一起塔機主卷揚鋼絲繩破斷事件引發的思考

彭旭東

在建筑施工現場,偶有塔機主卷揚鋼絲繩破斷引起的吊鉤墜落事件。吊鉤墜落會形成人員傷害或財產損失的嚴重后果,應高度重視并積極預防。現分析一起因鋼絲繩破斷引起的吊鉤墜落事件(注:沒有發生嚴重后果)。

事件發生在上午剛上班的時間,司機操縱起重機(QTZ5013型塔式起重機)從汽車上吊起鋼筋,在下降過程中鋼絲繩破斷,鋼筋和吊鉤同時墜落在地面上。當時使用的滑輪組為二倍率,鋼絲繩型號為6×19-FC-14-1570,鋼筋重量2.5 t,鋼絲繩從距端頭80 m處破斷。

從設備檔案得知,鋼絲繩使用近9個月;查閱交接班、班前和每月設備安全檢查的記錄,沒有反映鋼絲繩的問題。檢查滑輪機構,沒有發現鋼絲繩跳槽后留下的磨痕,各滑輪運轉靈活,滑輪槽磨損均勻、沒有異常情況,滑輪組上的防脫繩裝置良好。觀察鋼絲繩的破斷部位,斷頭的鋼絲按股呈射線散開,破斷的每股鋼絲不在鋼絲繩的同一截面上,每股中的斷絲也不在同一截面,鋼絲斷頭呈尖狀,所有斷頭分布在50cm的長度范圍。觀察鋼絲繩沒有散開的部位,整根表面被油覆蓋;清除表面的油脂,表層鋼絲有明顯的均勻磨損,磨損量達到其直徑的40%或更多,同時發現一些鋼絲在磨損最薄弱處有斷絲,斷頭緊貼在每股鋼絲里。

通過以上檢查,可以認定發生破斷的原因是這根鋼絲繩出現磨損和疲勞。設計規范中6×19-14-1470型鋼絲繩的最小破斷拉力為9.5 t左右,使用時鋼絲繩的拉力應為1.35×(重物+吊鉤)/倍率+通過阻力,小于2.5 t,實際荷載遠小于破斷拉力的情況下出現破斷只能說明,鋼絲繩磨損和疲勞后的承載能力已極速降低。按安全規范的檢驗要求,破斷前鋼絲繩已處于報廢狀態,所以這起事件可推斷為對鋼絲繩的檢查不仔細,不安全狀態的使用所引起的。

現代建筑工程中施工計劃大多為立體、多工種、多作業面同時施工的工作模式。塔機在一項工程每階段的每天施工中,幾乎是不停地運轉,各工程階段間的停用時間也很短,使用頻率較高,平均每天的工作時間達到14 h(源至設備的運轉記錄的統計)。在房屋建筑工程施工中,塔機吊裝物件多為鋼筋、鋼管、模板等周轉材料,重量在1 t左右,較重的是2 t的混凝土輸送泵,最重的是卸載成捆的鋼筋。

起重機械的工作級別是根據單位時間的工作頻度和滿載率兩個指標決定的,起重機各工作機構的工作級別有差異,整機的工作級別是按最高工作級別的機構確定的。統計資料表明起升機構在塔機的使用中頻率最高,所以整機的工作級別是按起升機構的工作級別確定的。選配主卷揚鋼絲繩,首要依據是起升機構的工作級別,據此確定鋼絲繩的安全系數,最后確定鋼絲繩的型號、規格。式(1)和表1是鋼絲繩直徑計算與安全系數的對應關系。

其中,d為鋼絲繩最小直徑,mm;s為鋼絲繩最大靜拉力,N;c為選擇系數,mm/N1/2。

表1 鋼絲繩工作級別與安全系數對應關系表

起重機的工作級別在產品說明書或機構的標牌上有所標示,實際上通過廠家提供的鋼絲繩型號和起重性能表,按式(1)和表1可以大致推算出鋼絲繩的安全系數和塔機的工作級別。以該塔機型號為例,由起重性能表可知,二倍率時鋼絲的靜載荷為1.5 t,直徑為14,則選擇系數有:

則塔機的工作級別應為M7,鋼絲繩的安全系數為7。

鋼絲繩的選配中還有一項重要指標,即鋼絲繩抗疲勞韌性指標。設計規范中把鋼絲繩的韌性分為Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ三個級別,Ⅰ級的用于一般用途鋼絲繩(捆綁),Ⅱ級的用于重要用途(起重機械),Ⅲ級的用于特殊用途,如載人電梯等。同時規范中表明,相同直徑、抗拉強度且級別不相同的鋼絲繩鋼絲,它們的抗扭轉能力有顯著差異,級別高的鋼絲的扭轉次數明顯多于級別低的扭轉次數;鋼絲繩的韌性指標體現在鋼絲繩的具體結構上,相同強度不同直徑的鋼絲,其彎扭次數差別較大,直徑大的明顯低于直徑小的。一般塔式起重機械大多要求使用Ⅱ級多股或多絲鋼絲繩。從鋼絲繩與滑輪的接觸面來看,同直徑、強度的多股繩與滑輪的接觸面積相對(與股少絲少比較)較大,其磨損應當緩慢些。塔機選用多股繩,除了提高其使用的安全裕度外,從制造角度看,還能滿足高塔施工時防止鋼絲繩扭轉的要求。

