大型游樂設(shè)施金屬構(gòu)件無損探傷案例分析

江西省特種設(shè)備檢驗檢測研究院 黃荔生 陳 穎 胡 誠

■引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及新技術(shù)在游樂設(shè)施的應(yīng)用，大型游樂設(shè)施向體驗感更刺激、運動更復(fù)雜方向發(fā)展。然而一些翻滾、俯沖等驚險動作在給游客帶來歡樂的同時也帶來了安全隱患。截至2019年底，全國注冊登記的大型游樂設(shè)施數(shù)量達到2.49萬臺（不含客運索道），因此如何保障游樂設(shè)施安全運營是制造單位、使用單位、監(jiān)管和檢驗單位等部門關(guān)注的重點。

根據(jù)GB 8408-2018《大型游樂設(shè)施安全規(guī)范》和ZBFGH 39-2002《游樂設(shè)施監(jiān)督檢驗規(guī)程》要求，在大型游樂設(shè)施制造、安裝、使用過程中須對重要部件和重要焊縫進行無損探傷，以此對設(shè)備質(zhì)量進行控制。本文通過介紹磁粉探傷技術(shù)在搖頭飛椅金屬構(gòu)件裂紋檢測上的應(yīng)用，分析了大型游樂設(shè)施金屬構(gòu)件檢測的重要性以及裂紋的形成原因和檢測方法。

■大型游樂設(shè)施金屬構(gòu)件檢測的重要性

大型游樂設(shè)施屬于機電類設(shè)備，如果將電氣元器件等控制系統(tǒng)比作游樂設(shè)施的大腦，金屬結(jié)構(gòu)件就是設(shè)備的骨骼軀體。而金屬構(gòu)件一般以軋制件、焊接件、鍛件和鑄件做坯件，經(jīng)機械加工而成，其主要連接方式為焊接和螺栓連接。在游樂設(shè)施的安裝過程中,嚴格的焊接規(guī)范和熟練的操作技能可以減少缺陷率，但焊縫內(nèi)仍可能存在一些缺陷（氣孔、夾渣、裂紋）。缺陷的存在使得焊接后的金屬在抗壓和抗拉強度方面都大大降低，同時使金屬的致密性降低，容易遭到腐蝕。這些將直接影響結(jié)構(gòu)的承載能力和抗疲勞性能。由于缺陷的存在導(dǎo)致焊縫局部范圍的應(yīng)力達到較大級別，從而當(dāng)結(jié)構(gòu)在承受交變載荷時，這些部位首先出現(xiàn)疲勞裂紋并擴展致使結(jié)構(gòu)破壞。一旦這些關(guān)鍵零部件和重要焊縫發(fā)生結(jié)構(gòu)性、功能性破壞將引發(fā)事故，并造成重大人員傷亡，社會影響極其惡劣。

2006年6月重慶某游樂園內(nèi)一臺觀光類摩天環(huán)車游樂設(shè)施，在運行中平衡臂發(fā)生斷裂，造成一名乘客當(dāng)場死亡，兩名乘客受傷。事故現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，設(shè)備的主臂在接近旋轉(zhuǎn)軸100多mm的母材上發(fā)生斷裂，一個副支撐臂在接近旋轉(zhuǎn)軸3m左右的母材發(fā)生斷裂，這兩個斷口均有舊的穿透性裂紋。2016年2月河南省某廟會上一臺名叫“高空攬月”的游樂設(shè)施，在運行過程中安全壓杠根部焊縫發(fā)生斷裂，致使乘客從高處墜落死亡。

因此，在開展游樂設(shè)施定期檢驗過程中，加強對大型游樂設(shè)施金屬構(gòu)件的檢測，尤其是對重要焊縫和重要銷軸的檢測，是提升游樂設(shè)施安全運行水平的有效手段之一。

■缺陷的形成原因和檢測方法

根據(jù)對現(xiàn)場檢驗情況統(tǒng)計分析，裂紋和氣孔類缺陷屬于常見缺陷。因此，本文著重介紹裂紋和氣孔的形成原因及其檢測方法。

1.缺陷形成原因

（1）裂紋

焊接裂紋是焊接缺陷中危害性最大的一種，裂紋會減少材料的承載面積，造成受力構(gòu)件中該部位應(yīng)力集中。在焊接應(yīng)力及其他致脆因素作用下，焊縫中金屬原子的結(jié)合遭到破壞，形成新的界面而產(chǎn)生的縫隙。

金屬結(jié)構(gòu)材料在交變反復(fù)載荷的作用下，局部高應(yīng)力區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力超過材料的屈服強度，導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋并逐步擴展成疲勞裂紋，最終造成工件斷裂。

（2）氣孔

氣孔缺陷減少了焊縫的有效受力面積，降低了焊接接頭強度。同時，氣孔也容易造成受力構(gòu)件局部應(yīng)力集中，進而發(fā)展成裂紋。

焊縫中產(chǎn)生氣孔的主要原因是由于母材或填充金屬表面有銹、油污等液體，導(dǎo)致這些液體在高溫焊接下分解為氣體，增加了母材和焊接材料中氣體的含量。由于熔池冷卻速度大，不利于氣體的逸出，最終在焊縫中形成氣孔。

