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    起重机钢结构材料在极端温度条件下的适应能力.pdf

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    起重机钢结构材料在极端温度条件下的适应能力.pdf

    起重机钢结构材料在极端温度条件下的适应能力 徐洪泽苏冬姜保国陈晋 大连重工起重集团有限公司 大连116013 摘要以起重机钢结构在极端环境温度条件下的材料选择、设备自身生存能力及承载能力的评估、钢结 构材料在高温条件下的蠕变及蠕变极限、钢材在低温环境的脆性断裂及临界脆化温度等问题的分析,论述了起 重机钢结构材料在高温及低温条件下工作所面临的危险。 关键词塑性变形;蠕变;蠕变极限;脆性断裂;临界脆化温度 中图分类号TH218 文献标识码A 文章编号10010785201012002304 AbstractAfter analyzing the problems such as the material selection for the crane steel structure under extreme tern perature conditions,the uation of the equipment viability and loading capability,the creeping and the creeping limit of the steel structure material under high temperature conditions,and the brittle fracture and the critical brittle temperature of the steel under low temperature environment,the paper discusses the hazards facing by the steel structure material of the crane under high and low temperature conditions. Keywordsplastic deation;creeping;creeping limit;brittle fracture;critical brittle temperature 起重机通常的工作温度条件并不涉及极端的 温度条件,本文所述的极端温度条件主要指环境 温度高于100 oC和低于一40℃的极端情况。高于 100%主要是在冶金行业某些特殊场合下,如铸造 起重机的龙门吊具横梁、板钩以及主梁在钢水包 处于上极限位置时,局部温度可达到350℃~450 cC,另外的高温情况可能因偶然因素造成,还有 核电站环形起重机在发生失水事故时,起重机在 突遇火灾等类似状况;低于一40℃是指突遇极端 低温气候条件,而原设计并未考虑这种温度条件, 此时就要研究起重机在极端环境温度下空载时能 否保证自身安全,同时是否具备正常工作或降载 使用的能力,是本文要探讨的课题。 与此课题相关的是研究起重机在突遇极端环 境温度条件下的自身生存能力及承载能力的评估, 生存能力的评估是比较困难的事情,而承载能力 的相关研究工作则更为困难,涉及到采用大量的 工程数据来进行诸多计算工作,工作量和难度也 相对增大。 在极端的温度条件下,起重机钢结构乃至部 分传动零部件的材料选择极其重要。一方面需要 依托大量的不同材料在极端温度条件下的力学性 能实验数据同时也需要大量的资金支持;另一 方面,还要研究材料在极端温度条件下的金相组 起重运输机械 201012 织及其理化性能指标。通过分析和研究材料在高 温状态下承载能力下降的趋势及低温状态下的脆 性断裂危险性变化规律,结合起重机结构的具体 应力大小和应力状态来合理选择合适的结构材料, 是设计阶段必须认真考虑和关注的事情。 当然设备的承载能力与整个设备组成的各个 环节及系统密切相关,不仅结构材料对其有直接 的影响,润滑及密封材料同样面临着相应的问题, 电气系统元器件在极端温度条件下,如何适应以 及能否维持工作也是需要进行研究和探讨,这些 都不是本文要探讨的内容。 1高温条件下钢结构面临的问题 钢结构材料在高温条件下,一方面承载能力 降低,许用应力降低,材料随着温度的变化发生 膨胀,材料的弹性模量也在降低,这些变化能否 保证钢结构在弹性小变形的条件下,直接决定着 计算假定是否成立,计算方法是否科学合理。 钢材在高温环境下的失效形式不同于常温环 境,通常将材料蠕变起始温度视为高温环境,各 国家和行业对此温度界限的规定也不尽相同,我 国高温压力容器行业将350 cc定为高温的温度 界限。 钢结构材料在高温与应力的共同作用下,会 一23 产生永久的塑性变形,随着时间的推移,这种变 形会使结构在低于许用应力的情况下失效,所以, 高温状态结构的失效就显得非常复杂。