起重機鋼絲繩在經過滑輪時,鋼絲受到拉、壓、彎、扭、摩擦等各種力的作用。實驗證明,鋼絲繩工作過程中,在相同荷載下,彎曲次數越少,使用壽命越長。塔機滑輪系的結構和工況決定了其主卷揚鋼絲繩在使用時將會受到滑輪高頻次的彎曲。以該塔機型號為例,鋼絲繩經過的滑輪最少 6個,最多時8個,也就是一次起升作業,工作段的鋼絲繩就要受到16次彎曲,設以塔機1 h 2個工作循環計算,鋼絲繩每月彎曲26880次。因此起重機鋼絲繩設計和選用時都注重鋼絲繩韌性要求,在安全規程中也強調使用廠家規定的同型鋼絲繩應是基于這方面的考慮。由此可以得出結論,兩型鋼絲繩壽命上的差異還源于抗疲勞指標上的不同。

鋼絲繩的破斷位置存在隨機性,但一個總的趨勢,就是彎曲最多的繩段部位,破斷的機率較大。塔機使用過程中,鋼絲繩的工作段逐漸加長,整根鋼絲繩中,各段部位的磨損、疲勞程度不相同,前面的大于后面。

鋼絲繩的選用通常應按廠家提供的規格和型號或與其功能相同的鋼絲繩。

鋼絲繩的直徑應與起重機的滑輪相適應,特別是使用過的起重機,不能用直徑大的鋼絲繩代替原直徑小的鋼絲繩,否則會引起鋼絲繩的異常磨損。

鋼絲繩的采購關鍵的是選擇提供合格產品的供應商或生產廠家。有的時候,供應商提供的合格品證明文件與產品的實際品質不相符。曾檢查到一根早期損壞的多股鋼絲繩,整根鋼絲繩大面積脫落出2mm～3mm長的斷絲情形。我們還發現過新塔機鋼絲繩使用不到2個月,其多股繩直徑變小,繩芯損壞的情形或外層鋼絲繩松弛。這應當是產品質量的問題。

安裝環節包括新鋼絲繩的安裝和塔機拆卸、轉場的安裝。這個環節稍有不慎,就會造成鋼絲繩的機械損傷(如打結、擠壓、打折等)和污染。在鋼絲繩的穿繩過程中,容易出現鋼絲繩打結或表層鋼絲掛斷的情形。如滾筒牽引的配合不當,通過滑輪的鋼絲繩就容易打結;在放繩過程中,人工牽引與滾筒放繩速度配合不當,瞬間會造成滾筒亂繩,輕則鋼絲繩變形,重則嚴重斷股,因此滾筒放繩需專人監視。鋼絲繩受到污染(如粘上砂、泥等),砂泥與潤滑脂在經過滑輪的過程中,會形成優良的研磨膏,引起鋼絲繩的早期磨損。

維護保養環節涉及滑輪組的保養維修和鋼絲繩的清潔潤滑兩方面工作。首先是滑輪必須轉動靈活,因此需要對滑輪軸承進行及時的保養潤滑;滑輪組中,均有防脫繩裝置,這些裝置在拆裝塔機過程中,如受到損壞應即時恢復,否則可能出現鋼絲繩的跳槽;更換滑輪時,滑輪直徑應是鋼絲繩直徑的30倍～40倍,直徑小會引起鋼絲繩的早期疲勞;定期清理鋼絲繩表面的污物,能夠減少鋼絲繩的磨損,同時對鋼絲繩進行仔細檢查;鋼絲繩的潤滑包括對表層鋼絲的潤滑和里層繩芯的浸潤,加熱的符合鋼絲繩潤滑油品質要求的油脂能夠滿足其內外潤滑要求。

使用環節包括對塔機的正確指揮、操作和及時檢查兩方面工作。吊鉤發生著地(或落在作業平臺)可能引起鋼絲繩打結或掛傷,內力較大的粗鋼絲繩會使鋼絲繩無法回位;當著地時間稍長,由于塔機起升滾筒上沒有壓繩器,滾筒上的鋼絲繩立刻出現亂繩;當脫繩裝置失效時還可能引起跳槽。高塔施工或夜間作業時,現場指揮疏忽或上下交流不清或對講機串話或操作人員精力不集中等,可能出現吊鉤著地。打結是鋼絲繩容易出現的現象。打結使鋼絲繩內應力嚴重失衡,致使該部位鋼絲較早疲勞。在鋼絲繩早期損耗中,打結所占的比例最大,報廢鋼絲繩的檢查過程中,打結過的鋼絲繩在斷絲、斷股部位都會留下打結后過度彎曲的痕跡。跳槽后沒有及時糾正并使用塔機,會迅速導致鋼絲磨損報廢。安全規程要求,操作人員每班作業前應對鋼絲繩進行檢查,操作中發現異常情況應立即停機向主管領導報告。操作人員只有認真履行檢查職責同時掌握鋼絲繩報廢知識,方能防止本案例中的突發事件。

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