王文静，耿 焘，贾晓楠，盖文庆，王 欣

(1.大连益利亚工程机械有限公司，辽宁大连 116023;2.海洋石油工程股份有限公司安装公司，天津 300451;3.大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116023)

在实际应用中，许多设备结构在使用之前都做了相应的防腐蚀措施，但随着时间的推移，受工作环境以及设备保养条件的限制，腐蚀不可避免.当腐蚀达到一定程度时，结构的正常工作将受到影响，严重时会出现结构工作性能失效［1］.此外，腐蚀不仅使结构遭受严重的破坏，导致金属构件或设备提前退役，还造成资源浪费，由此间接增加了设备使用成本，降低了经济效益［2］.因此，对于重要的承载构件，腐蚀是不容忽视的.腐蚀的形式分为两大类:均匀腐蚀与局部腐蚀.均匀腐蚀指发生腐蚀位置和腐蚀程度较为均匀，局部腐蚀指腐蚀主要发生在一定区域内，主要有点蚀、应力腐蚀破裂、细菌腐蚀等，其中点蚀造成的危害较大［3］.

针对腐蚀，国内展开了大量的研究.张新伟等［4］、洪来凤等［5］基于 ANSYS 有限元软件分析了深海油路管道存在腐蚀缺陷条件下的强度，魏化中等［6］对腐蚀合理模型的建立进行了详细描述，李昕［7］则对单点腐蚀管道在内压作用下的受力做了详细分析.但是已有的研究主要集中在金属管道分析，而对于海洋用起重机，其臂架的腐蚀情况也不容乐观，但国内鲜有研究.文攀［8］也只是对正常状态下，船用起重机臂架的应力和稳定性做了研究，但并未考虑腐蚀造成的影响.

为此，本文对海洋用起重机臂架单点腐蚀状态下受力情况进行了相关研究，并根据计算结果提出了相关解决措施.

1 起重机使用情况介绍

本文以铺管船用350 t固定回转起重机的桁架臂为研究对象，如图1所示.臂长61 m;弦杆为角钢结构，尺寸为203.2 mm ×203.2 mm ×25.4 mm;腹杆为管材结构，尺寸为 Φ60.3 mm ×3.9 mm，Φ73 mm ×5.2 mm，Φ88.9 mm ×5.5 mm，Φ101.6 mm ×5.8 mm.

图1 铺管船用起重机Fig.1 Crane on pipe-laying ship

在近期的质检过程中，发现臂架弦杆结构存在腐蚀现象，位置在底节与中间节处，如图1所示.为了解腐蚀结构对应力变化的影响，本文将首先分析未腐蚀结构的应力情况，然后建立单点腐蚀结构有限元模型，对比分析两者的应力变化及腐蚀结构尺寸对应力的影响，最后提出结构改进措施，通过计算分析来验证改进措施的有效性.

2 未腐蚀的臂架结构建模与应力分析

根据臂架实际结构建立有限元模型，如图2所示.弦杆与腹杆采用Beam188梁单元建立，板采用Shell63板单元建立，变幅绳采用Link10杆单元建立.模型节点数为58 692，单元数为28 093.根据结构实际约束情况，在臂架根部施加全位移约束，变幅绳根部铰点处施加全位移约束.以常用的作业工况为计算工况，即臂架仰角58.4°，起重质量154 t.根据文献［9］，施加相应风载与海面波动引起的侧载(横倾2°，纵倾3°).臂架自身质量58 t，通过有限元软件自动施加于模型上.

图2 臂架有限元模型Fig.2 Finite elementmodel of boom

相应的有限元计算结果如图3所示.从图中可以看出，臂架四个弦杆的应力因侧载影响而有所不同，最大应力达到276.817 MPa，位于臂架底节，此处是弦杆腐蚀点处，腹杆最大应力为96.851 MPa，位于臂架的中间节部位，满足许用应力440 MPa的要求.

3 腐蚀对臂架结构应力影响分析

由该起重机的腐蚀检测报告得知，底节弦杆上具有较多腐蚀点，且腐蚀的最大深度为3.5 mm.通过观测腐蚀点的形状，可将腐蚀结构近似为圆柱形或倒锥形凹槽.因此，为研究腐蚀点对弦杆受力的影响，根据圣维南原理，选取底节中500 mm长度的弦杆，建立实体有限元模型，在实体模型上开设圆柱型凹槽模拟腐蚀结构，模型如图4所示.

