扶梯桁架開裂失效分析

張 杰 吳繼權(quán)

（深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院 深圳 518029）

2017年5月14日，江西省某自動(dòng)扶梯安裝工地現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)扶梯桁架的下層方管出現(xiàn)開裂。扶梯桁架是自動(dòng)扶梯的基礎(chǔ)構(gòu)件，由用槽鋼和角鋼焊接而成，起著連接建筑物兩個(gè)不同高度地面、承載各種載荷及安裝支撐所有零部件的作用[1-2]。按國標(biāo)GB 16899—2011 《自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的制造與安裝安全規(guī)范》[3]的要求，在每平方米5000N的載荷作用下，扶梯桁架的彎曲形變不應(yīng)超過桁架跨距的千分之一。顯然，若該桁架在使用過程中，出現(xiàn)開裂，后果不堪設(shè)想。因此，采取果斷措施，立即停止安裝該扶梯桁架。為查明失效件開裂原因，避免類似失效情況再次發(fā)生，筆者對(duì)失效件進(jìn)行失效分析。

1 失效件簡介

該扶梯桁架由電梯制造單位于2017年5月13日從廣東運(yùn)往江西工地安裝現(xiàn)場(chǎng)。扶梯桁架質(zhì)量2.5t，整體設(shè)計(jì)壽命40年。開裂部件為扶梯桁架下層方管。方管標(biāo)稱材質(zhì)為Q235B。開裂具體位置為桁架下層方管與角鋼連接處（如圖1所示）。

圖1 方管開裂位置示意圖(示意圖中的紅色線條為開裂位置)

該扶梯桁架生產(chǎn)工序?yàn)椋?）開料；2）焊接；3）矯正，其中在桁架直線度矯正階段，采用的是火焰矯正，其原理是通過金屬的熱脹冷縮原理產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力來控制變形[4-5]；4）噴漆。

2 宏觀檢查

2.1 失效件宏觀檢查

方管與角鋼通過焊縫連接，方管與角鋼表面均噴有一層淺色油漆，方管靠近裂紋部位外表面顏色較深，呈黑色（見圖2）。由于方管是通過焊割截取，焊割時(shí)溫度較高，因此將靠近裂紋部位方管外表面烘烤成黑色。

圖2 失效件外觀形貌

2.2 裂紋宏觀檢查

裂紋在方管相鄰兩個(gè)面上呈弧形連續(xù)分布（見圖3、圖4），在拐角位置縫隙最大，縫隙向著裂紋兩端逐漸減小，裂紋長度約為143mm。

圖3 方管裂紋形貌

圖4 方管裂紋形貌

2.3 斷口宏觀檢查

通過切割機(jī)將方管裂紋周圍多余部分切去，并利用外力將方管裂紋打開，形成兩個(gè)斷口（見圖5）。考慮到兩個(gè)斷口形貌類似，故選取其中一只斷口進(jìn)行宏觀檢查。由于方管在相鄰兩面均有開裂，因此該方管斷口有兩個(gè)方向，通過拐角連接。拐角一側(cè)斷口較大，表面存有紅褐色鐵銹，該側(cè)斷口上有“人字紋”特征，“人字紋”的收縮方向指向拐角（見圖5）。拐角另一側(cè)斷口較小，斷口表面呈黑色（失效件在火焰切割過程中，受到高溫影響），該側(cè)斷口具有“人字紋”特征，“人字紋”的收縮方向指向拐角。通常裂紋的擴(kuò)展方向?yàn)椤叭俗旨y”的放射方向；“人字紋”的收縮方向則指向起裂源[6]。因此斷口宏觀檢查表明，方管的起裂源應(yīng)位于方管拐角處（裂紋擴(kuò)展示意圖可見圖6標(biāo)注）。

圖5 裂紋打開后方管斷口照

圖6 方管斷口形貌

2.4 體式顯微鏡檢查

斷口的起裂源位于拐角，拐角的內(nèi)側(cè)實(shí)為方管90°夾角，該處位置為應(yīng)力集中區(qū)域。將斷口拿到體式顯微鏡下進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)斷口附近的方管內(nèi)90°夾角處有1條直線裂紋存在（見圖7）。將其余切掉的方管試樣置于體式顯微鏡下觀察與斷口附近處于同一側(cè)的90°夾角。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在剩余試樣中該側(cè)90°夾角位置存在3條直線裂紋。

圖7 體式顯微鏡下斷口拐角處形貌

3 理化檢驗(yàn)

3.1 方管化學(xué)成分分析

在方管上截取光譜試樣，經(jīng)打磨后，采用臺(tái)式直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表1。方管化學(xué)成分光譜分析結(jié)果符合GB/T 700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》[7]對(duì)Q235B的技術(shù)要求。

表1 方管化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

3.2 方管力學(xué)性能分析

在方管上截取兩個(gè)縱向拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表2。方管試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果符合GB/T 700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》[7]對(duì)Q235B的技術(shù)要求。

