大型鋼結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷無(wú)損評(píng)估及殘余壽命預(yù)測(cè)技術(shù)-最終版

大型鋼結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷無(wú)損評(píng)估及殘余壽命預(yù)測(cè)技術(shù)北京康坦科技有限公司BeijingConstantTechnology,Inc大型鋼結(jié)構(gòu)循環(huán)交變載荷下的疲勞累積損傷1、起重機(jī)起重機(jī)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(guò)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(gè)起重機(jī)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(diǎn)在構(gòu)件失效前往往不易被察覺(jué),給起重機(jī)械的安全使用帶來(lái)較大的安全隱患。2、高壓輸電鐵塔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(jī)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(shí)，在風(fēng)雨及導(dǎo)線覆冰等隨機(jī)環(huán)境下極易發(fā)生突然倒塌。3、橋梁結(jié)構(gòu)大型橋梁承重的鋼構(gòu)件因反復(fù)長(zhǎng)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(shí)，將嚴(yán)重威脅橋梁整體結(jié)構(gòu)的安全，從而導(dǎo)致毫無(wú)預(yù)警的災(zāi)難性的坍塌。4、海洋平臺(tái)作為海洋資源開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)設(shè)施，海洋平臺(tái)造價(jià)高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用周期長(zhǎng)，長(zhǎng)期承受著循環(huán)交變載荷，因疲勞累積損傷而導(dǎo)致整個(gè)海洋平臺(tái)倒塌失效的事故往往是災(zāi)難性的,而疲勞斷裂因其特點(diǎn)在構(gòu)件失效前往往不易被察覺(jué),給海洋平臺(tái)的安全使用帶來(lái)較大的安全隱患。5、船舶結(jié)構(gòu)作為海洋運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)設(shè)施，船舶結(jié)構(gòu)造價(jià)高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用周期長(zhǎng)，長(zhǎng)期承受著循環(huán)交變載荷，因疲勞累積損傷而導(dǎo)致整個(gè)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(diǎn)在構(gòu)件失效前往往不易被察覺(jué),給船舶結(jié)構(gòu)的安全使用帶來(lái)較大的安全隱患。大型鋼結(jié)構(gòu)主要承載結(jié)構(gòu)部件所用材質(zhì)1、起重機(jī)主要承載結(jié)構(gòu)及零部件常用材料（1）起重機(jī)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(jí)別為A7、A8的起重機(jī)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(shí),可采用16Mn或15Mn可。（2）起重機(jī)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。（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(qiáng)螺栓聯(lián)接，普通螺栓—般為六角頭螺栓，以碳素鋼Q235~J造。高強(qiáng)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(guó)采用的高強(qiáng)螺栓分8．8級(jí)和10．9級(jí)兩類，8．8級(jí)高強(qiáng)螺栓常用材料為經(jīng)過(guò)熱處理的40B、45或35鋼，10．9級(jí)高強(qiáng)螺栓常用材料是20MntiB和35VB鋼。2、輸電線路鐵塔常用材料我國(guó)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(guó)家相比，品種少、強(qiáng)度值偏低、可選擇余地小。我國(guó)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的最高強(qiáng)度等級(jí)為420MPa(Q420鋼材)，《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定》中的最高強(qiáng)度等級(jí)只有390MPa(Q390鋼材)。從各國(guó)的設(shè)計(jì)規(guī)范、選材范圍及工程實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，我國(guó)的高強(qiáng)鋼使用水平均明顯落后于國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家。目前,我國(guó)已經(jīng)有了可以使用的高屈服點(diǎn)鋼材Q390，Q420和Q460。在大負(fù)荷桿塔上使用高強(qiáng)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(jí)的直流輸電線路，采用高強(qiáng)鋼對(duì)有效降低工程造價(jià)，提高我國(guó)輸電線路科技水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)GB/T714-2000,有4個(gè)強(qiáng)度等級(jí)：Q235q（C、D級(jí)）；Q345q（C、D、E級(jí)）；Q370q（C、D、E級(jí)）；Q420q（C、D、E級(jí)）。

4、海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)常用材料對(duì)平臺(tái)本體結(jié)構(gòu)必須充分考慮結(jié)構(gòu)是否會(huì)因水壓產(chǎn)生彎曲變形，并且在施工時(shí)使用冷熱加工及焊接接頭必須滿足疲勞強(qiáng)度，通常采用抗拉強(qiáng)度為500MPa級(jí)的正火型高強(qiáng)鋼，鋼板厚度通常不大于130mm，不建議用調(diào)質(zhì)型高強(qiáng)鋼。

