黄建明实战案例专栏 | 【案列26】什么是「良性」和「恶性」疲劳裂纹?

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在 我多年的检测工作中我发现，疲劳裂纹也有「良性」和「恶性」之分。

就像人类的「良性肿瘤」和「恶性肿瘤」一样，「良性肿瘤」的是不会死亡的，「恶性肿瘤」(癌症)的会很快死亡的。

在实际工作时，对「恶性」的立即拆除更换，「良性」的定期监控使用，可以成功为客户输赢得时间和金钱，同时在不影响生产的情况下也保障了安全使用。

我是根据我长期的实验经验中得到的结果，并且应用后得到证明在某些情况下是完全可行的。

例如：香港的电车公司总工告诉我他们的轴断裂到剩下30%还能用。

2005 年我在澳门某建筑工地的塔式吊机的上检测齿轮轴，出现第一幅图1所示的一个典型的由周向开始向轴心扩展的疲劳裂纹，两个吊机共有8个同样的齿轮，其中一个已断裂掉落下来，另外7个我用超检测时发现全部有这样周向裂纹(整圈裂纹)。

只是裂纹的深浅程度不同，客户开始时还并不相信我们的检测结果，执意要拆卸一个看看是否真的有裂纹，结果拆开后再用磁粉验证看到整圈是裂纹，客户无话可说。

看到这样结果，我认为作为无损检测能找出裂纹已经完成任务了。

可我的客户头痛了，因为工程不能延误，他告诉我如有过期每天是10万港元的罚款。

问我怎么办?

我告诉他们我不是疲劳失效的专家我是不懂的，我叫他们向原生产厂家查询或者找疲劳失效专家请教。

他告诉我：原生产厂家已倒闭了，专家提出了十几个可能性，却没有一个能用的方法。

看到这种情况我就提出了一个大胆的建议，明知有裂纹的情况下监控使用，每星期一次超声波检测，防止「良性裂纹」扩展超出极限或者变成「恶性裂纹」，再对每个齿轮做个钢罩套住，以防万一断裂时有个罩子接着不会从高空坠下伤人，另外指定二个熟练的有牌(有资格)的驾驶员操作吊机。

最后，原本三个月工程，结果做了半年，却完全没有事，事实证明我的这个概念是可行的。

（图 1）

图1疲劳裂纹纹络呈圆周状，向轴心方向扩展，是良性的，疲劳裂纹扩展速率较慢，瞬断区比例较小，可在一定时间内，监督控制下使用；

（图2）

图2偏心疲劳断裂，沙滩状裂纹明显，疲劳裂纹扩展速率较快，瞬断区比例较大(约占70%)，此类裂纹扩展情况，不可预测，是恶性的。超声波检测发现后，应立即拆除。

另外「恶性」的裂纹就是图2这样的断口形状。

2007 年某日我在超声波检测一个齿轮箱轴时发现有偏心裂纹约1/3周长，马上将报告交给客户，客户转告给制造厂家，这家外国名牌齿轮箱厂家，不相信我们的检测结果，还发出电邮警告我们。

客户问我还能坚持使用2星期吗? 

因为厂家要2星期后才能送条新的轴来更换，而且每天使用两次(两个周期)。

我可不敢答应啊！

货柜码头上的大吊臂，长40米重200吨，在40米的高度，这要是倒下来可不是开玩笑的，其它国家曾发生过倒塌事故的，我有见过动态的录像是非常恐怖的事故。

一星期后客户要求我检再检测一次，检测后吓我一跳，这个「恶性」裂纹快速地扩展了，反过来只剩下1/3周长。

我立即要求他们停止使用和拆卸，拆卸后用磁粉和渗透方法可以清楚看到大大的裂纹。

所以说偏心的裂纹是「恶性」的疲劳裂纹，像癌症一样扩散得很快是不能等的。

当然啦！

我也知道，NDT是检测Testing，不是做分析的Analysis，客户的这种要求完全超出了NDT范畴。

可是在现实的社会经济活动中，如果只是找出问题却不能为客户解决问题是无法得到客户长久关照的，也是无法生存的。

    我们不是疲劳失效分析专家，但是我们可以与他们合作，相互合作互补起来就能做到安全可靠。

有一次我们在为一家公司检测风扇叶片断轴时，我们发现了裂纹，而且是有两个源头的偏心「恶性」裂纹(见图3)。

客户问我还能用多久？我坦白地告诉他我不知道。

他很生气地说那找你们来做检测有什么意义？！

我说，我们只是做检测的不是做疲劳失效分析和寿命评估的。

我问他们明知道有裂纹了为什么不马上更换? 

