摘要：冶金起重机在高频繁、高负载的工作状态下，金属结构极易受到疲劳损伤，长期服役后结构安全性和稳定性逐步下降，甚至引发断裂事故，成为现场设备管理中的重点问题。疲劳问题本质上是载荷不均、结构细节不合理及长期服役中的缺陷积累共同作用的结果。文章围绕冶金起重机金属结构疲劳问题，结合实际运行特点，从裂纹识别到加固修复全过程进行系统研究，提出了一套结构完整、具备可操作性的修复路径，旨在为类似设备的维保作业提供技术支持，延长使用寿命，提升安全保障能力。

　　关键词：金属疲劳；冶金起重机；裂纹识别；结构修复；焊接工艺

　　冶金起重机在钢铁制造环节中承担着高频次、大载荷的运输任务，其金属结构承受着重复、变化剧烈的应力作用。金属疲劳并非单一原因导致，而是设计、制造、使用、维护等多个环节共同累积的结果。一旦疲劳问题暴露，不仅影响设备运行效率，也可能对人员和现场安全造成直接威胁。目前在工程一线，关于金属结构疲劳的修复仍存在方案分散、路径模糊的问题。将修复研究推进到结构层级，紧贴实际损伤机制，是应对老化设备安全问题的关键。文章将理论研究与工程操作结合，提出具体可落地的修复步骤，以应对复杂使用场景下的疲劳损伤问题。

　　1冶金起重机金属结构疲劳问题概述

　　1.1冶金起重机的工况特性

　　作为冶金生产的重要设备，冶金起重机的工况特征表现为工况频繁、作业强度大。尤其在冶金领域，由于起重机的工作环境不仅有较长时间处于重载、急停、瞬停、加速的工作条件下，同时又时常受到高温、潮湿以及粉尘等环境因素的影响，致使金属材料长期处于高温、潮湿以及粉尘等环境的影响下极易产生应力集中和腐蚀，长期的高强度工作使动态负荷变化加剧金属的疲劳积累，所以较之普通工业起重机，冶金起重机的金属结构容易产生疲劳损坏，给起重设备的可靠性与安全性都带来了巨大挑战。

　　1.2金属结构疲劳的基本形式

　　金属结构疲劳主要是在应力周期重复作用下发生的微观裂纹扩展和断开失效，主要包括低周疲劳和高周疲劳。低周疲劳发生于大负载、少次数重复应力下，高周疲劳常发生在载荷轻但重复频率高的工况。冶金起重机在运转复杂负载条件下工作，常产生应力集中区，尤其是结构薄弱位置，如焊接接头、连接处等，疲劳裂纹发生和发展往往比较隐蔽，不易被发现，一旦发展到一定程度就可能造成结构断裂，以致出现灾难性的事故。

　　2金属结构疲劳产生的主要因素

　　2.1载荷波动应力集中影响

　　冶金起重机工作特点导致其受复杂载荷的反复影响。对于冶金起重机的工作过程，尤其是在冶金起重设备吊运重物的运动过程中，负荷往往会有急剧的变化，施加于结构上的载荷不但包括静载荷，而且还包括动载荷与冲击载荷。快速、剧变的载荷形式，使得结构件长时间处于反复应力状态，形成了较为严重的应力集中现象，而结构中的凸出、孔、焊缝及接头位置都是容易产生应力集中的部位，就会形成局部疲劳损伤的集中点。另外在结构的焊接点上，由于焊接过程常会发生内应力和微小缺陷，也容易成为疲劳裂纹源，而后微裂纹的扩展就会产生严重结构破坏。在长期高频的载荷波动作用下，金属结构的局部区域会经历多次拉压循环，使材料内部晶格结构不断发生微观位错和滑移累积，导致材料的屈服极限逐渐下降。当反复载荷超过一定临界次数后，即便应力幅度不高，也会在微小缺陷处诱发裂纹萌生。

