-90%。1、疲勞破壞過程是材料內(nèi)部薄弱區(qū)域的組織在

8、變動應(yīng)力變動應(yīng)力作用下，逐漸發(fā)生變化和損傷累積、開裂，當(dāng)裂紋擴展達(dá)到一定程度后發(fā)生突然斷裂的過程，是一個從局部區(qū)域開始的損傷累積，最終引起整體材料斷裂的過程。2、疲勞破壞是循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力引起的延時斷裂延時斷裂，其斷裂應(yīng)力水平斷裂應(yīng)力水平往往低于低于材料的抗拉強度抗拉強度，甚至低于其屈服強度低于其屈服強度。機件疲勞失效前的工作時間稱為疲勞壽命，疲勞斷裂壽命隨循環(huán)應(yīng)力不同而改變。3、應(yīng)力高，機件壽命短；應(yīng)力低，壽命長。當(dāng)應(yīng)力低于材料的疲勞強度時，壽命可無限長。 疲勞破壞的概念疲勞破壞的概念14循環(huán)變動應(yīng)力(1) 疲勞斷裂表現(xiàn)為低應(yīng)力下的破壞斷裂：疲勞失效在遠(yuǎn)低于材料的靜載極限強度，甚至遠(yuǎn)低于材料

9、屈服強度下發(fā)生。(2) 疲勞破壞宏觀上無塑性變形：與靜載荷作用下材料的破壞相比，具有更大的潛在的危險性 。(3) 疲勞失效過程是一種與時間有關(guān)的失效方式，具有多階段性：是材料微觀組織累積損傷過程，由交變應(yīng)力(應(yīng)變)作用引起的損傷是隨著載荷次數(shù)逐次增加的。 (4) 與單向靜載斷裂相比，疲勞失效對材料的微觀組織累積損傷更加敏感 ，這是因為疲勞有極大的選擇性，幾乎總是在構(gòu)件材料表面的缺陷處發(fā)生。 (5)疲勞失效受載荷歷程的影響：過載損傷會導(dǎo)致疲勞強度的下降(如下圖所示) 疲勞失效的特點 碳鋼拉伸曲線n拉伸曲線表示試樣拉伸過程中力和變形關(guān)系，可用應(yīng)力延伸率曲線表示，縱坐標(biāo)為應(yīng)力R，R=F/S0，橫坐標(biāo)

10、為延伸率，L/L0拉伸曲線的形狀與材料有關(guān)，由圖可見，在載荷小的oa階段，試樣在載荷F的作用下均勻伸長，伸長量與載荷的增加成正比。如果此時卸除載荷，試樣立即回復(fù)原狀，即試樣產(chǎn)生的變形為彈性變形。當(dāng)載荷超過b點以后，試樣會進(jìn)一步產(chǎn)生變形，此時若卸除載荷，試樣的彈性變形消失，而另一部分變形則保留下來，這種不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。 鋼的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，加載到A點卸載再重新加載，其抗拉強度b與末卸載的相同，即未受到載荷史的影響。 工程應(yīng)力應(yīng)變曲線工程應(yīng)力應(yīng)變曲線 鋼結(jié)構(gòu)工程應(yīng)力應(yīng)變曲線 一定的過載也可能延緩疲勞裂紋的擴展，延長疲勞壽命，如圖所示。 過載引起疲勞裂紋擴展過載引起疲勞裂紋擴展延滯效應(yīng)

11、延滯效應(yīng) 過載引起疲勞裂紋擴展延滯效應(yīng) 碳鋼的疲勞累積損傷曲線碳鋼的疲勞累積損傷曲線金屬材料的疲勞極限疲勞裂紋的三個階段 材料在機械循環(huán)應(yīng)力的作用下連續(xù)產(chǎn)生大量的位錯結(jié)構(gòu)，位錯聚集和運動導(dǎo)致微觀損傷累積-疲勞；循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)載荷作用致使位錯做往復(fù)運動使極性相反的位錯形成穩(wěn)定的配對結(jié)構(gòu)；循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化 位錯偶極子累積自發(fā)形成脈狀結(jié)構(gòu)：a 計算機模型；b 掃描電鏡；循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化持續(xù)循環(huán)加載導(dǎo)致脈狀位錯結(jié)構(gòu)密度增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)處于一個彈性的不穩(wěn)定狀態(tài)，驅(qū)使脈狀

