大型船閘人字閘門的塑性疲勞和脆性斷裂(共7頁)

1、大型(dxng)船閘人字閘門的塑性疲勞和脆性斷裂湯長書1曾維2閆如義1董國威(u wi)1(1.長江委設(shè)計院；2.長江三峽(chn jin sn xi)通航管理局)摘要：大型船閘人字門往往在運行一定時間后局部結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)疲勞開裂。甚至在運行還不到2年，頂樞拉桿突然斷裂。分析認為，這是塑性疲勞和脆性斷裂的表現(xiàn)。造成塑性疲勞和脆性斷裂的因素很多，為此著重分析了應力集中和焊接殘余應力對結(jié)構(gòu)開裂的影響并提出相應的對策。要控制塑性疲勞和脆斷，必須從合理采用沖擊韌性較好的鋼材，精心設(shè)計接頭細部，消除焊接殘余應力，提高制造安裝的質(zhì)量，加強質(zhì)量檢測等多方面著手，提高人字閘門抗塑性疲勞和脆斷的壽命。關(guān)鍵詞：大型船

2、閘人字門； 塑性疲勞； 脆斷對策中圖分類號：U 641 文獻標識碼：A前言常見的水工鋼閘門，無論是動水還是靜水啟閉的閘門，對閘門只進行強度、剛度和穩(wěn)定性的驗算，一般不作疲勞驗算。但是船閘中使用的人字閘門卻不同，船閘每通航一次，人字門就承受一次荷載循環(huán)，而且是一次滿載到零載又從零載到滿載的循環(huán)。按平均每日通航20次計算，至少要運行14年后，該循環(huán)次數(shù)才會大于105，既然荷載循環(huán)105，就可以不考慮高周疲勞。因此，在葛洲壩船閘人字門設(shè)計中沒有考慮疲勞和脆斷。但是，葛洲壩2號和3號船閘運行10年后發(fā)現(xiàn)人字門出現(xiàn)焊接裂紋和板材裂紋。按常規(guī)，循環(huán)次數(shù)105屬于低周，低周條件下出現(xiàn)疲勞開裂，顯然是在裂縫處

3、存在高應變，低周和高應變兩個因素同時存在，便有可能出現(xiàn)塑性疲勞現(xiàn)象。有關(guān)脆性斷裂的現(xiàn)象可以舉兩個例子：1982年3月8日葛洲壩2號船閘下閘首左扇人字閘門頂樞A桿突然斷裂。另外，在1997年3月的一次檢修葛洲壩2號船閘下閘首人字門底止水時，發(fā)現(xiàn)右下門的下二橫梁下翼緣靠近背拉桿節(jié)點板邊貼角焊縫處，在-26400的下翼緣板上出現(xiàn)貫穿性斷裂。頂樞A桿斷裂前沒有明顯的塑性變形階段。斷裂的形成與制造加工形成的缺陷，以及運行中曾用人字門過載推砂等因素有關(guān)。1 塑性疲勞和工程對策1.1 基本情況在1981年正式投運的葛洲壩2號和3號船閘人字閘門，是我國當時規(guī)模最大的人字閘門。3號船閘在1990年船閘定期大修時

4、，首次在下閘首人字門門體結(jié)構(gòu)上發(fā)現(xiàn)板材開裂。這次發(fā)現(xiàn)的主要情況為：裂紋分布在下閘首人字門的最下部5根主橫梁。裂紋分布在門軸柱和斜接柱的主梁上、下翼緣與豎隔板上下翼緣的交接處。共發(fā)現(xiàn)25道裂紋。門軸柱的裂紋數(shù)與斜接柱的裂紋數(shù)基本相同。裂紋都出現(xiàn)在主梁翼緣板上，與水平線約成70夾角。裂紋一般起始于母材焊接弧坑缺陷處（見圖1）。對裂紋的處理措施： 用碳弧氣創(chuàng)沿裂紋開出補焊剖口，并用砂輪清除剖口殘碴后進行補焊。圖1 裂紋位置示意 加焊補強板（見圖2），補強板與豎隔板的翼緣同厚，三角形兩端帶30mm鈍邊，補強板與主梁翼緣或豎隔板翼緣的連接采用開剖口焊透。1994年2號船閘大修，發(fā)現(xiàn)上、下閘首人字門都出現(xiàn)

