大型钢结构疲劳累积损伤无损评估及残余寿命预测技术最终

（优选）大型钢结构疲劳累积损伤无损评估及残余寿命预测技术最终本文档共80页；当前第1页；编辑于星期三\3点50分大型钢结构循环交变载荷下的疲劳累积损伤1、起重机起重机械是现代工业发展中不可或缺的大型钢结构，在其使用过程中,承受着循环交变载荷，因疲劳累积损伤而导致关键构件功能失效乃至整个起重机械断裂失效的事故往往是灾难性的,而疲劳断裂因其特点在构件失效前往往不易被察觉,给起重机械的安全使用带来较大的安全隐患。本文档共80页；当前第2页；编辑于星期三\3点50分2、高压输电铁塔高压输电铁塔具有杆塔高耸、跨度大，结构整体柔度随杆塔高度的增加而非线性增加，在风雨及导线覆冰等随机环境交变荷载作用下，钢结构发生疲劳累积损伤，当疲劳损伤累积到一定程度时，在风雨及导线覆冰等随机环境下极易发生突然倒塌。本文档共80页；当前第3页；编辑于星期三\3点50分3、桥梁结构大型桥梁承重的钢构件因反复长期承受加载和卸载而产生循环交变应力，将使桥梁承重的钢构件产生疲劳累积损伤，当疲劳损伤累积到一定程度时，将严重威胁桥梁整体结构的安全，从而导致毫无预警的灾难性的坍塌。本文档共80页；当前第4页；编辑于星期三\3点50分4、海洋平台作为海洋资源开发的基础设施，海洋平台造价高、结构复杂、使用周期长，长期承受着循环交变载荷，因疲劳累积损伤而导致整个海洋平台倒塌失效的事故往往是灾难性的,而疲劳断裂因其特点在构件失效前往往不易被察觉,给海洋平台的安全使用带来较大的安全隐患。本文档共80页；当前第5页；编辑于星期三\3点50分5、船舶结构作为海洋运输的基础设施，船舶结构造价高、结构复杂、使用周期长，长期承受着循环交变载荷，因疲劳累积损伤而导致整个船舶结构断裂失效的事故往往是灾难性的,而疲劳断裂因其特点在构件失效前往往不易被察觉,给船舶结构的安全使用带来较大的安全隐患。本文档共80页；当前第6页；编辑于星期三\3点50分大型钢结构主要承载结构部件所用材质1、起重机主要承载结构及零部件常用材料（1）起重机承载结构件常用材料采用Q235B、Q235C、Q235D(和平钢)，沸腾钢Q235F。管事级别为A7、A8的起重机金属结构，宜采用平炉和平钢Q235C或特殊和平钢Q235D，必要加重结构自重时,可采用16Mn或15Mn可。（2）起重机主要零部件常用材料吊钩是锻造的：采用钢板铆合，为片式吊钩。吊钩材料应采用DG20、DG20Mn、DG34CrMo、DG34CrNiMo、DG30Cr2Ni2M02钢制成，片式吊钩由若干片厚度不小于20mm的Q235、20或Q345的钢板制造。（3）钢结构联接钢结构联接方式主要有焊接、螺栓联接、销轴联接等，螺栓联接主要分普通螺栓联接和高强螺栓联接，普通螺栓—般为六角头螺栓，以碳素钢Q235~J造。高强螺栓分摩檫型和承压型，由中碳钢或合金钢等经淬火并回火后制成，我国采用的高强螺栓分8．8级和10．9级两类，8．8级高强螺栓常用材料为经过热处理的40B、45或35钢，10．9级高强螺栓常用材料是20MntiB和35VB钢。本文档共80页；当前第7页；编辑于星期三\3点50分2、输电线路铁塔常用材料我国输电线路铁塔目前用材主要以热轧角钢型材为主，辅以少量钢管，钢材的品种以Q235和Q345两种为主，铁塔采用热镀锌防腐，使用年限约为50a。铁塔用材与发达国家相比，品种少、强度值偏低、可选择余地小。我国《钢结构设计规范》中的最高强度等级为420MPa(Q420钢材)，《架空送电线路杆塔结构设计规定》中的最高强度等级只有390MPa(Q390钢材)。从各国的设计规范、选材范围及工程实际应用情况来看，我国的高强钢使用水平均明显落后于国外一些发达国家。目前,我国已经有了可以使用的高屈服点钢材Q390，Q420和Q460。在大负荷杆塔上使用高强钢可有效地降低塔重指标。云广直流输电线路作为世界上第一条±800kV等级的直流输电线路，采用高强钢对有效降低工程造价，提高我国输电线路科技水平和市场竞争力有着重大意义。

