在役条件对门座起重机用钢力学性能退化的影响外文翻译资料

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第六届“材料断裂力学与结构完整性”国际会议

在役条件对门座起重机用钢力学性能退化的影响

Oleksiy Nemchuk, Myroslava Hredil, Vitaliy Pustovoy, Oleksandr Nesterov

摘要：钢结构的长期使用会导致金属的初始力学性能恶化，从而降低其工作性能。海洋门座式起重机在高强度循环荷载下运行，导致钢材塑性耗尽。因此，这些结构经历了本质的退化，首先表现出其自身的脆性断裂强度降低。从轧钢可能造成的损失出发，对有33年运行时长的起重机的部分机组进行了初步的力学性能和腐蚀性能研究。用应变计法测量实际起重机不同部件的工作应力水平，在一些地方有高达三倍的变化。在评定的服役应力水平和查比试验确定的冲击强度下降之间建立了很强的相关性。这表明操作应力因子在降低操作金属的脆性断裂抗力中起着关键作用。对相互垂直方向试样的试验结果进行比较，证实了已知的规律：横向试样相对于轧制方向的冲击强度低于纵向试样的冲击强度。这一差异随着金属降解的累积和操作应力的增加而变得更加明显。结果表明，随着轧制板厚的减小，金属沿轧制方向的在役劣化程度增加。这是由海洋大气的侵蚀作用所解释的，它不仅引起海洋结构物的腐蚀，而且还作为钢氢化的一个因素，以及金属中微损伤的发展促进了纤维结构钢的分层。极化电阻被定义为对在用材料降解最敏感的电化学参数。力学性能与电化学性能之间存在明显的相关性：抗脆断性能较低的金属具有较低的极化电阻。该关系式可用于门座起重机在长期使用过程中金属状态的无损检测。

1.引言

根据Gredil (2008), Kharchenko等人 (2014), Meshkov等人 (2015)以及学生们 (2018) 的研究，钢结构的长期使用会导致金属的初始机械性能恶化，从而降低其工作性能。海洋门座式起重机在高强度循环荷载下运行，导致钢材塑性耗尽 (Pustovoi 和 Reshchenko (2013), Nemchuk (2018)). 因此，这些结构受到相当大的退化，首先表现为脆性断裂抗力的降低。然而，在考虑海港设施钢的操作退化因素时，不仅应考虑机械荷载。通常，由于碳钢和低合金钢的腐蚀防护不足，仅从其高腐蚀速率的角度考虑，海洋大气才被认为是一种侵蚀性环境。但也有作者（Kushida (2003) 及 Tsuru等人(2005) 认为，大气腐蚀是导致钢氢脆的主要原因，不仅导致疲劳裂纹的扩展，而且还促进了与金属抗脆性断裂相关的机械性能的强化操作退化。这关注的是在操作应力和氢的共同作用下，纳米级和微观级的耗散损伤的发展。

根据Teliovich等人(2008) 与 Dolzhenko等人(2018)的研究，座起重机的主要部件由轧制钢板制成，在一定条件下容易发生分层。Nykyforchyn等人(2017)与Zvirko等人(2018) 还发现，由轧制钢制成的长期运行的管线钢存在明显的宏观分层。这种现象一方面与钢的力学性能在操作上的退化有关，另一方面与管壁的氢化有关(Zvirko等人, 2017)。如果允许大气腐蚀的加氢能力，那么对于门座式起重机的钢板，它也可以表现为沿轧制方向纤维之间的层压。Teliovich等人（2008）指出，轧制钢的抗裂性作为抗脆断性的参数之一，不仅对钢的氢化反应敏感，而且对轧制金属的织构也敏感。

最近，Pustovoi等人(2015), Zvirko (2017)及Nykyforchyn等人 (2018) 将电化学方法应用于评估结构钢的操作降解，因为在其操作过程中，某些电化学参数对金属状态的变化非常敏感。该方法或许还可用于门座式起重机钢的运行退化诊断

