大型鋼結構疲勞累積損傷無損評估及殘余壽命預測技術北京康坦科技有限公司BeijingConstantTechnology,Inc大型鋼結構循環交變載荷下的疲勞累積損傷1、起重機起重機械是現代工業發展中不可或缺的大型鋼結構，在其使用過程中,承受著循環交變載荷，因疲勞累積損傷而導致關鍵構件功能失效乃至整個起重機械斷裂失效的事故往往是災難性的,而疲勞斷裂因其特點在構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、高壓輸電鐵塔高壓輸電鐵塔具有桿塔高聳、跨度大，結構整體柔度隨桿塔高度的增加而非線性增加，在風雨及導線覆冰等隨機環境交變荷載作用下，鋼結構發生疲勞累積損傷，當疲勞損傷累積到一定程度時，在風雨及導線覆冰等隨機環境下極易發生突然倒塌。3、橋梁結構大型橋梁承重的鋼構件因反復長期承受加載和卸載而產生循環交變應力，將使橋梁承重的鋼構件產生疲勞累積損傷，當疲勞損傷累積到一定程度時，將嚴重威脅橋梁整體結構的安全，從而導致毫無預警的災難性的坍塌。4、海洋平臺作為海洋資源開發的基礎設施，海洋平臺造價高、結構復雜、使用周期長，長期承受著循環交變載荷，因疲勞累積損傷而導致整個海洋平臺倒塌失效的事故往往是災難性的,而疲勞斷裂因其特點在構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。5、船舶結構作為海洋運輸的基礎設施，船舶結構造價高、結構復雜、使用周期長，長期承受著循環交變載荷，因疲勞累積損傷而導致整個船舶結構斷裂失效的事故往往是災難性的,而疲勞斷裂因其特點在構件失效前往往不易被察覺,給船舶結構的安全使用帶來較大的安全隱患。大型鋼結構主要承載結構部件所用材質1、起重機主要承載結構及零部件常用材料（1）起重機承載結構件常用材料采用Q235B、Q235C、Q235D(和平鋼)，沸騰鋼Q235F。管事級別為A7、A8的起重機金屬結構，宜采用平爐和平鋼Q235C或特殊和平鋼Q235D，必要加重結構自重時,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）鋼結構聯接鋼結構聯接方式主要有焊接、螺栓聯接、銷軸聯接等，螺栓聯接主要分普通螺栓聯接和高強螺栓聯接，普通螺栓—般為六角頭螺栓，以碳素鋼Q235~J造。高強螺栓分摩檫型和承壓型，由中碳鋼或合金鋼等經淬火并回火后制成，我國采用的高強螺栓分8．8級和10．9級兩類，8．8級高強螺栓常用材料為經過熱處理的40B、45或35鋼，10．9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。鐵塔用材與發達國家相比，品種少、強度值偏低、可選擇余地小。我國《鋼結構設計規范》中的最高強度等級為420MPa(Q420鋼材)，《架空送電線路桿塔結構設計規定》中的最高強度等級只有390MPa(Q390鋼材)。從各國的設計規范、選材范圍及工程實際應用情況來看，我國的高強鋼使用水平均明顯落后于國外一些發達國家。目前,我國已經有了可以使用的高屈服點鋼材Q390，Q420和Q460。在大負荷桿塔上使用高強鋼可有效地降低塔重指標。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、橋梁結構常用材料橋梁用結構鋼對應標準GB/T714-2000,有4個強度等級：Q235q（C、D級）；Q345q（C、D、E級）；Q370q（C、D、E級）；Q420q（C、D、E級）。

4、海洋平臺結構常用材料對平臺本體結構必須充分考慮結構是否會因水壓產生彎曲變形，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，不建議用調質型高強鋼。

10Cr2MoAlRE、08PVRE、09MnCuPTi、10MnPNbRE、10NiCuAs、10CrMoAl等已通過鑒定，但除了少數用戶因個別工程需要訂貨外，尚未推廣開來，應用少，產量也少，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，尚未涉及大型的固定式和移動式海洋結構物。