表2 方管拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3.3 方管金相組織分析

1) 方管母材金相組織分析。

在方管母材上截取橫截面試樣，經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光后，用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行浸蝕，試樣金相組織見圖8。從圖8中可知，方管母材金相組織為鐵素體+珠光體；組織無異常。

圖8 母材金相組織200X

2) 方管焊縫及熱影響區(qū)組織分析。

在方管斷口起裂源附近焊縫區(qū)及熱影響區(qū)分別截取橫截面試樣，經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光后，用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行浸蝕，焊縫區(qū)域及熱影響區(qū)金相組織分別見圖9及10圖。從圖中可知，焊縫區(qū)域組織為結(jié)晶態(tài)組織；熱影響區(qū)組織較為細(xì)小。焊縫區(qū)域及熱影響區(qū)金相組織無異常。

圖9 焊縫金相組織200X

圖10 熱影響區(qū)金相組織200X

3) 方管90°夾角處直線裂紋金相組織分析。

在方管90°夾角處的4條直線裂紋中心位置截取橫截面試樣，經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光后，用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行浸蝕。裂紋橫截面處金相組織見圖11，圖11中可見裂紋由方管外部向方管內(nèi)部沿著帶狀組織擴(kuò)展，其組織為鐵素體+珠光體，組織無異常。

圖11 裂紋橫截面處金相組織100X

4 方管斷口分析

截取方管斷口試樣置于掃描電子顯微鏡下進(jìn)行觀察。

4.1 起裂源處斷口分析

方管斷口上起裂源區(qū)形貌見圖12及圖13。在低倍下，發(fā)現(xiàn)方管90°夾角處直線裂紋一端延伸至斷口起裂源，并在拐角處出現(xiàn)與直線裂紋相垂直的1條裂紋；在高倍下，起裂源表面有大片覆蓋物存在。

圖12 起裂源形貌（低倍）

圖13 起裂源形貌（高倍）

對(duì)起裂源處覆蓋物成分進(jìn)行能譜檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見圖14。從圖14中可知起裂源處覆蓋物成分較為復(fù)雜，其中包括Fe的氧化物及包含了Ca、Na、Mg、Al等元素的物質(zhì)。

圖14 起裂源處覆蓋物能譜分析結(jié)果

將斷口經(jīng)清洗、干燥后，置于掃描電子顯微鏡下的形貌見圖15。從圖15中可知，起裂源處的真實(shí)形貌為扇形解理形貌。

圖15 起裂源形貌

4.2 擴(kuò)展區(qū)斷口分析

方管斷口上擴(kuò)展區(qū)形貌見圖16。從圖16中可知，擴(kuò)展區(qū)形貌為解理形貌；在擴(kuò)展區(qū)上有少量團(tuán)聚狀覆蓋物存在。

圖16 擴(kuò)展區(qū)形貌

對(duì)擴(kuò)展區(qū)處覆蓋物成分進(jìn)行能譜檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見圖17。從圖17中可知，方管斷口擴(kuò)展區(qū)上覆蓋物的主成分為Fe的氧化物。

圖17 擴(kuò)展區(qū)覆蓋物能譜分析結(jié)果

4.3 方管表面油漆成分分析

對(duì)方管表面油漆成分進(jìn)行能譜檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見圖18。從圖18中可知，油漆的成分較為復(fù)雜，其中存在的主要金屬元素涉及Ca、Ti、Mg、Na。將油漆成分與斷口起裂源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)覆蓋物成分進(jìn)行對(duì)比，從而表明斷口起裂源處有油漆成分存在，進(jìn)而說明方管在刷漆前已發(fā)生開裂。

圖18 方管表面噴漆層能譜分析結(jié)果

5 綜合分析

根據(jù)材料的化學(xué)成分分析和拉伸試驗(yàn)結(jié)果，表明方管化學(xué)成分與力學(xué)性能符合GB/T 700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》[7]對(duì)Q235B的技術(shù)要求。方管母材及熱影響區(qū)的金相組織為鐵素體+珠光體，焊縫金相組織為結(jié)晶態(tài)組織，組織無異常。通過體式顯微鏡對(duì)方管內(nèi)90°夾角處進(jìn)行宏觀檢查，結(jié)果顯示，方管內(nèi)90°夾角處存有多條直線裂紋，從而表明方管存在質(zhì)量缺陷。

通過對(duì)方管斷口宏觀檢查分析可知，方管斷口起裂源應(yīng)位于方管拐角處，該處為方管的應(yīng)力集中區(qū)域[8]；在方管斷口附近有直線裂紋存在，結(jié)合該條裂紋橫截面金相可知，該條裂紋由方管外部向方管內(nèi)部延伸，該裂紋的存在加深該位置的應(yīng)力集中。利用掃描電子顯微鏡對(duì)方管斷口進(jìn)行微觀觀察可知，方管拐角處斷口存在裂紋，該裂紋與方管90°夾角處直線裂紋（宏觀檢查中發(fā)現(xiàn)的直線裂紋）相連接，從而表明方管的真實(shí)起裂源位于方管90°夾角上直線裂紋一端；方管斷口起裂源處有較多覆蓋物，導(dǎo)致起裂源處真實(shí)形貌無法識(shí)別，方管斷口擴(kuò)展區(qū)表面覆蓋物較少，可見其真實(shí)形貌，為解理形貌，從而表明方管開裂分兩次進(jìn)行。