12、位錯結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為持久穩(wěn)固的滑移帶（PSBs）結(jié)構(gòu)：a 計算機模型：PSBs有一個類似階梯狀結(jié)構(gòu)；b 掃描電鏡圖片；循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化位錯點陣脈狀結(jié)構(gòu)，局部穩(wěn)固的滑移帶（PSBs）結(jié)構(gòu)：循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)交變應(yīng)力下材

13、料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化材料結(jié)構(gòu)敏感性-磁滯特性參數(shù)眾多的研究表明：材料微觀結(jié)構(gòu)特性決定材料的機械性能；材料機械性能惡化是由于材料微觀結(jié)構(gòu)累積損傷的結(jié)果-在交變

14、應(yīng)力環(huán)境下材料晶體缺陷-位錯、空穴等聚集、運動造成的微觀損傷累積而成的；材料機械性能降級過程也同時改變了材料微觀組織結(jié)構(gòu)特征，而材料的磁滯特征參數(shù)非常敏感于微觀組織結(jié)構(gòu)的變化。 相反，材料的磁滯回線形狀特征參數(shù)的變化也反應(yīng)了材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)特征的變化：可以通過刻畫和評估材料的磁滯行為，以一種無損的方式，來識別材料的微觀結(jié)構(gòu)變化和監(jiān)測材料機械性能的降級。材料的磁滯行為材料材料鐵磁磁滯回線鐵磁磁滯回線不同時期磁疇壁運動不同時期磁疇壁運動微觀結(jié)構(gòu)和機械應(yīng)力影響磁滯回線形狀材料微觀組織結(jié)構(gòu)對材料磁滯回線特征參數(shù)的影響材料所遭受應(yīng)力對材料磁滯回線特征參數(shù)的影響微觀結(jié)構(gòu)和機械應(yīng)力影響縱向磁致伸縮材料微觀組

15、織結(jié)構(gòu)和機械應(yīng)力對材料縱向磁致伸縮的影響磁滯特征參數(shù)無損評估新技術(shù)磁滯回線的不同參數(shù)：剩磁Br, 矯頑力Hc, 飽和磁感應(yīng)強度Bs, 初始微分磁導(dǎo)率in, 最大微分磁導(dǎo)率max, 磁滯損耗Wh, 最大磁感應(yīng)強度Bm, 初始微分非磁滯磁導(dǎo)率an, 蠕變過程中材料微觀結(jié)構(gòu)變化可以用磁滯回線形狀的變化來反映材料破損前的狀態(tài)材料破損前的狀態(tài)當(dāng)前狀態(tài)當(dāng)前狀態(tài)初始狀態(tài)初始狀態(tài)爐管內(nèi)部微觀組織損傷累積過程中矯頑力的增長Hc maxHc min材料矯頑力與力學(xué)性能加載圖表(damage state)材料磁特性-矯頑力測量標(biāo)準(zhǔn)加載圖表操作載荷下矯頑力值從初始值0 到最終斷裂值 ,將增大2-3倍; (2-4) 0

16、 這樣2-4倍的增量允許采用矯頑力來評估金屬的疲勞狀態(tài). 這種方法極為有效.通過測量當(dāng)前矯頑力值Hc與初始狀態(tài)與斷裂前數(shù)值之差額，預(yù)測工件的已服役壽命和殘余壽命。 基于缺陷存在的常規(guī)無損檢測評估手段僅基于缺陷存在的常規(guī)無損檢測評估手段僅僅在宏觀缺陷出現(xiàn)之后至失效前是有效的；僅在宏觀缺陷出現(xiàn)之后至失效前是有效的； 在材料服役前至宏觀缺陷出現(xiàn)之前在材料服役前至宏觀缺陷出現(xiàn)之前, , 材料材料的疲勞是以微觀損傷的形式累積的，通過材料的疲勞是以微觀損傷的形式累積的，通過材料的磁性參數(shù)的磁性參數(shù)-矯頑力反應(yīng)；對于大多數(shù)低應(yīng)矯頑力反應(yīng)；對于大多數(shù)低應(yīng)力疲勞斷裂失效而言，從疲勞缺陷出現(xiàn)至材料力疲勞斷裂失效而

