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        腐蝕對結(jié)構(gòu)受力的影響以及改進措施

        2014-07-25 04:35:08王文靜賈曉楠蓋文慶
        中國工程機械學(xué)報 2014年2期
        關(guān)鍵詞:弦桿腐蝕深度臂架

        王文靜,耿 燾,賈曉楠,蓋文慶,王 欣

        (1.大連益利亞工程機械有限公司,遼寧大連 116023;2.海洋石油工程股份有限公司安裝公司,天津 300451;3.大連理工大學(xué)機械工程學(xué)院,遼寧大連 116023)

        在實際應(yīng)用中,許多設(shè)備結(jié)構(gòu)在使用之前都做了相應(yīng)的防腐蝕措施,但隨著時間的推移,受工作環(huán)境以及設(shè)備保養(yǎng)條件的限制,腐蝕不可避免.當腐蝕達到一定程度時,結(jié)構(gòu)的正常工作將受到影響,嚴重時會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)工作性能失效[1].此外,腐蝕不僅使結(jié)構(gòu)遭受嚴重的破壞,導(dǎo)致金屬構(gòu)件或設(shè)備提前退役,還造成資源浪費,由此間接增加了設(shè)備使用成本,降低了經(jīng)濟效益[2].因此,對于重要的承載構(gòu)件,腐蝕是不容忽視的.腐蝕的形式分為兩大類:均勻腐蝕與局部腐蝕.均勻腐蝕指發(fā)生腐蝕位置和腐蝕程度較為均勻,局部腐蝕指腐蝕主要發(fā)生在一定區(qū)域內(nèi),主要有點蝕、應(yīng)力腐蝕破裂、細菌腐蝕等,其中點蝕造成的危害較大[3].

        針對腐蝕,國內(nèi)展開了大量的研究.張新偉等[4]、洪來鳳等[5]基于 ANSYS 有限元軟件分析了深海油路管道存在腐蝕缺陷條件下的強度,魏化中等[6]對腐蝕合理模型的建立進行了詳細描述,李昕[7]則對單點腐蝕管道在內(nèi)壓作用下的受力做了詳細分析.但是已有的研究主要集中在金屬管道分析,而對于海洋用起重機,其臂架的腐蝕情況也不容樂觀,但國內(nèi)鮮有研究.文攀[8]也只是對正常狀態(tài)下,船用起重機臂架的應(yīng)力和穩(wěn)定性做了研究,但并未考慮腐蝕造成的影響.

        為此,本文對海洋用起重機臂架單點腐蝕狀態(tài)下受力情況進行了相關(guān)研究,并根據(jù)計算結(jié)果提出了相關(guān)解決措施.

        1 起重機使用情況介紹

        本文以鋪管船用350 t固定回轉(zhuǎn)起重機的桁架臂為研究對象,如圖1所示.臂長61 m;弦桿為角鋼結(jié)構(gòu),尺寸為203.2 mm ×203.2 mm ×25.4 mm;腹桿為管材結(jié)構(gòu),尺寸為 Φ60.3 mm ×3.9 mm,Φ73 mm ×5.2 mm,Φ88.9 mm ×5.5 mm,Φ101.6 mm ×5.8 mm.

        圖1 鋪管船用起重機Fig.1 Crane on pipe-laying ship

        在近期的質(zhì)檢過程中,發(fā)現(xiàn)臂架弦桿結(jié)構(gòu)存在腐蝕現(xiàn)象,位置在底節(jié)與中間節(jié)處,如圖1所示.為了解腐蝕結(jié)構(gòu)對應(yīng)力變化的影響,本文將首先分析未腐蝕結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況,然后建立單點腐蝕結(jié)構(gòu)有限元模型,對比分析兩者的應(yīng)力變化及腐蝕結(jié)構(gòu)尺寸對應(yīng)力的影響,最后提出結(jié)構(gòu)改進措施,通過計算分析來驗證改進措施的有效性.

        2 未腐蝕的臂架結(jié)構(gòu)建模與應(yīng)力分析

        根據(jù)臂架實際結(jié)構(gòu)建立有限元模型,如圖2所示.弦桿與腹桿采用Beam188梁單元建立,板采用Shell63板單元建立,變幅繩采用Link10桿單元建立.模型節(jié)點數(shù)為58 692,單元數(shù)為28 093.根據(jù)結(jié)構(gòu)實際約束情況,在臂架根部施加全位移約束,變幅繩根部鉸點處施加全位移約束.以常用的作業(yè)工況為計算工況,即臂架仰角58.4°,起重質(zhì)量154 t.根據(jù)文獻[9],施加相應(yīng)風載與海面波動引起的側(cè)載(橫傾2°,縱傾3°).臂架自身質(zhì)量58 t,通過有限元軟件自動施加于模型上.

        圖2 臂架有限元模型Fig.2 Finite elementmodel of boom

        相應(yīng)的有限元計算結(jié)果如圖3所示.從圖中可以看出,臂架四個弦桿的應(yīng)力因側(cè)載影響而有所不同,最大應(yīng)力達到276.817 MPa,位于臂架底節(jié),此處是弦桿腐蝕點處,腹桿最大應(yīng)力為96.851 MPa,位于臂架的中間節(jié)部位,滿足許用應(yīng)力440 MPa的要求.