10Cr2MoAlRE、08PVRE、09MnCuPTi、10MnPNbRE、10NiCuAs、10CrMoAl等已通過(guò)鑒定，但除了少數(shù)用戶因個(gè)別工程需要訂貨外，尚未推廣開(kāi)來(lái)，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(mén)等方面，尚未涉及大型的固定式和移動(dòng)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(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼、高強(qiáng)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(qiáng)塑料等。根據(jù)CCS1998年《材料與焊接》規(guī)范和2002、2004年規(guī)范修改通報(bào)要求，所有金屬材料必須從力學(xué)性能(強(qiáng)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(jiàn)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(guò)程是材料內(nèi)部薄弱區(qū)域的組織在變動(dòng)應(yīng)力作用下，逐漸發(fā)生變化和損傷累積、開(kāi)裂，當(dāng)裂紋擴(kuò)展達(dá)到一定程度后發(fā)生突然斷裂的過(guò)程，是一個(gè)從局部區(qū)域開(kāi)始的損傷累積，最終引起整體材料斷裂的過(guò)程。2、疲勞破壞是循環(huán)應(yīng)力引起的延時(shí)斷裂，其斷裂應(yīng)力水平往往低于材料的抗拉強(qiáng)度，甚至低于其屈服強(qiáng)度。機(jī)件疲勞失效前的工作時(shí)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(jī)件壽命短；應(yīng)力低，壽命長(zhǎng)。當(dāng)應(yīng)力低于材料的疲勞強(qiáng)度時(shí)，壽命可無(wú)限長(zhǎng)。疲勞破壞的概念14循環(huán)變動(dòng)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(qiáng)度，甚至遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度下發(fā)生。(2)疲勞破壞宏觀上無(wú)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(xiǎn)性。(3)疲勞失效過(guò)程是一種與時(shí)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(guò)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(duì)材料的微觀組織累積損傷更加敏感，這是因?yàn)槠谟袠O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(guò)載損傷會(huì)導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度的下降(如下圖所示)疲勞失效的特點(diǎn)

碳鋼拉伸曲線拉伸曲線表示試樣拉伸過(guò)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)為延伸率ε，ε＝ΔL/L0。拉伸曲線的形狀與材料有關(guān)，由圖可見(jiàn)，在載荷小的oa階段，試樣在載荷F的作用下均勻伸長(zhǎng)，伸長(zhǎng)量與載荷的增加成正比。如果此時(shí)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(guò)b點(diǎn)以后，試樣會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生變形，此時(shí)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(lái)，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(diǎn)卸載再重新加載，其抗拉強(qiáng)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

鋼結(jié)構(gòu)工程應(yīng)力應(yīng)變曲線

一定的過(guò)載也可能延緩疲勞裂紋的擴(kuò)展，延長(zhǎng)疲勞壽命，如圖所示。過(guò)載引起疲勞裂紋擴(kuò)展延滯效應(yīng)

過(guò)載引起疲勞裂紋擴(kuò)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(gè)階段材料在機(jī)械循環(huán)應(yīng)力的作用下連續(xù)產(chǎn)生大量的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，位錯(cuò)聚集和運(yùn)動(dòng)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)載荷作用致使位錯(cuò)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)使極性相反的位錯(cuò)形成穩(wěn)定的配對(duì)結(jié)構(gòu)；循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化

位錯(cuò)偶極子累積自發(fā)形成脈狀結(jié)構(gòu)：a計(jì)算機(jī)模型；b掃描電鏡；循環(huán)交變應(yīng)力下材料微觀結(jié)構(gòu)變化持續(xù)循環(huán)加載導(dǎo)致脈狀位錯(cuò)結(jié)構(gòu)密度增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)處于一個(gè)彈性的不穩(wěn)定狀態(tài)，驅(qū)使脈狀位錯(cuò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為持久穩(wěn)固的滑移帶（PSBs）結(jié)構(gòu)：a計(jì)算機(jī)模型：PSBs有一個(gè)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)變化位錯(cuò)點(diǎn)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(jī)械性能；材料機(jī)械性能惡化是由于材料微觀結(jié)構(gòu)累積損傷的結(jié)果------在交變應(yīng)力環(huán)境下材料晶體缺陷-----位錯(cuò)、空穴等聚集、運(yùn)動(dòng)造成的微觀損傷累積而成的；材料機(jī)械性能降級(jí)過(guò)程也同時(shí)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(guò)刻畫(huà)和評(píng)估材料的磁滯行為，以一種無(wú)損的方式，來(lái)識(shí)別材料的微觀結(jié)構(gòu)變化和監(jiān)測(cè)材料機(jī)械性能的降級(jí)。材料的磁滯行為材料鐵磁磁滯回線不同時(shí)期磁疇壁運(yùn)動(dòng)微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械應(yīng)力影響磁滯回線形狀材料微觀組織結(jié)構(gòu)對(duì)材料磁滯回線特征參數(shù)的影響材料所遭受應(yīng)力對(duì)材料磁滯回線特征參數(shù)的影響微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械應(yīng)力影響縱向磁致伸縮材料微觀組織結(jié)構(gòu)和機(jī)械應(yīng)力對(duì)材料縱向磁致伸縮的影響磁滯特征參數(shù)無(wú)損評(píng)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(qiáng)度Bs,初始微分磁導(dǎo)率μin,最大微分磁導(dǎo)率μmax,磁滯損耗Wh,最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm,初始微分非磁滯磁導(dǎo)率μan,蠕變過(guò)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(lái)反映材料破損前的狀態(tài)當(dāng)前狀態(tài)初始狀態(tài)