17、言，從疲勞缺陷出現(xiàn)至材料斷裂，時間非常短，即雪崩式的斷裂失效，常斷裂，時間非常短，即雪崩式的斷裂失效，常常不可預(yù)測，目前并無一種有效的檢測手段來常不可預(yù)測，目前并無一種有效的檢測手段來評估；評估； 因此因此, , 在材料損傷早期診斷上在材料損傷早期診斷上, , 矯頑力測矯頑力測量可作為一種材料損傷診斷評估首選的手段。量可作為一種材料損傷診斷評估首選的手段。材料損傷首選的無損評估技術(shù)-矯頑力測量碳鋼在低周疲勞模式中不同循環(huán)應(yīng)力下矯頑力-循環(huán)數(shù)（壽命）圖表Hc maxHc min磁滯參數(shù)用于評估材料多種因子引起的失效機理Hc maxHc minABC(damage)5-20毫米鋼板的磁性和機械性能

18、參數(shù)對比表MA多參數(shù)磁性分析設(shè)備低碳鋼的磁滯回線特征參數(shù)高碳鋼的磁滯回線特征參數(shù)同時測量多組磁滯回線特征參數(shù)：矯頑力、剩磁、最大微分磁導(dǎo)率、初始微分磁導(dǎo)率、磁滯損耗及松弛參數(shù)等多組磁性參數(shù)來分析評估材料的機械性能降級。矯頑力測量設(shè)備矯頑力測量設(shè)備操作簡單, 數(shù)據(jù)采集僅僅需要8秒鐘: 1.手持式計算機與矯頑力主機通過無線通訊連接;2.軟件能立即儲存測量結(jié)果并顯示給操作人員:數(shù)據(jù)圖表彩色分布柱狀圖平均值離散值手持式計算機能夠發(fā)送數(shù)據(jù)至服務(wù)器用于分析和儲存數(shù)據(jù)庫. PP)d2(Rb22xaml / 2XXM hb 1 0 .5687 / 0 ,2 0 9 2 -1 2t = 5 XL 4 .2 .

19、. 4 .2 . . . 5687 / 0,2 09 2 -12t = 5 X . . 塑性鉸形成的分級模式通過矯頑力測量來識別I型主梁的塑性鉸形成ELASTIC ZONEPLASTIC ZONEPLASTIC ZONESteel 092wall = 5 mmUpper part of I-beamLower part of I-beamVERICAL WALL OF I-beamHc critical起重機械磁性評估技術(shù)起重機械磁性評估技術(shù)加固件Hc Critical 臨界維護(hù)水平上部測試下部測試Steel 092(by class 325)Coercivity, Hc A/cmStress

20、, ? kg/mm2起重機械磁性評估技術(shù)兩個相似橋式吊車的主I型橫梁磁性無損評估 (10 噸, 19m長, 20年服役，輕模式 (Q1) 和重模式 (Q3) ，國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 4301)主 I型橫梁 B測試點主I型橫梁 AMain I-beam A lengthMain I-beam A末端I型橫梁垂直壁的矯頑力Q3工作模式下 Hc 和 ? 在I型橫梁I-I橫截面垂直壁上分布起重機械磁性評估技術(shù)用于滑道式起重機磁性無損評估測試點縱向方向橫向方向Loading modes加載模式無起重機I-橫梁重量加載起重機i在中間位置加載貨物Testing points起重機械磁性評估技術(shù)通過ISO 4301國際標(biāo)準(zhǔn)，采用磁滯特性無損評估技術(shù)對起重機械鋼結(jié)構(gòu)殘余壽命進(jìn)行評估。N, cycle安全維護(hù)模式可控維護(hù)模式臨界維護(hù)模式SteelmodemodemodemodeSteelC, shift矯頑力最大值鋼結(jié)構(gòu)壽命循環(huán)數(shù)鋼結(jié)構(gòu)壽命百分?jǐn)?shù) 鋼結(jié)構(gòu)壽命相對循環(huán)起重機械磁性評估技術(shù)A533B鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線A533B鋼循環(huán)加載疲勞曲線 A533B鋼應(yīng)變加載疲勞曲線A533B鋼應(yīng)變加載疲勞曲線A533B鋼應(yīng)變加載疲勞曲線A533B鋼應(yīng)變加載疲勞曲線A533B鋼應(yīng)變加載疲勞曲線A533B鋼應(yīng)變加載疲勞曲線A533B鋼應(yīng)變加載疲勞曲線A533B鋼