5、圖1所示的裂紋。裂紋分布數(shù)量見表1。圖2 “補強板”布置圖表11994年2號船閘大修時發(fā)現(xiàn)(fxin)的上、下閘首人字門裂紋數(shù)量(道)上閘首人字門(底部2根梁)下閘首人字門(底部4根梁)左門右門左門右門門軸柱斜接柱斜接柱門軸柱門軸柱斜接柱斜接柱門軸柱上游側(cè)35下游側(cè)35441994年2號船閘大修時，還發(fā)現(xiàn)下閘首人字門的防護梁焊接接頭處有21道焊縫開裂。這次2號下閘首人字門大修中，對門體裂縫的修補處理(chl)的方法與1990年3號下閘首人字門相同(見圖2)。事后，于1997年3月3號和2號船閘都進行了搶修，搶修中發(fā)現(xiàn)，在1990年和1994年加焊的補強板的外端，主橫梁的翼緣板開裂(見圖2)。經(jīng)

6、驗證明，用補強板來解決人字門結(jié)構(gòu)局部開裂的方法是不當?shù)模驗殚_裂的主要原因是形狀突變引起應力(yngl)集中，要消除應力集中就必須避免突變，形成平滑過渡，三角形補強板板端部仍有突變，應力集中仍然存在，所以在形狀突變處又開裂。2 對出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象的初步認識2.1 荷載產(chǎn)生應力變化的循環(huán)次數(shù)n工程結(jié)構(gòu)中最常遇到的是高周疲勞，也就是公稱循環(huán)應力小于材料的屈服應力，疲勞破壞的應力循環(huán)次數(shù)n105次，在兩個基本條件下的疲勞。然而，如果船閘通航一次人字閘門產(chǎn)生一次應力變化的循環(huán)，那么，葛洲壩船閘從1981年開始運行到1990年發(fā)現(xiàn)裂紋，則n0.72105次。從1990年加焊補強板到1997年又發(fā)現(xiàn)裂紋，則n

7、0.56105次。即出現(xiàn)裂紋的應力循環(huán)次數(shù)n105次，應屬于低周。按高周疲勞的定義，凡結(jié)構(gòu)應力循環(huán)次數(shù)n105次，且公稱循環(huán)應力小于材料的屈服應力，則結(jié)構(gòu)不會因疲勞破壞，即不必按高周疲勞的概念驗算結(jié)構(gòu)的疲勞強度。但葛洲壩船閘人字門結(jié)構(gòu)在n105)的范疇，根據(jù)定義，低周疲勞是經(jīng)n=102105次循環(huán)而產(chǎn)生的疲勞。低周疲勞過程中，應力水平很高，峰值應力進入塑性區(qū)，而這種塑性應變已經(jīng)大到不能忽略不計的程度，故低周疲勞又稱應變循環(huán)疲勞或塑性疲勞。實際上，低周疲勞只可能出現(xiàn)在某些應力集中區(qū)域或焊接殘余拉應力已達到或接近屈服極限的區(qū)域。要控制人字閘門的塑性疲勞，關(guān)鍵是要弄清楚人字閘門出現(xiàn)疲勞開裂的主要因素

8、。影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的因素主要有以下7個方面：應力集中；斷面尺寸；表面狀態(tài)；荷載情況；介質(zhì)；靠近焊縫區(qū)材料性能的改變；焊接殘余應力以上7個方面是我們在設(shè)計三峽永久船閘人字門時，控制塑性疲勞所考慮的主要問題。本文著重討論應力集中和焊接殘余應力兩個因素。2.4 應力集中的影響在焊接結(jié)構(gòu)中，接頭部位由于具有不同的應力集中，它們對接頭的疲勞強度產(chǎn)生程度不同的不利影響。圖1所示是在葛洲壩船閘人字門出現(xiàn)疲勞開裂最多部位。豎隔板的翼緣使主梁翼緣的形狀突然改變，必然會引起主梁翼緣產(chǎn)生應力集中。葛洲壩2號船閘下閘首人字門邊柱的主梁上翼緣采用了圓弧過渡的設(shè)計，在主梁同一截面的下翼緣采用的是圖1的形式。顯然上游側(cè)