        3 腐蝕對臂架結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響分析

        由該起重機的腐蝕檢測報告得知,底節(jié)弦桿上具有較多腐蝕點,且腐蝕的最大深度為3.5 mm.通過觀測腐蝕點的形狀,可將腐蝕結(jié)構(gòu)近似為圓柱形或倒錐形凹槽.因此,為研究腐蝕點對弦桿受力的影響,根據(jù)圣維南原理,選取底節(jié)中500 mm長度的弦桿,建立實體有限元模型,在實體模型上開設(shè)圓柱型凹槽模擬腐蝕結(jié)構(gòu),模型如圖4所示.

        為考慮不同腐蝕深度對弦桿應(yīng)力的影響,在弦桿上分別建立1.5,2.5和3.5 mm 深度的凹槽,如圖4b所示.同時考慮到腐蝕直徑對弦桿受力也有影響,因此與前面不同深度的凹槽進行組合,分別建立腐蝕直徑為3,5,10 mm的凹槽.本文對于腐蝕直徑為3 mm的模型采用圓柱型凹槽,腐蝕直徑為5和10 mm的模型采用倒錐形凹槽,斜度為 30°.

        模型的約束方面,在弦桿模型的一端施加位移與角位移全約束,另一側(cè)端施加100 MPa的均布壓應(yīng)力,如圖5所示.

        圖3 應(yīng)力分布圖Fig.3 Stress distribution diagram

        圖4 弦桿實體模型Fig.4 Dummy of chord

        圖5 約束和載荷施加圖Fig.5 Applied restraint and load diagram

        圖6 腐蝕點處應(yīng)力分布圖Fig.6 Stress distribution diagram of corrosion point

        根據(jù)上述模型與約束及載荷,進行有限元計算,計算結(jié)果如圖6所示.由于相同腐蝕直徑,不同腐蝕深度計算出的應(yīng)力分布情況相似,因此這里只列出了腐蝕深度為2.5 mm、不同腐蝕直徑下的應(yīng)力分布.從圖中可以看出,腐蝕點附近存在應(yīng)力集中.對于腐蝕直徑為3mm的腐蝕點,最大應(yīng)力出現(xiàn)在凹槽外側(cè);腐蝕直徑為5 mm時,最大應(yīng)力位于錐型凹槽內(nèi)壁;腐蝕直徑為10 mm時,最大應(yīng)力位于錐型凹槽底部.隨著腐蝕直徑的增大,腐蝕點處的最大應(yīng)力依次減小,分別為225.255,201.486,161.229 MPa.遠離腐蝕點部位的應(yīng)力均在100 MPa左右.

        對不同深度、不同直徑的計算結(jié)果進行了匯總,見表1.從表1可以看出,隨著腐蝕直徑的減小以及腐蝕深度的增加,應(yīng)力是隨之增加的,應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯,應(yīng)力增加的幅值最大可達到135.35%.因此可以看出,腐蝕點對應(yīng)力的影響很大,應(yīng)特別引起注意.

        表1 不同腐蝕深度與腐蝕直徑應(yīng)力計算結(jié)果Tab.1 Stress calculation results for different corrosion depths and corrosion diameters

        4 腐蝕處的改進措施

        由第3節(jié)計算結(jié)果可以看出,腐蝕點的存在對應(yīng)力的影響很大,需要及時對局部結(jié)構(gòu)進行加強與改進.采用弦桿的整體替換是最行之有效的方法,但是施工周期長,影響生產(chǎn)作業(yè).如果對腐蝕結(jié)構(gòu)進行局部補焊,由于腐蝕面積較大,容易出現(xiàn)焊后變形現(xiàn)象,且施工工藝復(fù)雜.為此,本文從其腐蝕深度不大的角度考慮,提出對腐蝕的弦桿進行打磨,并與未打磨處按1∶4方式進行坡度過渡的改進措施,如圖7所示.打磨的弦桿長度約為20 000 mm,打磨的深度約3.5 mm.

        由此,對打磨處的弦桿有限元模型進行修改,并施加相同的約束與載荷,其計算結(jié)果如圖8所示.從圖中可以看出,打磨處弦桿應(yīng)力為282.011 MPa,比原值276.817 MPa增加2%,仍在許用應(yīng)力范圍內(nèi),并且對附近的腹桿應(yīng)力沒有影響.由此看出,此改進措施是行之有效的.

        圖7 腐蝕位置打磨處理三維圖Fig.7 Three-dimension diagram of polishing corrosion location

        圖8 弦桿打磨后應(yīng)力分布圖Fig.8 Stress distribution diagram of polished chord

        5 結(jié)語

        通過對腐蝕結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析,可以看出腐蝕點對結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響很大,如不及時采取措施,將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效.針對腐蝕深度不大的結(jié)構(gòu),本文采用沿厚度打磨的措施,通過計算分析對比,打磨后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力雖有所增加,但增加幅值不大,仍滿足許用應(yīng)力要求,表明此種措施是有效的.

        值得提出的是,本文僅對單點腐蝕的應(yīng)力影響進行了分析,而實際結(jié)構(gòu)往往存在多點腐蝕情況,點與點之間的距離很近,必然會對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力產(chǎn)生相互影響.因此,本文的單點腐蝕分析僅是本項工作的基礎(chǔ),后續(xù)將對多點腐蝕情況做進一步深入研究.

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