　　2.2结构构造焊接工艺问题

　　冶金起重机械的金属结构为焊接结构，焊接连接部位工艺质量对结构整体的疲劳性能有着显著影响。焊缝的产生，主要是由于焊接工艺参数设置不合理或操作工艺不当，导致在焊接过程中出现应力集中、冷裂纹等质量问题，而这些存在质量问题的结构就会成为疲劳的薄弱点，极易发生裂纹，进而在反复加载的过程中，部分区域就会出现局部塑性变形而导致裂纹的扩展[1]。就冶金行业而言，冶金焊接的过程环境较复杂、温度高、热影响区部位受到温度梯度大、冷却速度快等因素影响，材质也会产生相应的脆化，大大降低了结构整体的疲劳强度。由于结构设计不当，焊接工艺方面未进行或未正确地执行工艺参数，焊接后缺乏必要的热处理，从而引发裂纹。此外，在焊接结构中，热影响区的组织变化和残余应力分布对疲劳寿命起着决定作用。焊接过程中金属受热不均导致的热循环，会在熔合区和母材过渡区形成较高的残余拉应力，使这些区域成为潜在的裂纹萌生位置。

　　2.3机械维护不到位的影响

　　冶金起重机经过长期高负荷运行，金属结构的疲劳破坏逐渐累积，随着设备的使用年限增长，金属内部的疲劳开裂不断扩展，原有的一些小疲劳裂纹会在不知不觉中长大成危害性裂纹。设备使用的时间过长，特别是缺少经常性维护检查，设备金属结构的疲劳损伤往往未能及时发现和进行修复。许多冶金企业在冶金起重机使用过程中缺乏设备操作与维护管理，不进行检查和修理，对设备的结构件疲劳裂纹的扩展程度不加以控制，修理周期安排不合理等，致使疲劳裂纹发展速度加快，缩短了设备的使用寿命，且影响了冶金生产线的稳定性与安全性，甚至出现设备因疲劳裂纹扩展突然停机，被迫中断生产。进一步来看，维护管理缺失不仅加剧疲劳裂纹的发展，也使结构表面腐蚀、磨损等问题得不到控制，进而叠加应力腐蚀与疲劳效应。长期暴露于高温、高湿、多尘环境下的金属部件，会在表层形成氧化膜和腐蚀坑，成为应力集中起点。

　　3冶金起重机金属结构疲劳修复研究

　　3.1疲劳裂纹识别定位技术路径

　　冶金起重机在结构检修过程中，疲劳裂纹的早期识别和精确检出是确保修理质量的重要前提。疲劳裂纹出现通常都是缓慢发展的，而且疲劳裂纹发生的位置往往处在所受到应力最大的位置，或在环境影响下裂纹变得不明显，肉眼或简单外在观察很难发现裂纹，在此基础上无法有效开展修复工作。随着现代技术的发展，裂纹识别技术的准确性与可执行性更为关注，超声波探伤、X射线探伤、涡流探伤等无损检测技术已然成为疲劳裂纹检测的基本方式。X射线检测方式是在X射线背景下进行扫描，能够对金属材料整体进行观察，不会破坏材料结构，便可清晰地发现内部裂纹。超声波检测方式主要是利用高频声波，检出金属材料内部微小裂纹，对厚壁结构具有良好的穿透性。涡流探伤方式则是以电流感应形式进行裂纹检测，对裂纹自身或近表部位具有良好的检测效果。结合机器学习与图像处理等方式，智能化的检出与定位已经成为现阶段研究的关键内容[2]，甚至结合无人机设备实现对复杂结构远距离扫描，无需人员近距离接触，减小人力劳动强度的同时提高了裂纹检出效率与检出准确性。检出裂纹并不限于表面部位，还应当实现对三维结构进行裂纹监测，以完整掌握裂纹走向、深浅及其发展程度。基于这一技术路径，可以提前识别疲劳裂纹的潜在风险，并为后续的修复工作提供详细的裂纹数据，确保修复工作的针对性与高效性。