本文档共80页；当前第8页；编辑于星期三\3点50分3、桥梁结构常用材料桥梁用结构钢对应标准GB/T714-2000,有4个强度等级：Q235q（C、D级）；Q345q（C、D、E级）；Q370q（C、D、E级）；Q420q（C、D、E级）。

本文档共80页；当前第9页；编辑于星期三\3点50分4、海洋平台结构常用材料对平台本体结构必须充分考虑结构是否会因水压产生弯曲变形，并且在施工时使用冷热加工及焊接接头必须满足疲劳强度，通常采用抗拉强度为500MPa级的正火型高强钢，钢板厚度通常不大于130mm，不建议用调质型高强钢。

10Cr2MoAlRE、08PVRE、09MnCuPTi、10MnPNbRE、10NiCuAs、10CrMoAl等已通过鉴定，但除了少数用户因个别工程需要订货外，尚未推广开来，应用少，产量也少，多用在钢板桩、海水冷凝器、输海水管线、管桩、船坞闸门等方面，尚未涉及大型的固定式和移动式海洋结构物。

本文档共80页；当前第10页；编辑于星期三\3点50分5、船舶结构常用材料现代船舶的船体结构制造所用材料主要是一般强度船体结构用钢、高强度船体结构用钢、奥氏体不吴钢和双相不吴钢、复合钢板、Z向钢、铝合金、加强塑料等。根据CCS1998年《材料与焊接》规范和2002、2004年规范修改通报要求，所有金属材料必须从力学性能(强度、吮逶、硬度、蠕变)、工艺性能（弯曲、焊接性）、化学成分、脱氧方法、交货状态（热处理）等方面符合规范要求。

本文档共80页；当前第11页；编辑于星期三\3点50分大型钢结构疲劳累积损伤所致功能性丧失疲劳累积损伤所致功能丧失是大型钢结构最常见的失效方式，约占工程材料与构件全部失效的80%-90%。本文档共80页；当前第12页；编辑于星期三\3点50分1、疲劳破坏过程是材料内部薄弱区域的组织在变动应力作用下，逐渐发生变化和损伤累积、开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发生突然断裂的过程，是一个从局部区域开始的损伤累积，最终引起整体材料断裂的过程。2、疲劳破坏是循环应力引起的延时断裂，其断裂应力水平往往低于材料的抗拉强度，甚至低于其屈服强度。机件疲劳失效前的工作时间称为疲劳寿命，疲劳断裂寿命随循环应力不同而改变。3、应力高，机件寿命短；应力低，寿命长。当应力低于材料的疲劳强度时，寿命可无限长。疲劳破坏的概念本文档共80页；当前第13页；编辑于星期三\3点50分14循环变动应力本文档共80页；当前第14页；编辑于星期三\3点50分(1)疲劳断裂表现为低应力下的破坏断裂：疲劳失效在远低于材料的静载极限强度，甚至远低于材料屈服强度下发生。(2)疲劳破坏宏观上无塑性变形：与静载荷作用下材料的破坏相比，具有更大的潜在的危险性。(3)疲劳失效过程是一种与时间有关的失效方式，具有多阶段性：是材料微观组织累积损伤过程，由交变应力(应变)作用引起的损伤是随着载荷次数逐次增加的。(4)与单向静载断裂相比，疲劳失效对材料的微观组织累积损伤更加敏感，这是因为疲劳有极大的选择性，几乎总是在构件材料表面的缺陷处发生。(5)疲劳失效受载荷历程的影响：过载损伤会导致疲劳强度的下降(如下图所示)疲劳失效的特点本文档共80页；当前第15页；编辑于星期三\3点50分