5、船舶結構常用材料現代船舶的船體結構制造所用材料主要是一般強度船體結構用鋼、高強度船體結構用鋼、奧氏體不吳鋼和雙相不吳鋼、復合鋼板、Z向鋼、鋁合金、加強塑料等。根據CCS1998年《材料與焊接》規范和2002、2004年規范修改通報要求，所有金屬材料必須從力學性能(強度、吮逶、硬度、蠕變)、工藝性能（彎曲、焊接性）、化學成分、脫氧方法、交貨狀態（熱處理）等方面符合規范要求。

大型鋼結構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構最常見的失效方式，約占工程材料與構件全部失效的80%-90%。1、疲勞破壞過程是材料內部薄弱區域的組織在變動應力作用下，逐漸發生變化和損傷累積、開裂，當裂紋擴展達到一定程度后發生突然斷裂的過程，是一個從局部區域開始的損傷累積，最終引起整體材料斷裂的過程。2、疲勞破壞是循環應力引起的延時斷裂，其斷裂應力水平往往低于材料的抗拉強度，甚至低于其屈服強度。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應力不同而改變。3、應力高，機件壽命短；應力低，壽命長。當應力低于材料的疲勞強度時，壽命可無限長。疲勞破壞的概念14循環變動應力(1)疲勞斷裂表現為低應力下的破壞斷裂：疲勞失效在遠低于材料的靜載極限強度，甚至遠低于材料屈服強度下發生。(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，由交變應力(應變)作用引起的損傷是隨著載荷次數逐次增加的。(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，幾乎總是在構件材料表面的缺陷處發生。(5)疲勞失效受載荷歷程的影響：過載損傷會導致疲勞強度的下降(如下圖所示)疲勞失效的特點

碳鋼拉伸曲線拉伸曲線表示試樣拉伸過程中力和變形關系，可用應力－延伸率曲線表示，縱坐標為應力R，R=F/S0，橫坐標為延伸率ε，ε＝ΔL/L0。拉伸曲線的形狀與材料有關，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，試樣立即回復原狀，即試樣產生的變形為彈性變形。當載荷超過b點以后，試樣會進一步產生變形，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，這種不能恢復的變形稱為塑性變形。

鋼的拉伸應力應變曲線，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。工程應力應變曲線

鋼結構工程應力應變曲線

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延滯效應

過載引起疲勞裂紋擴展延滯效應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應力的作用下連續產生大量的位錯結構，位錯聚集和運動導致微觀損傷累積-----疲勞；循環交變應力下材料微觀結構變化循環載荷作用致使位錯做往復運動使極性相反的位錯形成穩定的配對結構；循環交變應力下材料微觀結構變化

位錯偶極子累積自發形成脈狀結構：a計算機模型；b掃描電鏡；循環交變應力下材料微觀結構變化持續循環加載導致脈狀位錯結構密度增加，導致結構處于一個彈性的不穩定狀態，驅使脈狀位錯結構轉化為持久穩固的滑移帶（PSBs）結構：a計算機模型：PSBs有一個類似階梯狀結構；b掃描電鏡圖片；循環交變應力下材料微觀結構變化循環交變應力下材料微觀結構變化循環交變應力下材料微觀結構變化循環交變應力下材料微觀結構變化位錯點陣脈狀結構，局部穩固的滑移帶（PSBs）結構：循環交變應力下材料微觀結構變化循環交變應力下材料微觀結構變化循環交變應力下材料微觀結構變化循環交變應力下材料微觀結構變化循環交變應力下材料微觀結構變化循環交變應力下材料微觀結構變化循環交變應力下材料微觀結構變化循環交變應力下材料微觀結構變化循環交變應力下材料微觀結構變化循環交變應力下材料微觀結構變化循環交變應力下材料微觀結構變化材料結構敏感性------磁滯特性參數眾多的研究表明：材料微觀結構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構累積損傷的結果------在交變應力環境下材料晶體缺陷-----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構特征，而材料的磁滯特征參數非常敏感于微觀組織結構的變化。

