一起塔式起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接套處裂紋故障的原因分析

陳暢，喻穎，焦少彬，李祖福，黃建良，羅顯良

（1.湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院湘潭分院，湖南 湘潭 411204；2.湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院瀏陽事業(yè)部，湖南 瀏陽 410300；3.湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院常德分院，湖南 常德 415000；4.湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院婁底分院，湖南 婁底 417000）

塔式起重機(jī)（簡(jiǎn)稱塔機(jī)）的塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主要由型鋼拼焊而成，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的焊接質(zhì)量將直接影響到塔式起重機(jī)的安全性和抗傾覆穩(wěn)定性。近年來，由于使用過程中標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接套處產(chǎn)生裂紋，曾經(jīng)發(fā)生過塔式起重機(jī)的傾覆事故，因此，塔式起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)等主要受力結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量及其安全性能應(yīng)當(dāng)引起制造、安裝、使用、檢驗(yàn)等相關(guān)單位的高度重視。

1 問題描述

1.1 設(shè)備情況

設(shè)備名稱：固定自升式塔式起重機(jī)；

設(shè)備型號(hào)：QTZ63（TC5610-6）；

制造單位：長(zhǎng)沙某機(jī)械有限公司；

出廠時(shí)間：2011年8月；

最大幅度：56m；

最大額定起重量：3t；

安裝高度：33.6m；

安裝單位：湖南某建筑機(jī)械租賃有限公司；

使用單位：長(zhǎng)沙某建筑有限公司；

檢測(cè)單位：湖南某檢測(cè)有限公司。

1.2 裂紋描述

該塔式起重機(jī)的安裝完成時(shí)間為2017年12月13日，在2018年2月8日的動(dòng)態(tài)檢查中，發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿連接套處存在裂紋（見圖1），該裂紋與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿呈垂直方向。幸虧?rùn)z測(cè)單位在定期檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)了此處裂紋，要求使用單位立即采取了更換標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的措施，避免了一起因設(shè)備存在隱患而導(dǎo)致的重大安全事故的發(fā)生。

2 原因分析

2.1 裂紋類別的判斷

圖1 某塔式起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接套處發(fā)現(xiàn)的裂紋

連接套用于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)之間的相互連接，連接套處裂紋對(duì)塔式起重機(jī)的安全運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生重大影響，會(huì)導(dǎo)致塔式起重機(jī)不能正常運(yùn)行，甚至引發(fā)塔機(jī)的傾覆事故。從圖1可以看出。

（1）此裂紋出現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿高強(qiáng)度螺栓連接套的焊縫熱影響區(qū)，焊縫及其熱影響區(qū)是最容易產(chǎn)生焊接缺陷（尤其是微裂紋）的地方。

（2）該裂紋與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿的受力方向垂直。

（3）由于分析塔機(jī)工作時(shí)的受力情況得知，塔式起重機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)在工作過程中承受巨大的彎矩。在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿高強(qiáng)度螺栓連接套處，會(huì)長(zhǎng)期承受很大的交變拉、壓應(yīng)力，在交變應(yīng)力的作用下，金屬材料極易產(chǎn)生疲勞裂紋。

分析得知，此裂紋符合疲勞裂紋的基本特征，判斷其是在使用過程中，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接套處焊縫熱影響區(qū)內(nèi)部微缺陷的原因，從而在交變應(yīng)力下擴(kuò)展而來明顯可見的疲勞裂紋。

2.2 裂紋產(chǎn)生原因的分析

2.2.1 設(shè)計(jì)、制造過程

在設(shè)計(jì)、制造過程當(dāng)中，可能導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接套產(chǎn)生缺陷的因素：

（1）設(shè)計(jì)不當(dāng)，連接套布置在應(yīng)力過于集中的位置。

（2）焊接工藝不當(dāng)，焊口處會(huì)產(chǎn)生大量的內(nèi)部缺陷，致使生產(chǎn)出來的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)不符合要求。

（3）焊接過程中，未按照工藝文件（包括人、機(jī)、料、法、環(huán)等方面）施焊，會(huì)導(dǎo)致塔式起重機(jī)連接套的焊接質(zhì)量不符合要求，產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，留下安全隱患。

（4）施焊人員技術(shù)水平不夠。

（5）未按照?qǐng)D紙要求進(jìn)行無損檢測(cè)，內(nèi)部超標(biāo)缺陷未被檢出，不合格品流入使用環(huán)節(jié)。

2.2.2 安裝、使用過程

連接套焊接時(shí)，內(nèi)部的細(xì)微缺陷不可避免（只要無損檢測(cè)時(shí)缺陷不超標(biāo)，就是合格品），但這些細(xì)微缺陷（如裂紋）在塔式起重機(jī)的使用過程中，會(huì)慢慢擴(kuò)展，且利用等級(jí)越高、載荷狀態(tài)越重、使用環(huán)境越惡劣，其擴(kuò)展速度也越快。

在安裝、使用過程中，可能產(chǎn)生導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接套開裂的因素：