碳钢拉伸曲线拉伸曲线表示试样拉伸过程中力和变形关系，可用应力－延伸率曲线表示，纵坐标为应力R，R=F/S0，横坐标为延伸率ε，ε＝ΔL/L0。拉伸曲线的形状与材料有关，由图可见，在载荷小的oa阶段，试样在载荷F的作用下均匀伸长，伸长量与载荷的增加成正比。如果此时卸除载荷，试样立即回复原状，即试样产生的变形为弹性变形。当载荷超过b点以后，试样会进一步产生变形，此时若卸除载荷，试样的弹性变形消失，而另一部分变形则保留下来，这种不能恢复的变形称为塑性变形。本文档共80页；当前第16页；编辑于星期三\3点50分

钢的拉伸应力应变曲线，加载到A点卸载再重新加载，其抗拉强度b与末卸载的相同，即未受到载荷史的影响。工程应力应变曲线

钢结构工程应力应变曲线本文档共80页；当前第17页；编辑于星期三\3点50分

一定的过载也可能延缓疲劳裂纹的扩展，延长疲劳寿命，如图所示。过载引起疲劳裂纹扩展延滞效应

过载引起疲劳裂纹扩展延滞效应本文档共80页；当前第18页；编辑于星期三\3点50分碳钢的疲劳累积损伤曲线碳钢的疲劳累积损伤曲线本文档共80页；当前第19页；编辑于星期三\3点50分金属材料的疲劳极限本文档共80页；当前第20页；编辑于星期三\3点50分疲劳裂纹的三个阶段本文档共80页；当前第21页；编辑于星期三\3点50分材料在机械循环应力的作用下连续产生大量的位错结构，位错聚集和运动导致微观损伤累积-----疲劳；循环交变应力下材料微观结构变化循环载荷作用致使位错做往复运动使极性相反的位错形成稳定的配对结构；本文档共80页；当前第22页；编辑于星期三\3点50分循环交变应力下材料微观结构变化

位错偶极子累积自发形成脉状结构：a计算机模型；b扫描电镜；本文档共80页；当前第23页；编辑于星期三\3点50分循环交变应力下材料微观结构变化持续循环加载导致脉状位错结构密度增加，导致结构处于一个弹性的不稳定状态，驱使脉状位错结构转化为持久稳固的滑移带（PSBs）结构：a计算机模型：PSBs有一个类似阶梯状结构；b扫描电镜图片；本文档共80页；当前第24页；编辑于星期三\3点50分循环交变应力下材料微观结构变化本文档共80页；当前第25页；编辑于星期三\3点50分循环交变应力下材料微观结构变化本文档共80页；当前第26页；编辑于星期三\3点50分循环交变应力下材料微观结构变化本文档共80页；当前第27页；编辑于星期三\3点50分循环交变应力下材料微观结构变化位错点阵脉状结构，局部稳固的滑移带（PSBs）结构：本文档共80页；当前第28页；编辑于星期三\3点50分循环交变应力下材料微观结构变化本文档共80页；当前第29页；编辑于星期三\3点50分循环交变应力下材料微观结构变化本文档共80页；当前第30页；编辑于星期三\3点50分循环交变应力下材料微观结构变化本文档共80页；当前第31页；编辑于星期三\3点50分循环交变应力下材料微观结构变化本文档共80页；当前第32页；编辑于星期三\3点50分循环交变应力下材料微观结构变化本文档共80页；当前第33页；编辑于星期三\3点50分循环交变应力下材料微观结构变化本文档共80页；当前第34页；编辑于星期三\3点50分循环交变应力下材料微观结构变化本文档共80页；当前第35页；编辑于星期三\3点50分循环交变应力下材料微观结构变化本文档共80页；当前第36页；编辑于星期三\3点50分循环交变应力下材料微观结构变化本文档共80页；当前第37页；编辑于星期三\3点50分循环交变应力下材料微观结构变化本文档共80页；当前第38页；编辑于星期三\3点50分循环交变应力下材料微观结构变化本文档共80页；当前第39页；编辑于星期三\3点50分材料结构敏感性------磁滞特性参数众多的研究表明：材料微观结构特性决定材料的机械性能；材料机械性能恶化是由于材料微观结构累积损伤的结果------在交变应力环境下材料晶体缺陷-----位错、空穴等聚集、运动造成的微观损伤累积而成的；材料机械性能降级过程也同时改变了材料微观组织结构特征，而材料的磁滞特征参数非常敏感于微观组织结构的变化。