通常的失 效形式有短期加载造成的韧性断裂、长期加载 造成的蠕变断裂、蠕变疲劳破坏、长期在应力和 蠕变综合作用下造成局部严重变形而使设备不能 正常工作、整体变形过大造成设备不能正常工 作等。 根据德国冶金联合会钢铁材料标准文献SEW 1976年8月版的数据,通常钢材的物理特性见 表1、表2。 根据GB 150--1998钢制压力容器提供的 数据,国内钢材的物理特性见表3、表4。 表1钢的弹性模量动态的与温度变化关系 温度/℃ 20 l O】 200 300 400 500 600 弹性模量/10 Nm/// 2l2 207 2oo 193 l84 175 l64 表2钢的平均线性热膨胀系数 温 度/℃ 1OO 2OO 3oo 4oo 5oo 6oo 与20℃间的平均线性热膨胀系数/10 K 12.5 13.2 13.7 14.2 14.6 14.9 表3钢的弹性模量 温 度/℃ 一20 20 l00 150 2O0 250 300 350 400 450 475 碳素钢c≤0.30% l94 192 l91 l89 186 l83 l79 l73 165 150 l33 弹性模量/10 Nmm。 碳素钢c0.30%、碳锰钢 208 206 203 200 196 190 186 179 170 l58 151 弹性模量/10 Nmm。 表4钢的平均线-陛热膨胀系数 温 度/℃ 一1OO 一50 0 50 l00 150 200 250 与20 qC间的平均线性热 9.89 10.39 10.76 l1.12 11.53 l1.88 12.25 l2.56 膨胀系数/10 K 温 度/℃ 300 350 400 450 500 550 60o 与20℃间的平均线性热 l2.9 l3.24 13.58 l3.93 14.22 14.42 l4.62 膨胀系数/10 K 根据上述数据可以看出,钢的弹性模量随 着温度的升高而降低,而热膨胀系数则随着温 度的升高而增大。可以看出,在200 oC的条件 下,仅仅考虑弹性模量的变化,结构的变形将 增加近10%。因此在高温状态下,钢结构的实 际承载能力要充分考虑这2个参数的共同影响, 研究结构在极端温度条件下的实际变形大小, 判定是否可以近似采用常温状态的设计计算方 一24一 法。然后结合实际应力大小,按钢结构对应材 料在指定温度条件下的许用应力值,评估起重机 的承载能力是否必须进行作业,作业时的载荷状 态如何,来综合分析设备是否满足应急使用的安 全要求。 根据GB 1501998钢制压力容器提供的 部分金属材料在不同高温条件下的力学性能数据, 分析整理见表5~表8。 起重运输机械 201012 表5 Q235B热轧钢板的许用应力 在下列温度℃下的许用应力/MPa 厚度/ram ≤20 1】】 l50 200 250 30o 350 4.5~16 ll3 113 1l3 105 94 86 77 l6~40 1l3 113 1O7 99 91 83 75 表6 Q235C热轧钢板的许用应力 在下列温度℃下的许用应力/MPa 厚度/ram ≤2O 100 150 20o 250 300 350 400 4.5~16 125 125 125 1l6 104 95 86 79 l6~40 125 l25 l19 11O 101 92 83 77 表7 16Mn低合金钢钢管的许用应力 在下列温度cc下的许用应力/MPa 厚度/mm ≤20 1OO 15O 200 250 300 350 400 45O ≤16 163 l63 l63 l59 147 135 126 119 66 l7~40 163 163 163 153 141 129 119 116 66 表8 16Mn低合金钢钢管的 值 在下列温度℃下的 /MPa 厚度/mm ≤20 lO0 15O 200 250 300 350 400 450 ≤l6 320 295 275 255 235 215 200 191 181 17~40 310 285 265 245 225 205 191 186 l76 GB 150--1998钢制压力容器中许用应力 的取值是 h/3、O- /1.6、o-/1.6、 tD/1.5、 / 1.0之间取小值。其中, 为钢材在设计温度下 的屈服点; t 为钢材在设计温度下,经10万小时 断裂的持久强度的平均值; 为钢材在设计温度 下,经10万小时蠕变率为1%的蠕变极限。在常 温状态下,表5中Q235B的许用应力为113 MPa, 而235/1 132.08,370/1 133.27。因此,可知 Q235B在不同温度下的许用应力并不是以屈服强 度 除以1.6或抗拉强度 除以3简单得出的。 同样在常温状态下,表6中Q235c的许用应 力为125 MPa,而235/1251.88,370/113 3.27,同样可知Q235c在不同温度下的许用应力 并不是以屈服强度 除以1.6或抗拉强度 除 以3简单得出的。 