爐管內(nèi)部微觀組織損傷累積過(guò)程中矯頑力的增長(zhǎng)

HcmaxHcmin材料矯頑力與力學(xué)性能加載圖表(damagestate)材料磁特性----矯頑力測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)加載圖表操作載荷下矯頑力值從初始值Нс0

到最終斷裂值Нсв,將增大2-3倍;Нсв

(2-4)

Нс0

這樣2-4倍的增量允許采用矯頑力來(lái)評(píng)估金屬的疲勞狀態(tài).這種方法極為有效.通過(guò)測(cè)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(cè)工件的已服役壽命和殘余壽命。

基于缺陷存在的常規(guī)無(wú)損檢測(cè)評(píng)估手段僅僅在宏觀缺陷出現(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,材料的疲勞是以微觀損傷的形式累積的，通過(guò)材料的磁性參數(shù)-----矯頑力反應(yīng)；對(duì)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)至材料斷裂，時(shí)間非常短，即雪崩式的斷裂失效，常常不可預(yù)測(cè)，目前并無(wú)一種有效的檢測(cè)手段來(lái)評(píng)估；因此,在材料損傷早期診斷上,矯頑力測(cè)量可作為一種材料損傷診斷評(píng)估首選的手段。材料損傷首選的無(wú)損評(píng)估技術(shù)-----矯頑力測(cè)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HcmaxHcmin

磁滯參數(shù)用于評(píng)估材料多種因子引起的失效機(jī)理

HcmaxHcminABC(damage)SteeltypeMechanicalpropertiesMagneticproperties,НсA/смВМПа0.2МПа,%Нс0НсТНсВНсуст.Ст3350210221,75,06,05,8МСт3310220262,05,06,06,0ВСт3кп400235242,45,56,56,5ВСт3сп5410245262,85,57,06,809Г2С470325213,07,59,59,509Г2С-12500350213,58,510,510,010ХСНД540400194,011,012,512,0Ст20420230243,88,012,011,5

17Г1С520350234,010,014,014,05-20毫米鋼板的磁性和機(jī)械性能參數(shù)對(duì)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(shí)測(cè)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(lái)分析評(píng)估材料的機(jī)械性能降級(jí)。矯頑力測(cè)量設(shè)備

矯頑力測(cè)量設(shè)備操作簡(jiǎn)單,數(shù)據(jù)采集僅僅需要8秒鐘:

手持式計(jì)算機(jī)與矯頑力主機(jī)通過(guò)無(wú)線通訊連接;軟件能立即儲(chǔ)存測(cè)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(jì)算機(jī)能夠發(fā)送數(shù)據(jù)至服務(wù)器用于分析和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)庫(kù).塑性鉸形成的分級(jí)模式通過(guò)矯頑力測(cè)量來(lái)識(shí)別I型主梁的塑性鉸形成ELASTICZONEPLASTICZONEPLASTICZONESteel09Г2Сwall=5mmUpperpartofI-beamLowerpartofI-beamVERICALWALLOFI-beamHccritical起重機(jī)械磁性評(píng)估技術(shù)起重機(jī)械磁性評(píng)估技術(shù)加固件HcCritical–臨界維護(hù)水平上部測(cè)試下部測(cè)試Steel09Г2С(byclass325)Coercivity,HcA/cmStress,?kg/mm2起重機(jī)械磁性評(píng)估技術(shù)兩個(gè)相似橋式吊車(chē)的主I型橫梁磁性無(wú)損評(píng)估

(10

噸,

19m長(zhǎng),20年服役，輕模式(Q1)和重模式(Q3)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO4301)主

I型橫梁

B測(cè)試點(diǎn)主I型橫梁

AMainI-beamAlengthMainI-beamA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(jī)械磁性評(píng)估技術(shù)用于滑道式起重機(jī)磁性無(wú)損評(píng)估測(cè)試點(diǎn)縱向方向橫向方向Loadingmodes加載模式無(wú)起重機(jī)I-橫梁重量加載起重機(jī)i在中間位置加載貨物Testingpoints起重機(jī)械磁性評(píng)估技術(shù)通過(guò)ISO4301國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，采用磁滯特性無(wú)損評(píng)估技術(shù)對(duì)起重機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)殘余壽命進(jìn)行評(píng)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(duì)循環(huán)起重機(jī)械磁性評(píng)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鋼應(yīng)變加載疲勞曲線A533