本文从机械、电化学和材料科学的综合方法出发，对多台门座式起重机长期使用后的金属状态进行了分析。

2.实验对象，材料及方法

调查对象为有着33年操作时长的门座式起重机，由“Kranbau Eberswalde”制造的“Sokol”。起重机的几个特征单元（图1a）由不同厚度的轧制钢板t制成，即：起重臂下架（t=16mm）、起重臂后架（12mm）、活动对重上架（10mm）、立柱右侧、支架区域（10mm），机器甲板上方立柱的背面（25 mm）。在每个特征单元上选择两个不同的碎片，最后得到10种不同操作应力水平的金属样品。对于被测金属碎片，在起重机接近操作应力的载荷下，测量（确定）轧制钢板表面的应力范围。应注意的是，参数仅反映起重机荷载引起的应力状态变化，而不考虑由于某些装置重量引起的应力。因此，这些数据并不能表明起重机不同结构元件的显著载荷不均匀性。然而，当考虑操作退化现象时，参数是塑性耗竭的一个重要因素。除此此外，还考虑到了Polishchuk等人(2015) 所进行的长期循环载荷作用下轧制钢板力学性能的研究。然而，Zvirko等人(2018) 的实验表明，来自循环压缩区的金属与来自应变区的金属的裂纹扩展阻力几乎相同。因此，在起重机的结构元件中区分应变区是没有意义的。

从所选的门式起重机部件上切下试样，以评估机械性能，并进行微观结构和电化学研究。这些结果使我们能够匹配不同起重机单元的特性及其工作应力水平。

试验材料为低碳铁素体珠光体钢St-38b-2(0.17C, 0.25Si, 0.50Mn, 0.035P, 0.035S)

试验测定钢板表面应力范围的方法如下。对于测试单元的某一（最可用）部分，使用应变计法。应变片固定在钢板垂直面上，角度为0；45°90°到选定轴，形成一组应变计（图1）。变形张量的主轴方向是否已知是非常重要的。根据起重机的不同载荷条件，获得了仪表数据，包括最大允许水平。应指出的是，并非绝对应力值是重要的，而是它们的比较对于不同的起重机单元来说是重要的，因为这种差异与使用荷载水平无关。然后，利用von-Mises准则，计算等效应力作为钢表面应力状态估计的行列式。根据Nemchuk等人的描述，确定了针对所有测试的起重机单元的应力范围

通过对工作直径为5mm的圆柱体试样沿轧制方向进行SSRT分析，获得了该钢的屈服应力、极限应力，断裂伸长率delta;和断面收缩率RA等标准力学性能。冲击韧性由夏比试验测定；试样在两个相互垂直的方向上切割，即相对于轧制方向的纵向和横向。

用线性极化法估算了试验钢的腐蚀活性。在腐蚀电位plusmn;30mv范围内，得到了坐标电位V-极化电流密度I的极化曲线。根据Stern（1958）给出的曲线，计算出极化电阻Rp值，作为腐蚀电位点曲线的切线斜率。极化电阻与腐蚀速率成反比。电化学测量在水溶液中进行，pH值为3。

图1 固定在立柱右侧的应变计图示

3.实验结果与结论

起重机不同部件在最大工作载荷下的试验评估和应力范围的计算结果见表1。计算结果与实验数据吻合较好。这使得在役载荷对材料退化影响的进一步分析可以基于计算值

表1 起重机不同部件的值

图2 测试钢碎片的位置

图2显示了起重机上所有测试钢碎片的位置。图2显示了起重机上所有测试钢碎片的位置。值最高的碎片用红色表示，而低的碎片用绿色表示。值得注意的是，我们只考虑循环应力的范围，它是钢塑性耗尽和脆性断裂抗力降低的重要因素。同一加载方案下，从45兆帕变化到145兆帕，表明不同起重机单元的操作应力存在本质差异，并且分别会导致不同程度的操作退化，即起重机不同部位的钢的机械性能不同。

SSRT检测结果见表2。没有迹象表明强度和塑性参数对水平敏感

表2 几种起重机的强度和塑性参数

起

对冲击韧性评价进行了综合研究（表3）。纵向试样的KCV值在150-363j/cm~2范围内较高，而横向试样的KCV值在45-137j/cm~2范围内较低。一方面，这些结果说明了纵向试样抗脆性断裂的一般规律，因为在这种情况下，断裂面与轧制形成的材料织构相交。另一方面，Krechkovsrsquo;ka和动力工程耐热钢专业的学生，以及Zvirko等人对主要管道的管钢的研究表明，如果断裂面与轧制方向平行，其长期运行会导致其脆性断裂力的严重退化。这可以解释为轧制织构纤维之间的分层敏感性增强。当金属在粗加工过程中进行氢化处理时，这种规律变得更为明显，因为轧制过程延长的夹杂物边界处的钢缺陷中的氢复合被认为是基体和夹杂物之间粘结干扰的一个原因。

表3 不同起重机部件的钢材KCV值，J/cm~2

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