利用能譜分別對(duì)方管斷口起裂源及擴(kuò)展區(qū)上覆蓋物、方管表面油漆進(jìn)行檢測(cè)可知，擴(kuò)展區(qū)覆蓋物主要成分以Fe的氧化物為主；起裂源處覆蓋物成分較為復(fù)雜，其中包括Fe的氧化物及存有Ca、Na、Mg、Al等元素的物質(zhì)；油漆的成分涉及的主要元素為Ca、Ti、Mg、Na。從而表明起裂源上部分覆蓋物為油漆，并說明方管在刷漆前有裂紋產(chǎn)生。從而印證方管開裂分兩次進(jìn)行，其中第一次在噴漆之前，第二次在噴漆之后。

將方管斷口清洗、干燥后再次置于掃描電子顯微鏡下進(jìn)行觀察，結(jié)果可知，方管斷口起裂源的形貌為扇形解理形貌，該形貌為大應(yīng)力下一次性開裂的形貌特征；方管斷口擴(kuò)展區(qū)形貌為解理形貌，該形貌為大應(yīng)力下快速擴(kuò)展形貌。

綜合以上分析可知：扶梯桁架在噴漆之前，由于焊接產(chǎn)生的熱應(yīng)力與矯正過程中產(chǎn)生的變形應(yīng)力疊加在一起或焊接產(chǎn)生的熱應(yīng)力過大導(dǎo)致方管內(nèi)90°夾角處的裂紋向方管內(nèi)部擴(kuò)展，方管起裂；扶梯桁架在存放、運(yùn)輸、起吊等過程中，由于碰撞會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變形應(yīng)力，這些應(yīng)力疊加起來，造成方管二次開裂。

6 結(jié)束語

通過本次失效分析可知，造成扶梯桁架開裂主要存在兩個(gè)因素，并且兩個(gè)因素缺一不可。首先，制造桁架所用的方管自身存在缺陷；第二，扶梯桁架在制造過程中產(chǎn)生的應(yīng)力過大。因此，為避免類似情況再次發(fā)生。優(yōu)先得把握好原材料的質(zhì)量關(guān)，嚴(yán)禁使用質(zhì)量不過關(guān)的材料。在GB/T 17505—2016《鋼及鋼產(chǎn)品 交貨一般技術(shù)要求》[9]的7.4項(xiàng)中對(duì)鋼及鋼產(chǎn)品表面質(zhì)量和內(nèi)部要求提出一定要求，即“所有產(chǎn)品都應(yīng)有良好的質(zhì)量”，同時(shí)指出“如果在正常的生產(chǎn)狀態(tài)下產(chǎn)生的輕微的表面和內(nèi)部缺陷，不應(yīng)作為拒收的理由”。雖然該標(biāo)準(zhǔn)未明確指出輕微缺陷的具體特征，但對(duì)缺陷的檢測(cè)提出可采用X射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)等手段。若在交貨期間發(fā)現(xiàn)缺陷：缺陷認(rèn)為輕微的，就可在桁架制造過程中避免在該缺陷位置附近進(jìn)行焊接；不然缺陷認(rèn)為較重的，就可直接更換原材。但無論鋼產(chǎn)品供貨方，還是鋼產(chǎn)品購買方都未在雙方交貨期間及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷。故對(duì)于最后問題的產(chǎn)生都有不可推卸的責(zé)任。再次，在扶梯桁架制造過程中，應(yīng)對(duì)其全過程進(jìn)行控制，并分別在焊接處理及變形矯正處理后進(jìn)行無損探傷，從而保證制造過程中的金屬構(gòu)件質(zhì)量。

[1]張書，杜相鋒，夏龍軍. 自動(dòng)扶梯桁架焊接變形控制與火焰矯正措施[J]. 機(jī)械制造，2014，52（05）：62-64.

[2]吳戰(zhàn)國，李洪雷，王升超. 自動(dòng)扶梯桁架焊接變形分析與控制糾正[J]. 中國工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2011,9(03）：337-341.

[3]GB 16899—2011 自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的制造與安裝安全規(guī)范[S].

[4]朱兆華，黃菊花，張庭芳，等. 火焰矯正方法在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J]. 焊接技術(shù)，2009，38（05）：63-66.

[5]羅輝，霍玉雙，張琦，等. T形結(jié)構(gòu)焊接彎曲變形火焰矯正工藝分析[J]. 焊接技術(shù)，2010，39（04）：22-24.

[6]張棟，鐘道培，陶春虎，等. 失效分析[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2004：92.

[7]GB/T 700—2006 碳素結(jié)構(gòu)鋼[S].

[8]鄭子明. 應(yīng)力集中導(dǎo)致鋼板零件失效的問題分析[J]. 汽車工藝與材料，2017（10）：32-35.

[9]GB/T 17505—2016 鋼及鋼產(chǎn)品 交貨一般技術(shù)要求[S].