相反，材料的磁滞回线形状特征参数的变化也反应了材料内部微观结构特征的变化：可以通过刻画和评估材料的磁滞行为，以一种无损的方式，来识别材料的微观结构变化和监测材料机械性能的降级。本文档共80页；当前第40页；编辑于星期三\3点50分材料的磁滞行为材料铁磁磁滞回线不同时期磁畴壁运动本文档共80页；当前第41页；编辑于星期三\3点50分微观结构和机械应力影响磁滞回线形状材料微观组织结构对材料磁滞回线特征参数的影响材料所遭受应力对材料磁滞回线特征参数的影响本文档共80页；当前第42页；编辑于星期三\3点50分微观结构和机械应力影响纵向磁致伸缩材料微观组织结构和机械应力对材料纵向磁致伸缩的影响本文档共80页；当前第43页；编辑于星期三\3点50分磁滞特征参数无损评估新技术磁滞回线的不同参数：剩磁Br,矫顽力Hc,饱和磁感应强度Bs,初始微分磁导率µin,最大微分磁导率µmax,磁滞损耗Wh,最大磁感应强度Bm,初始微分非磁滞磁导率µan,本文档共80页；当前第44页；编辑于星期三\3点50分蠕变过程中材料微观结构变化可以用磁滞回线形状的变化来反映材料破损前的状态当前状态初始状态本文档共80页；当前第45页；编辑于星期三\3点50分

炉管内部微观组织损伤累积过程中矫顽力的增长

HcmaxHcmin本文档共80页；当前第46页；编辑于星期三\3点50分材料矫顽力与力学性能加载图表(damagestate)本文档共80页；当前第47页；编辑于星期三\3点50分材料磁特性----矫顽力测量标准加载图表操作载荷下矫顽力值从初始值Нс0

到最终断裂值Нсв,将增大2-3倍;Нсв

(2-4)

Нс0

这样2-4倍的增量允许采用矫顽力来评估金属的疲劳状态.这种方法极为有效.通过测量当前矫顽力值Hc与初始状态与断裂前数值之差额，预测工件的已服役寿命和残余寿命。本文档共80页；当前第48页；编辑于星期三\3点50分

基于缺陷存在的常规无损检测评估手段仅仅在宏观缺陷出现之后至失效前是有效的；

在材料服役前至宏观缺陷出现之前,材料的疲劳是以微观损伤的形式累积的，通过材料的磁性参数-----矫顽力反应；对于大多数低应力疲劳断裂失效而言，从疲劳缺陷出现至材料断裂，时间非常短，即雪崩式的断裂失效，常常不可预测，目前并无一种有效的检测手段来评估；因此,在材料损伤早期诊断上,矫顽力测量可作为一种材料损伤诊断评估首选的手段。材料损伤首选的无损评估技术-----矫顽力测量本文档共80页；当前第49页；编辑于星期三\3点50分碳钢在低周疲劳模式中不同循环应力下矫顽力---循环数（寿命）图表HcmaxHcmin本文档共80页；当前第50页；编辑于星期三\3点50分