9、的接頭形狀沒有突變，避免了明顯的應力集中，而下翼緣卻有明顯的形狀突變，所以存在不利的應力集中。運行十年后該截面的下翼緣有多處疲勞開裂，但在同一截面的上翼緣，由于采用了圓弧過渡，至今都沒有發(fā)現(xiàn)疲勞開裂。在三峽永久船閘人字門結(jié)構(gòu)設(shè)計中，接受了這方面的經(jīng)驗和教訓。2.5 焊接殘余應力的影響鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)過焊接的過程，結(jié)構(gòu)中的焊縫及其附近或另部件都會產(chǎn)生很高的焊接殘余應力，但這種應力系內(nèi)應力，殘余拉應力和壓應力在結(jié)構(gòu)內(nèi)部自行平衡，其中焊接殘余拉應力甚至可以達到或接近屈服極限。當這種結(jié)構(gòu)承受全壓應力循環(huán)荷載作用時，達到或接近屈服應力的焊接殘余應力與反復出現(xiàn)的荷載作用下的循環(huán)工作壓應力疊加，于是形成了拉應力的循

10、環(huán)，該應力循環(huán)的最大應力就是達到或接近屈服極限的焊接殘余拉應力，應力幅值等于結(jié)構(gòu)承受荷載時的最大工作壓應力值。按這種工作應力與殘余應力疊加的原理，很容易解釋人字閘門中發(fā)現(xiàn)的塑性疲勞裂紋。上述的斷裂裂紋緊靠著節(jié)點板與翼緣板相聯(lián)的貼角焊縫趾部，該趾部沒有發(fā)現(xiàn)明顯的焊接缺陷，可以排除因焊縫缺陷導致基本結(jié)構(gòu)疲勞開裂的說法。還要注意，節(jié)點板邊的貼角焊縫，由于它在焊后的橫向收縮，使該貼角焊縫沿線具有橫向的焊接殘余拉應力，由于結(jié)構(gòu)剛度較大，該處的殘余拉應力可能很高，或許達到或接近屈服極限。如果把這么高的殘余拉應力與下翼緣在該處的設(shè)計荷載循環(huán)工作壓應力相疊加，則具備了產(chǎn)生塑性疲勞的基本條件，所以不難解釋為什么

11、在低周條件下全受壓下翼會沿貼角焊縫出現(xiàn)斷裂，針對葛洲壩船閘人字門中所發(fā)現(xiàn)的問題，在三峽永久船閘人字門設(shè)計中，避免了背拉桿節(jié)點板與主梁下翼緣搭接的接頭，使節(jié)點板與下翼緣共面，互相聯(lián)接時采用對接焊并且平滑過渡的處理方法。2.6 控制人字門結(jié)構(gòu)脆性斷裂的對策脆斷是由于那些可能引起零部件失事的裂紋突然擴展的結(jié)果。脆斷的特性主要受額定工作應力水平、材料的韌性和已有裂紋的數(shù)量和幾何特性等三個主要因素所制約。按概念設(shè)計的思路，控制脆斷的對策要從以下兩個方面去努力：第一是防止脆斷的引發(fā)；第二是一旦出現(xiàn)小裂紋，所選用的材料能阻止它繼續(xù)擴展，即具有止裂性。防止脆斷引發(fā)的有效方法之一是使焊接頭具有一定的抗開裂性能，

12、這是因為在焊接接頭處鋼材受到焊接熱循環(huán)的影響并易產(chǎn)生焊接缺陷，所以是焊接結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。焊縫質(zhì)量包括咬邊、欠焊、夾渣、氣孔和焊透等缺陷，這些缺陷或者本身就具裂紋的性質(zhì)，或者能夠引發(fā)裂紋。這要靠保證施工質(zhì)量和加強檢驗來解決。厚鋼板的韌性低于薄板，不僅是因為在應力集中條件下厚板切口處沿厚度方向變形受阻從而呈現(xiàn)脆性，還由于厚板軋制的壓縮比過小，內(nèi)部組織不如壓縮比大的薄板好，因此厚板機械性能較差，尤其是沖擊韌性的差別最為明顯。所以，在三峽永船人字門結(jié)構(gòu)設(shè)計中盡量避免用厚鋼板，非用不可時，則選用轉(zhuǎn)變溫度為-20的Q345D、DH32和DH36鋼，使之在這一方面有一定的儲備。如重要性和頂樞拉桿相同的耳板（即頂樞上蓋板），如果它發(fā)生脆斷，將會出現(xiàn)災難性的后果。所以，這些零部件的設(shè)計除了考慮它的強度，還應正確選擇鋼材，保證施工質(zhì)量和加強檢測。從運行安全上來考慮，凡是某些零部件的斷裂可能會導致工程失事時，都應從加工到運行，認真對其進行檢測，對它們的任何細小的裂紋都應作出科學的分析和認真的處理，切不可大意。三峽永船人字門的邊柱在制