（1）超載。由于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接套處長(zhǎng)期承受交變載荷，制造時(shí)留下的細(xì)小表面裂紋或內(nèi)部微缺陷會(huì)隨著時(shí)間的推移慢慢擴(kuò)展，最終形成明顯可見的疲勞裂紋，產(chǎn)生拉裂。超載的情況下，連接套處的交變應(yīng)力明顯大于正常使用的應(yīng)力，致使缺陷的擴(kuò)展速度大大提高，材料劣化和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)報(bào)廢的時(shí)間大大縮短。

值得注意的是，超載不單指吊物質(zhì)量超過了某幅度下規(guī)定的額定起重量，還包括：

①因某高強(qiáng)度螺栓未擰緊，吊運(yùn)時(shí)產(chǎn)生的對(duì)連接套的沖擊力；

②因力矩限制器等安全保護(hù)裝置失效而引起的實(shí)際超載的情況；

③因風(fēng)載荷引起的超載；

④因違反操作規(guī)程越級(jí)換擋、猛烈換向、停車、啟動(dòng)等引發(fā)的超載等。

（2）安裝位置。吊運(yùn)物品時(shí)，不同高度和位置的塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)各處的應(yīng)力也不同。如果有缺陷的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)恰好被安裝在應(yīng)力最大的位置，其缺陷的擴(kuò)展也就會(huì)加快。

（3）環(huán)境溫度。塔式起重機(jī)是在戶外露天使用，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)是其主要的受力結(jié)構(gòu)件，其材質(zhì)一般為Q235或Q345，由金屬材料學(xué)知識(shí)可知，-20℃是該材料的低溫脆性臨界點(diǎn)。如果在此高寒環(huán)境下進(jìn)行頻繁、重負(fù)荷的吊運(yùn)，金屬材料材質(zhì)裂化的速度會(huì)加快。

塔式起重機(jī)在使用過程中，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)要承受塔機(jī)自身的重量，同時(shí)還要承受起吊重物的載荷引起的力矩，如果標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接套的焊縫熱影響區(qū)存在微裂紋或者氣孔等內(nèi)部焊接缺陷，隨著工作循環(huán)次數(shù)的增加，微缺陷會(huì)不斷長(zhǎng)大，萌生裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致材料撕裂。

（4）利用等級(jí)和載荷狀態(tài)。利用等級(jí)越高，應(yīng)力交變的頻率越大；載荷狀態(tài)越重，連接套處應(yīng)力越大。體現(xiàn)在使用過程中，就是裂紋擴(kuò)展的速度越快。

（5）安裝狀況。塔式起重機(jī)的安裝（如塔身垂直度）是否符合要求，直接影響到標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的受力情況，由于安裝問題導(dǎo)致的某處應(yīng)力增大，勢(shì)必會(huì)對(duì)該處的材質(zhì)劣化速度產(chǎn)生影響。

（6）使用單位的安全管理狀況。未定期日常維護(hù)保養(yǎng)，未對(duì)塔式起重機(jī)的主要受力結(jié)構(gòu)件進(jìn)行定期無損檢測(cè)，就不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接套處的細(xì)小裂紋并及時(shí)整改，裂紋持續(xù)擴(kuò)展而導(dǎo)致事故發(fā)生的幾率就會(huì)增大。

3 整改與預(yù)防措施

3.1 整改措施

更換產(chǎn)生裂紋的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)；制定方案，對(duì)該塔機(jī)所有的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接套進(jìn)行100%無損檢測(cè)（一般為滲透檢測(cè)），經(jīng)檢測(cè)合格后方可繼續(xù)使用。

通知制造單位和監(jiān)管部門，對(duì)同廠、同批次產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的連接套進(jìn)行抽樣無損檢測(cè)，如未發(fā)現(xiàn)問題，則說明是個(gè)案；如果發(fā)現(xiàn)問題，則可以認(rèn)為是因制造原因?qū)е碌耐恍匀毕?，制造單位?yīng)查明原因，查明受影響的批次，并制定解決方案。

監(jiān)管部門應(yīng)要求制造單位召回這些不合格批次的產(chǎn)品。

3.2 預(yù)防措施

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接套裂紋，應(yīng)從設(shè)計(jì)、制造、安裝和使用過程管理等方面進(jìn)行預(yù)防，否則，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的問題，都可能成為設(shè)備運(yùn)行中的事故隱患。

（1）設(shè)計(jì)方面

設(shè)計(jì)時(shí)確保連接套的長(zhǎng)度、位置，防止應(yīng)力過于集中，JB/T 5112-1999《塔式起重機(jī) 鋼結(jié)構(gòu)制造與檢驗(yàn)》對(duì)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的連接套的選材和焊接都有著嚴(yán)格的規(guī)定。

①結(jié)構(gòu)件所用鋼材應(yīng)按GB/T 13752《塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定選取，并應(yīng)符合相應(yīng)材料的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和圖樣的要求。