　　3.2裂纹扩展区的卸载预处理工序

　　裂纹的产生逐渐发展为裂纹的扩展，裂纹一旦形成，任何外来的负载就会引起裂纹的急剧发展甚至是整机的破坏。在裂纹的疲劳修复过程中，裂纹的扩展区卸载预处理是最为关键的步骤之一。这个过程不仅为了去除裂纹的外部影响因素，同时也是为了将裂纹扩展区的应力尽可能地降低，从而确保后续修复工作能够在理想的环境下完成。卸载预处理是较为重要的一个环节，该环节的重点方法之一便是机械卸荷法，减小裂纹区的应力。通过设置支撑和加大力学固定的方式使裂纹区域承受反向的力的作用，从而将裂纹区的应力尽量降低至最小限度。而在这一过程中对于卸载机械装置的材料及操作技术的应用是十分关键的，在冶金起重机这样有着厚重的承重的设备中，卸载所使用的机械装置需要足够稳定性和足够的承受负荷能力[3]。裂纹扩展区的表层预处理环节也是不可缺少的环节，通过砂轮打磨、超声清洗等方法除去裂纹部位的氧化皮、油污、锈蚀等，能提供裂纹表面更为洁净的加工表面，利用热处理的方式对裂纹区域进行高温加热，将金属结构的晶格恢复原始结构，减小裂纹的扩展内在动力。其目的是将该处裂纹扩展区在修复过程中不受到外部附加应力的影响，使修复层能够100%地填充进裂纹内部，为修复工作的高效率顺利完成提供重要基础。

　　3.3疲劳损伤部位的加固替换手段

　　在冶金桥式起重机金属结构疲劳修复技术中，加强补强和更换属于针对严重的疲劳损伤部位的补强技术和手段。如果只对冶金桥式起重机结构上的早期疲劳损伤进行修补加强，可以延缓结构的被破坏时间，但如果是被严重损伤的结构部位，往往需要采取全部更换、局部更换处理才能恢复结构强度及稳定性。加强补强技术手段主要是借助焊接、机械锁合、粘接等补强技术手段，实现损伤部位的加强及制止疲劳裂纹继续扩展。焊接加强补强是通过焊接方式在裂纹区的局部焊接，一般采用高强度焊材及相应的焊接工艺进行处理，保证焊缝强度和韧性与基材匹配连接，在焊接过程中还要特别关注和控制焊接温度，以及控制焊缝加热的输入热值，防止热裂纹的产生，并保证焊接接头的抗疲劳性能。机械锁合是通过在冶金桥式起重机结构损伤部位周边区域增加钢板或钢管，通过紧固螺栓连接，形成机械加强。黏接补强主要是针对较小范围的裂纹破坏损伤，通过高强结构黏接结构胶水将结构破坏部位进行表面黏合处理，能够有效提升冶金桥式起重机局部部位的承力水平。对于冶金桥式起重机疲劳损伤而言，如果补强加强及替换后，其修复结构的承载性能及安全性还是不能得到彻底改善的话，这样的部位就要进行更换结构的处理。结构更换不仅能实现冶金桥式起重机结构的整体性修复，而且还能从根本上消除由疲劳扩展造成结构的突然断裂安全事故[4]。结构替换构件，主要选择与原结构材料相当或强度性能更高的材料，在加工、制作及安装使用过程中必须严格控制尺寸和误差范围，以保证与原结构构件完全贴合无缝隙状态对接，恢复其设备结构的整体强度及可靠性。针对冶金起重机这种高强度、频繁作业设备，对易发生疲劳损伤的部位进行合金材料的更新和加固，可延长设备使用年限，并减少长期使用过程中的设备意外故障。