16Mn低合金钢钢管常温状态下 490 MPa、 起重运输机械 201012 厚度≤16 mm时o- 320 MPa,厚度l7~40 mm时 o 310 MPa。 从表7和表8对比可以更加清晰地看出, 16Mn低合金钢钢管在高温状态下的许用应力也并 不是采用屈服强度 除以1.6或抗拉强度R 除 以3简单得出的。 因此,压力容器的许用应力取值考虑了高温 状态下的持久强度和蠕变极限,虽然比较复杂, 但作为压力容器的国家标准,所提供的许用应力 值直接用于起重机钢结构上应该说是没有问题的。 但结合起重机钢结构的具体情况,该标准所提供 的许用应力值是否偏于保守,还难以通过更多的 数据来分析和讨论。 根据钢材在对应需要的工作状态或研究材料 在某极端高温条件下的实际应力水平,可以确定 所需规格条件下的材料品种。但是,首先必须获 一25 得在对应状态下的钢材力学性能来确定材料是否 满足承载能力的要求,要研究钢材弹性模量的变 化及热膨胀的共同影响对结构变形产生的作用, 要研究结构是否处于线弹性的小变形范围内,同 时要充分考虑到钢材在短期还是持续一段时间条 件下工作,要考虑钢材在持续高温条件下发生蠕 变,随时间历程能力继续降低的可能性。 综前所述,钢材的强度、屈服限含许用应 力和弹性模量随温度升高而降低,温度越高降 低速率越大。钢材的热膨胀系数及蠕变的增大, 也随温度的升高而变大。可以预料,高温下的钢 结构将以塑性破坏为主,更高的温度环境可能导 致钢结构失去承载能力。 2低温条件下钢结构面临的问题 对于在低温状态下工作的起重机,则要根据 钢材的低温特性和工作需要来分析研究,根据对 应温度时所需钢材的厚度和应力大小、应力状态 甚至加载的速度等因素也要考虑来进行材料的 选择。低温条件下所用钢材的最基本要求是钢材 不应有脆性断裂的倾向,所以钢材的临界脆化温 度则是选用钢材必须考虑的重要指标。 通常情况下,不低于0 oC、一20℃、一40℃ 的温度环境下,起重机钢结构材料的选择可以直 接按需要选用碳素结构钢或合金结构钢,低于一 40℃甚至达到一60℃可以选择船体用结构钢等适 应低温条件的钢种。随着冶金技术的飞速发展, 适应性更强的材料不断出现,材料的低温性能指 标也有了较大程度的提高,但国内钢厂产品品质 参差不齐,应在有技术保证,品质较好的企业选 购对应的钢材。只要选择合理,适应低温环境的 材料选择并不困难。本文所述极端温度条件是指 突遇的特殊气候条件。 材料选择没有问题,并不等于起重机钢结构 就没有问题。这里特别需要提出的是焊接问题, 上接第22页 参考文献 [1]常红梅,杨永平.机电一体化立体停车库的PLC控制 [J].起重运输机械,200785254. [2]杨永平.智能化立体车库研究与设计[J]. 业建筑, 20061. [3]王雪洁.PLC与变频器在巷道堆垛式立体车库控制系 一26~ 许多低温条件下的脆性破坏实例都表明绝大多数 破坏是在焊接区域或临近焊接区域即所谓的热 影响区形成初始裂纹造成的。因为这些区域会 产生较大的残余应力,有的部位因为设计或工艺 等原因造成一定程度的应力集中现象,所有这些 对钢结构在低温条件下的承载能力影响是相当大 的。特别是采用Q390、Q460、Q690乃至Q965强 度级别的高强度钢材时,要对焊接工艺做更为认 真仔细的研究和分析评估,实验室状态下的焊接 工艺评定要充分考虑到钢结构的生产实际环境和 气温,否则带来的后果将是灾难性的。 对于造船门机类型的自重载荷占较高比例的 室外起重设备,尤其要特别考虑在极端温度条件 下的使用问题,比如下大雪的极低温度条件下, 自重载荷和冰雪载荷已经可能达到较高的水平, 此时一方面要及时清除冰雪;另一方面,要谨慎 操作设备,绝不可盲目突然起吊满载负荷。 3 结论 综上所述,钢材选择是起重机结构设计的重 要问题。工作在极端温度条件下的起重设备的钢 材选择要慎之又慎,因为正确合理的钢材选用, 是设备正常工作的基本保证。在数据积累的基础 上,不断总结和完善钢材选用的数据库平台建设, 是实现合理、经济、正确选择钢材的基础。在突 遇极端温度条件下,要认真分析温度因素造成的 影响,只有在做出全面的分析评估之后,才可以 在确保安全的前提下完成操作。 参考文献 [1]GB 150--1998钢制压力容器[S] 作 者徐洪泽 地 址大连市西岗区八一路169号 邮 编116013 收稿日期20100617 统中的应用[J].起重运输机械,20052. [4]杨小莉.基于PLC的立体车库控制系统设计[J].电 工技术,20075. 作者地址广西柳州市东环路268号广西工学院机械系 邮 编545006 收稿日期20100806 起重运输机械 201012

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