②焊接位置和坡口形狀的設(shè)計(jì)也要符合標(biāo)準(zhǔn)要求。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)設(shè)計(jì)圖上，應(yīng)明確標(biāo)注所有焊縫的位置、形狀、尺寸和相關(guān)的技術(shù)要求。結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)焊縫按其質(zhì)量特性分為關(guān)鍵焊縫、重要焊縫、一般焊縫，并在圖樣上進(jìn)行標(biāo)記。

③碳素結(jié)構(gòu)鋼所用的焊條應(yīng)符合GB/T 5117《非合金鋼及細(xì)晶粒鋼焊條》的規(guī)定，低合金結(jié)構(gòu)鋼所用焊條應(yīng)符合GB/T 5118《低合金鋼焊條》的規(guī)定，并有質(zhì)量合格證明，焊接工藝和焊接性能應(yīng)符合相關(guān)的要求。

（2）制造方面

在制造過程中，為保證標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接套的制造質(zhì)量，應(yīng)做好以下工作：

①嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程，應(yīng)按規(guī)定的工藝施焊，減少焊接變形和焊接殘余應(yīng)力。

②因各型號(hào)塔機(jī)制造所用材質(zhì)各異，對(duì)于圖紙上標(biāo)明需要焊前預(yù)熱、焊后熱處理的工作，在施焊前一般應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱區(qū)應(yīng)在焊縫的兩側(cè)，每側(cè)寬度不應(yīng)小于焊件厚度的2倍且不小于100mm，焊接后應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚恚附託堄鄳?yīng)力。

③對(duì)于關(guān)鍵、重要焊縫的焊接，應(yīng)填寫施焊記錄，并在規(guī)定位置打上焊工鋼印，以便進(jìn)行質(zhì)量追溯。

（3）安裝方面

①標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的連接，多采用抗剪銷軸或高強(qiáng)度螺栓連接。在塔式起重機(jī)安裝或者頂升加節(jié)時(shí)，應(yīng)按《安裝、使用、維護(hù)說明書》中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。在施工前對(duì)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接套和高強(qiáng)度螺栓等進(jìn)行檢查，查看是否有裂紋、變形、磨損或者存在嚴(yán)重的銹蝕。

②在塔身不正（即垂直度＞4h/1000時(shí)）或者標(biāo)準(zhǔn)節(jié)不配套時(shí)，禁止強(qiáng)力安裝，以防人為造成應(yīng)力集中。

（4）使用方面

塔式起重機(jī)作為特種設(shè)備的一種，其安全狀態(tài)是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程。在使用過程中，因?yàn)槭褂铆h(huán)境等多種因素的影響，出現(xiàn)設(shè)備缺陷和危險(xiǎn)因素是常有的現(xiàn)象，因此在使用過程中必須做到：

①勤檢查、勤維護(hù)，發(fā)現(xiàn)事故隱患和不安全因素立即處理。

②加強(qiáng)塔機(jī)的日常使用管理，對(duì)塔式起重機(jī)進(jìn)行經(jīng)常性的維護(hù)保養(yǎng)和定期的自行檢查，尤其是針對(duì)安全保護(hù)裝置和主要受力結(jié)構(gòu)件的檢查。

③作業(yè)人員必須持證上崗，上崗前要進(jìn)行安全教育培訓(xùn)并經(jīng)考試合格，作業(yè)人員養(yǎng)成良好的操作習(xí)慣，操作過程中嚴(yán)禁發(fā)生超載吊運(yùn)、越級(jí)換擋等違章操作行為。

④關(guān)注使用環(huán)境的變化，6級(jí)以上強(qiáng)風(fēng)天氣和高寒天氣下停止作業(yè)，保證塔式起重機(jī)在正常工況下運(yùn)行。

⑤塔機(jī)投用后，應(yīng)制定針對(duì)性的檢查方案，定期對(duì)塔式起重機(jī)的主要受力結(jié)構(gòu)件進(jìn)行檢查和無損檢測(cè)抽查，發(fā)現(xiàn)隱患及時(shí)消除。

⑥確保塔式起重機(jī)起重量限制器、力矩限制器等安全保護(hù)裝置功能有效，防止“非故意”超載對(duì)塔機(jī)金屬結(jié)構(gòu)造成的損傷。

4 結(jié)語

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接套處裂紋會(huì)直接導(dǎo)致塔式起重機(jī)發(fā)生傾翻事故，為預(yù)防塔式起重機(jī)發(fā)生此類事故，必須加強(qiáng)塔式起重機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、安裝和使用過程中的管理，使用單位要采購合格的產(chǎn)品，并且在使用過程中對(duì)塔機(jī)進(jìn)行經(jīng)常性的維護(hù)保養(yǎng)，對(duì)塔式起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接套制定好檢查計(jì)劃和抽檢方案，定期對(duì)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接套處進(jìn)行無損檢測(cè)抽查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)細(xì)微缺陷，分析原因，制定并落實(shí)整改措施，防止缺陷過快擴(kuò)展導(dǎo)致塔式起重機(jī)發(fā)生傾翻事故。