为考虑不同腐蚀深度对弦杆应力的影响，在弦杆上分别建立1.5，2.5和3.5 mm 深度的凹槽，如图4b所示.同时考虑到腐蚀直径对弦杆受力也有影响，因此与前面不同深度的凹槽进行组合，分别建立腐蚀直径为3，5，10 mm的凹槽.本文对于腐蚀直径为3 mm的模型采用圆柱型凹槽，腐蚀直径为5和10 mm的模型采用倒锥形凹槽，斜度为 30°.

模型的约束方面，在弦杆模型的一端施加位移与角位移全约束，另一侧端施加100 MPa的均布压应力，如图5所示.

图3 应力分布图Fig.3 Stress distribution diagram

图4 弦杆实体模型Fig.4 Dummy of chord

图5 约束和载荷施加图Fig.5 Applied restraint and load diagram

图6 腐蚀点处应力分布图Fig.6 Stress distribution diagram of corrosion point

根据上述模型与约束及载荷，进行有限元计算，计算结果如图6所示.由于相同腐蚀直径，不同腐蚀深度计算出的应力分布情况相似，因此这里只列出了腐蚀深度为2.5 mm、不同腐蚀直径下的应力分布.从图中可以看出，腐蚀点附近存在应力集中.对于腐蚀直径为3mm的腐蚀点，最大应力出现在凹槽外侧;腐蚀直径为5 mm时，最大应力位于锥型凹槽内壁;腐蚀直径为10 mm时，最大应力位于锥型凹槽底部.随着腐蚀直径的增大，腐蚀点处的最大应力依次减小，分别为225.255，201.486，161.229 MPa.远离腐蚀点部位的应力均在100 MPa左右.

对不同深度、不同直径的计算结果进行了汇总，见表1.从表1可以看出，随着腐蚀直径的减小以及腐蚀深度的增加，应力是随之增加的，应力集中现象明显，应力增加的幅值最大可达到135.35%.因此可以看出，腐蚀点对应力的影响很大，应特别引起注意.

表1 不同腐蚀深度与腐蚀直径应力计算结果Tab.1 Stress calculation results for different corrosion depths and corrosion diameters

4 腐蚀处的改进措施

由第3节计算结果可以看出，腐蚀点的存在对应力的影响很大，需要及时对局部结构进行加强与改进.采用弦杆的整体替换是最行之有效的方法，但是施工周期长，影响生产作业.如果对腐蚀结构进行局部补焊，由于腐蚀面积较大，容易出现焊后变形现象，且施工工艺复杂.为此，本文从其腐蚀深度不大的角度考虑，提出对腐蚀的弦杆进行打磨，并与未打磨处按1∶4方式进行坡度过渡的改进措施，如图7所示.打磨的弦杆长度约为20 000 mm，打磨的深度约3.5 mm.

由此，对打磨处的弦杆有限元模型进行修改，并施加相同的约束与载荷，其计算结果如图8所示.从图中可以看出，打磨处弦杆应力为282.011 MPa，比原值276.817 MPa增加2%，仍在许用应力范围内，并且对附近的腹杆应力没有影响.由此看出，此改进措施是行之有效的.

图7 腐蚀位置打磨处理三维图Fig.7 Three-dimension diagram of polishing corrosion location

图8 弦杆打磨后应力分布图Fig.8 Stress distribution diagram of polished chord

5 结语

通过对腐蚀结构的应力分析，可以看出腐蚀点对结构应力的影响很大，如不及时采取措施，将导致结构失效.针对腐蚀深度不大的结构，本文采用沿厚度打磨的措施，通过计算分析对比，打磨后的结构应力虽有所增加，但增加幅值不大，仍满足许用应力要求，表明此种措施是有效的.

值得提出的是，本文仅对单点腐蚀的应力影响进行了分析，而实际结构往往存在多点腐蚀情况，点与点之间的距离很近，必然会对结构的应力产生相互影响.因此，本文的单点腐蚀分析仅是本项工作的基础，后续将对多点腐蚀情况做进一步深入研究.

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