　　3.4焊接修复工艺热处理环节配合

　　冶金起重机的金属结构疲劳修复最重要的过程是焊接修复，焊接修复完成后金属结构的疲劳稳定性和耐久性取决于一系列精准的工艺流程，其中，热处理也是比较关键的。焊接时由于焊接材料和母材热传导性存在差异，产生了较大数量的焊接内应力，而焊接内应力是造成疲劳裂纹扩展的主要原发应力。因此，焊接后的热处理必须要配套，热处理工艺主要是消减焊接后内应力以及恢复材料的力学性质，提高焊接金属的疲劳性能。就退火工艺而言，经过退火处理后能够降低焊接区域的硬度，减少脆性，增加韧性，让金属材料的晶格形态更为稳定，从而减少热裂纹。对焊接部位适当的时效处理，能够让金属材料提高抗腐蚀与抗疲劳等性能[5]。根据实际工况中的焊接接头结构，选择适宜的加热温度与时间，不仅能够在不形成过度热影响的前提下让焊接的材料和母材进行配合，让焊接接头强度和延展性有所保证，而且这一过程也决定了焊接的工艺细节以及修复后的使用年限，也就是冶金起重机能否继续维持高强度、高频率的工作状态。焊接与热处理相契合能够充分保证修复质量以及焊接后的寿命年限。

　　3.5修复后的检验使用条件控制

　　修复后的金属结构检验以及使用条件的控制是修复后设备是否具有长期可靠的工作环境的最后一道保障。疲劳修复不仅仅是一项技术，对于设备后期的使用管理与控制具有十分重要的意义。在完成修复后的金属结构上，在裂纹修整后，其是否能后期承受连续的荷载、应力变化仍不得而知。在完成修复后的设备应进行严格检查，保证设备的安全可靠使用。无损检测、超声波探伤、X射线探伤在修复后检验过程中更是起到关键性的作用。无损检测探伤能够在设备无损或接触的情况下观察到修复完成后依然存在的疲劳裂纹或者之前的修复仍未消散的缺陷，通过对修复区域进行探测判定修复效果，修复后的设备有否可能埋藏潜在的结构问题。修复后的设备还要严格把控使用条件，在高负荷、高效率的工作下，不可避免地导致疲劳损伤的再次发生[6]。所以修复后的设备必须设立严格的载荷限制，避免超过额定载荷而导致设备的损耗，同时还要加强设备日常的检修维护，尤其是初期的设备运转过程中，更应该加强对修复区域的监控，及时发现潜在的问题并采取必要的预防措施。与此同时，应用智能监控技术对运行状态进行监控，能够在不正常状态发生时进行警示。经过以上后期的检测及使用监控措施，设备在修复后的实际运行过程中，可对其对疲劳失效进行一定程度上的有效规避，确保冶金起重机的长期安全运转。

　　4结束语

　　综上所述，机械在运行过程中的疲劳破坏是不能完全规避的，但可以通过技术方法改进和操作控制环节的精准。作为高强度的用钢，冶金起重机的金属结构每一次修复本身就意味着下一个运行周期安全基座的延续性。文章通过对金属结构的疲劳问题进行分析，提出了一系列的优化措施，较好地解决了冶金起重机金属结构的修复问题，为相关行业的发展提供了新的优化思路。

参考文献

　　［1］邓晓军.基于Q690高强度钢的冶金起重机结构疲劳性能分析［J］.冶金与材料，2024，44（11）：53-55.

　　［2］周继红，吕世宁，张广辉，等.铸造起重机结构疲劳再制造关键技术［J］.起重运输机械，2023（2）：14-19.

　　［3］李飞，李向东，刘浩，等.基于多轴疲劳理论的冶金起重机主梁母材疲劳失效机理研究［J］.起重运输机械，2024（13）：84-90.

　　［4］陈科，彭语堂，肖祺滨，等.岸桥起重机前大梁疲劳寿命的数值模拟分析［J］.湘潭大学学报（自然科学版），2024，46（4）：51-59.

　　［5］李儒.汽车起重机结构疲劳寿命预测与可靠性分析［J］.你好成都（中英文），2023（31）：181-183.

　　［6］巩峰峰.起重机械金属结构振动与故障诊断的研究［J］.世界有色金属，2023（7）:34-36.