相反，材料的磁滯回線形狀特征參數的變化也反應了材料內部微觀結構特征的變化：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構變化和監測材料機械性能的降級。材料的磁滯行為材料鐵磁磁滯回線不同時期磁疇壁運動微觀結構和機械應力影響磁滯回線形狀材料微觀組織結構對材料磁滯回線特征參數的影響材料所遭受應力對材料磁滯回線特征參數的影響微觀結構和機械應力影響縱向磁致伸縮材料微觀組織結構和機械應力對材料縱向磁致伸縮的影響磁滯特征參數無損評估新技術磁滯回線的不同參數：剩磁Br,矯頑力Hc,飽和磁感應強度Bs,初始微分磁導率μin,最大微分磁導率μmax,磁滯損耗Wh,最大磁感應強度Bm,初始微分非磁滯磁導率μan,蠕變過程中材料微觀結構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當前狀態初始狀態

爐管內部微觀組織損傷累積過程中矯頑力的增長

HcmaxHcmin材料矯頑力與力學性能加載圖表(damagestate)材料磁特性----矯頑力測量標準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評估金屬的疲勞狀態.這種方法極為有效.通過測量當前矯頑力值Hc與初始狀態與斷裂前數值之差額，預測工件的已服役壽命和殘余壽命。

基于缺陷存在的常規無損檢測評估手段僅僅在宏觀缺陷出現之后至失效前是有效的；

在材料服役前至宏觀缺陷出現之前,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-----矯頑力反應；對于大多數低應力疲勞斷裂失效而言，從疲勞缺陷出現至材料斷裂，時間非常短，即雪崩式的斷裂失效，常常不可預測，目前并無一種有效的檢測手段來評估；因此,在材料損傷早期診斷上,矯頑力測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-----矯頑力測量碳鋼在低周疲勞模式中不同循環應力下矯頑力---循環數（壽命）圖表HcmaxHcmin

磁滯參數用于評估材料多種因子引起的失效機理

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械性能參數對比表MA多參數磁性分析設備低碳鋼的磁滯回線特征參數高碳鋼的磁滯回線特征參數同時測量多組磁滯回線特征參數：矯頑力、剩磁、最大微分磁導率、初始微分磁導率、磁滯損耗及松弛參數等多組磁性參數來分析評估材料的機械性能降級。矯頑力測量設備

矯頑力測量設備操作簡單,數據采集僅僅需要8秒鐘:

手持式計算機與矯頑力主機通過無線通訊連接;軟件能立即儲存測量結果并顯示給操作人員:數據圖表彩色分布柱狀圖平均值離散值手持式計算機能夠發送數據至服務器用于分析和儲存數據庫.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ELASTICZONEPLASTICZONEPLASTICZONESteel09Г2Сwall=5mmUpperpartofI-beamLowerpartofI-beamVERICALWALLOFI-beamHccritical起重機械磁性評估技術起重機械磁性評估技術加固件HcCritical–臨界維護水平上部測試下部測試Steel09Г2С(byclass325)Coercivity,HcA/cmStress,?kg/mm2起重機械磁性評估技術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)，國際標準ISO4301)主

I型橫梁

B測試點主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械磁性評估技術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Loadingmodes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Testingpoints起重機械磁性評估技術通過ISO4301國際標準，采用磁滯特性無損評估技術對起重機械鋼結構殘余壽命進行評估。N,cycle安全維護模式可控維護模式臨界維護模式SteelmodemodemodemodeSteelC,shift矯頑力最大值鋼結構壽命循環數鋼結構壽命百分數鋼結構壽命相對循環起重機械磁性評估技術A533B鋼應力應變曲線A533B鋼循環加載疲勞曲線

A533B鋼應變加載疲勞曲線A533B鋼應變加載疲勞曲線A533B鋼應變加載疲勞曲線A533B鋼應變加載疲勞曲線A533B鋼應變加載疲勞曲線A533B鋼應變加載疲勞曲線A533B鋼應變加載疲勞曲線A533B鋼應變加載疲勞曲線A533