磁滞参数用于评估材料多种因子引起的失效机理

HcmaxHcminABC(damage)本文档共80页；当前第51页；编辑于星期三\3点50分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毫米钢板的磁性和机械性能参数对比表本文档共80页；当前第52页；编辑于星期三\3点50分MA多参数磁性分析设备低碳钢的磁滞回线特征参数高碳钢的磁滞回线特征参数同时测量多组磁滞回线特征参数：矫顽力、剩磁、最大微分磁导率、初始微分磁导率、磁滞损耗及松弛参数等多组磁性参数来分析评估材料的机械性能降级。本文档共80页；当前第53页；编辑于星期三\3点50分矫顽力测量设备

矫顽力测量设备操作简单,数据采集仅仅需要8秒钟:

手持式计算机与矫顽力主机通过无线通讯连接;软件能立即储存测量结果并显示给操作人员:数据图表彩色分布柱状图平均值离散值手持式计算机能够发送数据至服务器用于分析和储存数据库.本文档共80页；当前第54页；编辑于星期三\3点50分塑性铰形成的分级模式通过矫顽力测量来识别I型主梁的塑性铰形成ELASTICZONEPLASTICZONEPLASTICZONESteel09Г2Сwall=5mmUpperpartofI-beamLowerpartofI-beamVERICALWALLOFI-beamHccritical起重机械磁性评估技术本文档共80页；当前第55页；编辑于星期三\3点50分起重机械磁性评估技术本文档共80页；当前第56页；编辑于星期三\3点50分加固件HcCritical–临界维护水平上部测试下部测试Steel09Г2С(byclass325)Coercivity,HcA/cmStress,Ϭkg/mm2起重机械磁性评估技术本文档共80页；当前第57页；编辑于星期三\3点50分两个相似桥式吊车的主I型横梁磁性无损评估

(10

吨,

19m长,20年服役，轻模式(Q1)和重模式(Q3)，国际标准ISO4301)主

I型横梁

B测试点主I型横梁

AMainI-beamAlengthMainI-beamA末端I型横梁垂直壁的矫顽力Q3工作模式下Hc和Ϭ在I型横梁I-I横截面垂直壁上分布起重机械磁性评估技术本文档共80页；当前第58页；编辑于星期三\3点50分用于滑道式起重机磁性无损评估测试点纵向方向横向方向Loadingmodes加载模式无起重机I-横梁重量加载起重机i在中间位置加载货物Testingpoints起重机械磁性评估技术本文档共80页；当前第59页；编辑于星期三\3点50分通过ISO4301国际标准，采用磁滞特性无损评估技术对起重机械钢结构残余寿命进行评估。N,cycle安全维护模式可控维护模式临界维护模式SteelmodemodemodemodeSteelC,shift矫顽力最大值钢结构寿命循环数钢结构寿命百分数钢结构寿命相对循环起重机械磁性评估技术本文档共80页；当前第60页；编辑于星期三\3点50分A533B钢应力应变曲线本文档共80页；当前第61页；编辑于星期三\3点50分A533B钢循环加载疲劳曲线本文档共80页；当前第62页；编辑于星期三\3点50分

A533B钢应变加载疲劳曲线本文档共80页；当前第63页；编辑于星期三\3点50分A533B钢应变加载疲劳曲线本文档共80页；当前第64页；编辑于星期三\3点50分A533B钢应变加载疲劳曲线本文档共80页；当前第65页；编辑于星期三\3点50分A533B钢应变加载疲劳曲线本文档共80页；当前第66页；编辑于星期三\3点50分A533B钢应变加载疲劳曲线本文档共80页；当前第67页；编辑于星期三\3点50分A533B钢应变加载疲劳曲线本文档共80页；当前第68页；编辑于星期三\3点50分A533B钢应变加载疲劳曲线本文档共80页；当前第69页；编辑于星期三\3点50分A533B钢应变加载疲劳曲线本文档共80页；当前第70页；编辑于星期三\3点50分A533B钢应变幅度为0.003时

拉伸加载与矫顽力、剩磁、磁滞损耗与疲劳耗费寿命曲线本文档共80页；当前第