摘要：结合实际检测轮胎式集装箱门式起重机过程中发现的典型案例，对可能导致钢结构重要承载部位严重开裂的原因作了多方面的深层次分析，简要说明一种裂纹修复方案的施工过程和注意事项，以及修复加强后使用管理、检测跟踪情况，供设计、制造、使用、改造及检验等单位参考。
关键词：轮胎式集装箱门式起重机；钢结构裂纹；原因分析；修复施工
轮胎式集装箱门式起重机是集装箱专用码头堆场作业使用的主要设备，具有高效率低成本装卸、转运、堆放集装箱的功能，采用轮胎触地无轨道运行，以一组柴油机发电，再由电动机驱动操作吊运。该类型起重机具有 堆五过六 装卸集装箱的能力，电气控制主要采用交流变频调速技术、全数字PLC技术和CMS起重机管理系统。
1. 钢结构裂纹情况
2003年11月，深圳某公司从香港某集装箱码头有限公司购买了2台由日本某菱株式会社1988年制造的轮胎式集装箱门式起重机。经深圳市特种设备安全检验研究院检测发现：这2台起重机钢结构重要构件（主梁）母材分别出现多处裂纹，大量雨水通过主梁裂纹渗入箱体结构内，裂纹大都被油污局部遮盖。
经着色渗透探伤证实：CG2号轮胎式集装箱门式起重机右侧主梁存在5处裂纹，左侧主梁存在4处裂纹；右侧主梁上翼缘板完全断裂且错位达2 mm，同截面处内侧腹板靠上3/4高度开裂，外侧腹板靠上局部开裂，截面断裂累计已接近50%。CG1号轮胎式集装箱门式起重机裂纹情况与CG2号基本类似。
2. 钢结构裂纹原因分析
目前，该类型起重机大都运用能充分利用材料各项性能，减轻自重，提高产品性能的有限疲劳寿命设计方法。其钢结构设计工作级别一般为A6、A7，理论设计使用寿命为20年（高周疲劳寿命主要指钢结构危害性裂纹萌生寿命）。该轮胎式集装箱门式起重机的实际高周疲劳寿命为15年甚至更短，依据裂纹主要集中分布在主梁上翼缘内侧和内侧腹板上部（小车驱动齿条固定区域附近）的分布特征及其他情况，得出多个产生裂纹的原因。
2.1 齿条与主梁之间的间断连接焊缝的缺陆
因小车驱动齿条与主梁的材质不一致，在进行齿条与主梁上翼缘板之间焊接连接时，部分焊接部位的焊前预热和焊后保温工艺在现场控制不稳定及不规范的起弧、落弧操作都能引起焊接部位局部应力过度集中，成为 疲劳源 ，经长期使用后即连接焊缝在低于焊缝和母材屈服极限的交变应力反复作用下，首先在应力集中部位萌生疲劳微裂纹，并在一定条件下继续扩展，这些部位首先出现小裂纹。
2.2 齿条与主梁上翼缘固定连接方式的缺陷
采用将小车驱动齿条直接焊接到主梁上翼缘上的技术工艺，焊接固定的齿条相对阻碍了该位置的变形，导致主梁在实际承载时所产生的弹性变形在齿条焊接部位得不到充分满足，从而容易在齿条与主梁上翼缘板焊接处裂开，尤其是分段齿条未焊接连接的接头处。
2.3 齿轮与齿条严重磨损的缺陷
由于齿轮与齿条的严重磨损，导致起动、制动运行过程中产生较大冲击，结构相关部位附加应力显著增加，加剧了疲劳破坏。
2.4 检修工作的失误
这些部位刚出现小裂纹时，未得到及时发现和修复，裂纹不断扩展，致使到了目前的危险地步。
2.5 设计系统的数学建模和实际情况间存在差异
带较长外伸悬臂的该类型起重机在大裂纹开裂位置处存在较大的应力幅，在设计时没有予以特别加强，导致理论与实际仍存在差异。
3. 钢结构裂纹修复施工
3.1 施工准备
（1）将起重机移至修理作业地点固定并作防风锚固，设置作业范围安全警示标识；
（2）将小车移至裂纹少、修复工作量较少的端部固定，吊具放置地面，起升钢丝绳处于自由悬挂状态；
（3）搭设维修施工作业平台，保证牢靠并覆盖所有作业范围。
3.2 修复施工
（1）测量门架主梁、小车驱动齿条和小车轨道在修复前的有关参数，采样分析齿条和箱梁的材质，确定选用的材料和焊接工艺；
（2）在箱梁翼缘板和腹板各焊接2000 mm 18 mm的工艺加强筋和钢结构架，防止修理过程中主梁的变形和意外断裂；
（3）用机械方法冷拆除维修区段的齿条；
（4）拆除维修区段前后各4 m左右的小车轨道压板，将小车轨道吊起悬空约350 mm，并可靠支承住；
（5）清理需维修部位及附近的油漆、油污、铁锈和杂物；
（6）用着色渗透方法检测裂纹的长度和位置；
（7）在裂纹的两端头钻直径8 mm内径圆滑的止裂孔，防止裂纹继续扩展；
（8）根据需要，可以在裂缝附近位置的腹板上开直径500 mm工艺孔，磨光孔口四周；