搖頭飛椅中的吊環(huán)多為鑄件，鑄件中氣孔產(chǎn)生的主要原因是熔化的金屬在凝固時，熔融狀態(tài)下的金屬中氣體不能及時逸出，進而在金屬表面或內(nèi)部產(chǎn)生氣孔。

2.缺陷檢測方法

在游樂設(shè)施金屬機構(gòu)件檢測中常用的檢測方法有超聲檢測、滲透檢測和磁粉檢測。在鐵磁性構(gòu)件的表面質(zhì)量探傷方法中，磁粉檢測相對于滲透檢測、超聲檢測方法對表面裂紋的檢測靈敏度最高。

根據(jù)GB8408-2018《大型游樂設(shè)施安全規(guī)范》要求鐵磁性材料部件的焊接接頭表面應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用磁粉檢測，而且應(yīng)當(dāng)按照GB/T34370.3的規(guī)定要求，合格級別為I級。

■案例分析

2020年在對一臺名叫“搖頭飛椅”的飛行塔類設(shè)備進行定期檢驗，如圖1（a）所示。它是一款集旋轉(zhuǎn)、升降、變傾角等多種運動為一體的游樂設(shè)施，當(dāng)設(shè)備通電后，塔身在液壓缸頂升作用下慢慢升起，同時在電機的驅(qū)動下傘形轉(zhuǎn)盤搖動，懸掛在轉(zhuǎn)盤桁架上的座椅呈波浪狀運動，坐在座椅上的乘客隨之運轉(zhuǎn)，設(shè)備主要結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。設(shè)備正常運轉(zhuǎn)主要分為兩部分完成：底座支架、電機和液壓系統(tǒng)等構(gòu)成設(shè)備驅(qū)動部分，其安全性能直接影響設(shè)備的升降、旋轉(zhuǎn)運行的質(zhì)量；座椅、懸掛裝置以及桁架構(gòu)成懸掛系統(tǒng)，其安全可靠性直接影響乘客的安全。因此，大多數(shù)“搖頭飛椅”生產(chǎn)廠家要求使用單位每年須對設(shè)備的底座焊縫、電機底座與塔身連接處焊縫、桁架根部焊縫、懸掛座椅的吊耳板焊縫和銷軸、座椅焊縫等主要受力部件進行無損探傷。

圖1 設(shè)備情況

現(xiàn)場檢驗人員根據(jù)設(shè)備運行特點以及廠家探傷目錄表對設(shè)備圓形吊環(huán)、桁架根部焊縫、卸扣、座椅骨架焊縫、吊掛板焊縫等主要受力部件（部位）進行無損探傷。由于該設(shè)備中的圓形吊環(huán)、桁架以及卸扣制造材料均為鐵磁性材料，現(xiàn)場檢驗人員對檢測件須進行磁粉探傷。探傷結(jié)果表明該臺設(shè)備的主要受力部件中焊縫和結(jié)構(gòu)件等處存在裂紋等缺陷，如圖2所示。根據(jù)GB/T34370.3-2017中磁粉檢測質(zhì)量評分級要求，磁粉檢測不可接受的缺陷包括裂紋、緊固件和軸類部件的橫向缺陷顯示。同時，在對焊接接頭進行磁粉探傷時，線性缺陷磁痕長度不大于1.5mm，機加工部件不允許存在線性缺陷磁痕。案例中的吊環(huán)、卸扣和桁架等重要部件質(zhì)量評定為不合格。

圖2 磁粉探傷結(jié)果圖

圖2（a）所示缺陷為圓形吊環(huán)焊縫處裂紋，造成裂紋的原因可能是焊接工藝水平的問題。該圓形吊環(huán)屬于乘客座艙懸掛系統(tǒng)與轉(zhuǎn)盤桁架的連接件。圖2（b）所示缺陷為卸扣表面裂紋，該卸扣屬于吊掛板與圓形吊環(huán)的連接件。卸扣屬于批量鑄件產(chǎn)品，現(xiàn)場8件卸扣檢驗件均在表面發(fā)現(xiàn)多處裂紋。因此，卸扣表面裂紋產(chǎn)生的原因很有可能是鑄造工藝不規(guī)范導(dǎo)致。

上述圓形吊環(huán)和卸扣均屬于受力部件，在受到交變載荷和外部環(huán)境的作用下裂紋延伸率將快速增長，導(dǎo)致乘客座艙懸掛系統(tǒng)失效的隱患加大。同時根據(jù)大型游樂設(shè)施監(jiān)督檢驗規(guī)程和GB 8408-2018《大型游樂設(shè)施安全規(guī)范》，對該臺設(shè)備判定為不合格。

■結(jié)束語

大型游樂設(shè)施既是一種用于經(jīng)營的娛樂設(shè)備，又是一種潛在風(fēng)險大的特種設(shè)備。根據(jù)以往的事故案例以及現(xiàn)場檢驗結(jié)果，游樂設(shè)施中金屬結(jié)構(gòu)件因制造水平和后期使用管理問題易產(chǎn)生裂紋缺陷。因此，作為檢驗機構(gòu)在對游樂設(shè)施進行定期檢驗時，須加強對金屬結(jié)構(gòu)件中的重要焊縫以及其他重要受力部位的質(zhì)量檢驗，更應(yīng)加大無損探傷技術(shù)在游樂設(shè)施檢驗中的應(yīng)用。