低温环境对钢结构的影响

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1、低温环境对钢结构的影响严旭东1唐辉21中船第九设计研究院工程有限公司上海2000632上海外高桥造船有限公司上海200137摘要：低温环境下冰冻鼓胀和冷脆开裂是起重设备等钢结构的常见而易被忽视的破坏。文中通过实际案例和实验•分析了故障发生的原因和机理•提出在设计中应重视材料的选用•以及在制造过程中采取的工艺措施，保证了设备的本质安全。尖键词：钢结构；冰冻鼓胀；冷脆幵裂；韧脆转变温度；工艺措施中图分类号：TG457.1文献标识码：A文章编号：1001-0785(2014)11-0111-04Abstract:Frozendrumdeformationandcoldcrackin

2、gisthecommondamageseasytobeneglectedinhoistingequipmentandothersteelstructureunderlow-temperatureenvironment.Throughactualpracticesandexperiment・thepaperana・lyzesfaultreasonandmechanism•putsforwardthenecessityofattachingimportaneetomaterialindesign・andtheprocessingmeasurestobetakendurjngp

3、roduction•inordertoguaranteeequipmentsafety.Keywords:steelstructure;frozendrumdeformation;coldcracking;tenacityandbrittlenessconversiontemperature;processmeasures近年来・在北方的港口、船厂•起重机钢结构经常被发现结构的翼缘板的鼓胀和开裂现象・直接影响到正常生产。通过分析•该类事件存在着大多发生在北方中高纬度地区、基本在开春以后的例行检查时被发现、钢结构部位往往在臂架下较点或对重平衡梁下餃点等箱形结构处的特点。以北方某

4、船厂的臂架下餃点故障为例，在例行检查中・发现臂架下餃点翼缘板出现鼓胀现象，位置如图1所示•图中位置1、6变形最大-最大变形达15mm。形状为中间凸•向两侧逐渐平缓。图1变形位置《起重运输机械》2014(11)1原因分析臂架下餃点的载荷由狡轴承载。该餃点箱形梁的外包翼缘板部位没有外载荷。经有限元仿真计算•按照该区隔翼缘板与腹板连续角焊缝，放射筋与翼缘板采用塞焊连结。翼缘板产生15mm的鼓胀变形•压强需达到100MPa，该区域压力已远远超出该処焊缝所能承受的载荷。通过对该处钢套和较点轴承检查，并未发现异常。夏季时・在凸起部位附近开裂出现渗水-通过钻孔放出大最积水，初步判断该现象是

5、因结构内积水-冬季结冰冻造成鼓胀。为了证明这一判断-按照与实物1二2的比例，做了一个臂架下狡点的实物模型•灌水后模拟现场室外环境温度(・10°C~・15°C)冷冻于室内。先后做了2次实验。第一次・按照臂架晚间不工作状态的角度放置•如图2所示。冷冻约20h后发现水已经结冰•并在靠近出水口的部位发生了鼓胀变形。第二次•按图3所示调整摆放角度后，将水灌满整个模型结构，观察变形情况。经放置约50h后，最大变形为6mmo由此可知•从形状和尺寸基本可以推断出翼缘板变形的成因，即由于结构内积水・流入餃点结构箱体内・而出入口较-111-图2第一次实验的置放位置小・一旦出入口处先结冰•就成为封

6、闭的压力容器•钢套在该结构中是一个绝对的刚体•放射筋成喇叭状布置-向轴心聚拢-筋板靠得越近-则承载外力的能力就越大。因此•冰只能向箱体中框对薄弱的翼缘板寻求突破•而喇叭口越大，翼缘板就越薄弱-也就最易变性。需要说明的是*这个实验室在短时间内进行的•现场是多次反复冷冻-温度也由高到低逐步变化。新变形点原变图3第二次实验置放的位置及变形部位2结冰膨胀对钢结构影响的机理水之所以能冷账热缩是因为当环境温度降低-对外热传递而使水的分子运动减弱，最后结成冰。由于冰的分子空间比水的大・故其体积比水的大。在通常情况下•冰在0~・4°C区间内的体积隨温度的下降而膨胀。水分子在冻结过程中只要热传

7、递过程不断・其运动就会不断地减弱。因此，即使装水的压力容器空间有限・水不能得到通常成为冰的体积・也不能阻止水分子运动的减弱・而成为冰。结冰前压力容器对水没有额外的压力，也不会影响水的冰点。之后环境温度微小下降・水开-112-始结冰-此时产生膨胀压（亦即结冰才会产生压力）・刚性结构的坚固程度足以抵抗水结冰产生*膨胀压力而不发生非弹性形变•即可测量这个压力。冰的理论体积与实际容积提供的体积的差僵决定着冰分子被压缩的多少・也决定着分子力能多少。压力还与结冰的速度有尖。破坏总是在最薄弱的环节发生-冰往各个方向膨