（9）右侧主梁大裂纹上翼缘板整体挖割、更换母材，其他小裂纹用机械的方法将裂纹磨成V型坡口，露出金属光泽，表面达ST3级，重新施焊磨平；
（10）焊接前对焊接部位进行200℃预热，焊后用石棉布包扎进行300℃保温0.5 h以上；焊接完成4 h以后，对焊缝进行超声波探伤；
（11）确认裂纹处焊缝合格后，另在裂纹处增加与上翼缘板或腹板等厚度的钢板加强；
（12）将检修工艺孔按要求加垫板补强后，焊接密封，并对四周焊缝进行着色渗透探伤；
（13）确认修理、焊缝达到要求后，对相关部位进行打磨、喷砂、喷涂油漆，油漆为底漆1道、面漆2道，检查油漆表面质量、漆膜厚度、附着力和颜色并作记录保存。由于是旧机修理，只要求后补的颜色与原来颜色接近就可以了；
（14）拆除上翼缘的工艺加强筋板、钢结构架和检修平台，腹板工艺加强筋板可以保留；
（15）将拆除的齿条安装到位，确保齿条的间距、直线度和横向同截面高低差符合要求，并用合适的焊条对齿条支承位置进行焊接，焊接前对焊材进行烘干，对齿条进行预热200℃，焊后用石棉布包扎齿条进行300℃保温0.5 h以上;
（16）将小车轨道轻轻放下，调整小车轨道中心线与上翼缘板安放小车轨道定位线的偏差、小车轨道距离偏差、小车轨道侧向直线度和横向同截面高低差等参数，确认符合要求后，用力矩扳手按要求紧固小车轨道压板螺栓；
（17）将小车固定物拆除，升起吊具；
（18）小车先慢速运行多次确认无异响后，再快速运行多次还是无异响后即可；
（19）测量主梁跨度中部的上拱度、主梁水平方向弯曲、主梁腹板局部平面度、上翼缘板的水平偏斜、主梁腹板垂直偏斜、门架对角线差等参数，并作记录保存，用于后续跟踪监测；
（20）测量小车轨道中心线与上翼缘板安放小车轨道定位线的偏差、小车轨道距离偏差、小车轨道侧向直线度、小车轨道横向同截面高低差、小车轨道顶部局部平面度，并作记录保存，用于后续跟踪监测；
（21）将施工过程中所涉及的技术工艺、资格证、合格证、试验记录、检查记录等资料整理成册，作为设备修理改造的资料存档备查。
3.3 施工注意事项
（1）用风机对箱梁内部通风1 h以上，确认安全后，至少安排2人以上协同监护进入作业；
（2）将修理用焊接材料按要求烘干并用保温桶保温；焊接位置打磨光顺，安装焊接引弧板后进行焊接；
（3）焊接或火工校正作业前应拆除受影响区域的电线、电缆等；
（4）检查确认箱梁有无凹陷等变形，若有，则需校正。
4. 钢结构裂纹修复效果
（1）清除了箱体内所有积水，消除了起重机额外承受的附加载荷。
（2）在修复部位，从梁的翼缘板、两侧腹板内外均增加了加强筋，确保该处的强度和刚度得到足够保证。
在下翼缘板与上翼缘板大裂纹对齐位置增加2块2000 mm 18 mm加强筋板；在两侧腹板与上翼缘板大裂纹对齐位置内部各增加2块400 mm 12 mm加强筋板；箱体内部靠近上翼缘板100 mm处增加2根10号槽钢；并将贯穿大裂纹的上翼缘板局部区段切除，更换为400 mm 14 mm的新钢板，与原上翼缘板采用对接焊接工艺，并与腹板原对接焊缝及修复对接焊缝位置错开200 mm以上，纠正主梁上翼缘板2 mm的错位。
（3）小车驱动齿条通过齿条固定支座与主梁焊接连接，减少了由于小车驱动齿条直接与主梁间断焊接连接施工工艺不稳定导致应力集中的概率。
由于该机型制造年代较早，对于还在用的同类产品作了同样的检查、修复和加强，新机型已较少使用这种直接焊接的连接方式。
（4）2台起重机经上述修复和加强后，主梁各项参数有所改善。为安全保险起见，规定只用于堆场装卸、转运空集装箱，不再吊运重载集装箱。该批起重机经过上述修复和加强后，跟踪检测表明：除主梁上拱度明显不足外，钢结构部分至今未发现类似缺陷，一直可靠使用至今。
5. 结束语
综上所述，特种设备存在的重大安全隐患既有其规律性，也有其非常规性，检验人员要针对设备的特点，全面检查、重点检验、综合评估，稍不留神，隐患就会从眼皮底下溜走，尤其是大型起重机价值达几千万元之巨，在使用过程中一旦发生整体倾覆或垮塌事故，不仅机毁人亡、货损，还会对社会造成极其恶劣的影响。
同时也说明大型特种设备的使用单位一定要委托能够不负众望、技高一筹的权威检验机构和检验工程师检测把关，其先进的检测技术、丰富的检验经历、扎实的理论基础和崇高的敬业精神是及时发现重大安全隐患的必要保证。制造单位在重大隐患的整改中，体会到了注意控制现场施工工艺的重要性；设计单位在整改方案和修复工艺的制订过程中，也完善了类似产品的局部细节设计。