他们说风扇厂家订货要一年后才能交货。

我们正在争辨时疲劳失效专家出现了，他说对不起我迟到，这个问题等我来解释。

他叫我把之前的断口图片调出来投影在萤幕上(见图3)，然后他指着断口上可见到的疲劳裂纹沙滩纹，一道一道地数着有十几个，他接着说：一道纹路就是一个周期，这里可以看到有十几个周期，您们的风扇一年也才用2、3次，也就是每年2、3个周期，等一年后厂家送货来没问题。

（图 3 有两个源头的疲劳裂纹）

原来是紧急通风用的风扇，只是在隧道出现火灾时启动快速地把隧道里的烟雾吹抽出来，明火很少机会烧死人的，烟雾才是造成大量人员死亡的主要原因。

为了保证风扇紧急使用时安全可靠，所以他们每年都会进行一两次紧急演习。

最后就这样客户满意地接受疲劳失效专家的解释了。

多年后来也证明疲劳失效专家的分析判断是正确的，事实上也应该这样的。

我在香港也是经常与疲劳失效专家合作的。

他们有时候还要靠我们给他提供准确的位置、缺陷的大小(量化)、缺陷的形态、定性(良性和恶性)和数量等等数据，他们才能进行寿命评估呢。

用超声波检测时若发现裂纹是整圈的而且深浅接近的就是「良性」裂纹，若是局部的偏向一则(偏心)的就是「恶性」裂纹。

也只有我们做NDT的人员，通过超声波检测才能判断出什么「良性」什么是「恶性」的疲劳裂纹，其它人是无法看到的。

值得注意的是我所说的「良性」疲劳裂纹并不是真的不会断裂的，只不过是不会很快出现断裂，这样就可以让客户有充裕的时间去准备订购新的零件更换。

我把这个概念向电厂、核电厂、集装箱码头以及地铁推荐得到他们的认同。

因为有些设备在快到达其设计年限准备更换时，如果突然发现裂纹就立即停机更换，打乱了原来的更换计划，会带来重大的经济损失。

但是，如果通过我们的NDT(NDE)检测再配合疲劳失效专家分析评估，就可以保证在安全的情况下运作，直到新设备到达后按原计划再进行更换，为客户赢取了宝贵的时间和金钱，同时我们做NDT(NDE)也会得到客户的认同和赞赏，才能充分体现出NDT检测的价值。

2015年，我在远东无损检测资讯网发帖讨论这个问题时，强天鹏先生对这个话题，也发表了他的一点意见。他的解说比我更精确更清楚！大家请往下看。

《也说裂纹的「良性」和「恶性」》

1.欣赏黄先生提出的问题和他的观点论述。

2.关于疲劳裂纹的「良性」和「恶性」，可以引入结构应力分析「安定」和「不安定」概念; 所谓安定，是指结构经反复加载后，其变形趋于稳定，或者说不再出现渐增的非弹性变形，则认为结构是安定的; 反之，所谓不安定，是指结构会在反复加载卸载中不断产生新的塑性变形，则可能因塑性疲劳或大变形而发生破坏。

3.结构极限分析设计和疲劳设计中有很多关于结构安定的分析，其中最重要判据是：大于结构不安定; 小于等于结构安定。有兴趣者可以查阅有关资料。

4.不是所有裂纹都可怕，有些裂纹是没有危险的。当然，判断哪些裂纹危险，哪些裂纹不危险需要更多的知识和经验。

我在这里给几个最基本的依据：

• 运行过程中产生的裂纹比制造过程中产生的裂纹危险；

• 垂直于应力方向的裂纹比不垂直应力方向的裂纹危险；

• 向深度方向扩展的裂纹比向长度方向扩展的裂纹危险；

• 处于结构应力集中点的裂纹比不在结构点的裂纹危险；

• 交变载荷下的裂纹比静载荷下的裂纹危险。

5.开展“无损检测+缺陷分析+安全评定”，可以丰富无损检测技术内涵，提高无损检测的地位，扩大无损检测市场，增加无损检测人员的收入。对无损检测高级人员进行有关培训是可行的。

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