一起定柱式旋臂起重機事故案例分析

李 博 邱 郡 梁 驍 黃文和

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一起定柱式旋臂起重機事故案例分析

李 博 邱 郡 梁 驍 黃文和

（上海市特種設備監督檢驗技術研究院 上海 200333）

摘 要：通過對事故現場勘查，檢驗測試了失效部件的焊接狀況，驗證計算了焊縫強度，分析了斷口及焊縫微觀組織的狀態，多維度展開事故調查分析并獲得結論。

關鍵詞：定柱式 旋臂起重機 事故分析 焊縫 強度

1 事故情況概述

2014年，某市石材有限公司生產車間內，一臺1t定柱式旋臂起重機在吊運一片大理石板材過程中，起重機懸臂梁從立柱上脫落后墜落地面，砸中其下方一名操作該起重機的作業人員致其死亡。

2 設備基本情況

該定柱式旋臂起重機在事故中解體，實物樣式及基本結構見圖1，該事故起重機主要結構由立柱和懸臂梁構成，懸臂梁依靠上、下回轉組件繞立柱回轉，起升機構為帶有小車行走機構的鋼絲繩電動葫蘆，鋼絲繩電動葫蘆可沿懸臂梁工字鋼下緣水平運行。其額定起重量為1t，起升機構為鋼絲繩電動葫蘆、手電門控制，回轉機構為人力驅動。據查，該起重機未經法定監督檢驗，制造單位及相關設備出廠信息不詳。

圖1　與事故起重機同型的柱式旋臂式起重機

3 事故現場勘查情況

根據現場勘查，事故發生后，起重機懸臂梁與立柱分離，立柱仍保持直立狀態，懸臂梁墜落地面（見圖2），電動葫蘆置于懸臂梁端部。地面散落碎裂的石板并遺留血跡（見圖3）。

圖2　起重機懸臂梁與立柱分離　圖3 事故中的人員傷害和物損

該起重機立柱頂部留有回轉立軸，直徑約106mm，軸上端約20mm高處可見上下兩道殘余焊接斷口（見圖4）。懸臂梁與立柱連接的上、下回轉組件均伴隨懸臂梁共同墜落地面。其中，上回轉組件在懸臂梁回轉端留有上、下兩片法蘭，法蘭之間采用四根螺栓連接，螺栓連接未失效（見圖5）。下回轉組件為兩個角對稱布置的繞立柱回轉的滾輪，未見損壞和異常（見圖6）。上回轉組件結構示意圖如圖7所示。上回轉組件中的下法蘭中心孔頂面可見連續周向（環形）手工焊縫斷口（見圖8），其背面可見間斷分布的點焊斷口（見圖9），兩道焊縫斷口與立柱回轉立軸上焊縫斷口（見圖4）對應。

圖4　回轉立軸上兩道殘余焊接斷口

圖5　上回轉組件兩片法蘭

圖6　下回轉組件兩個滾輪

圖7　上回轉組件結構示意圖

圖8　下法蘭頂面連續焊縫

圖9　下法蘭背面圓周點焊

4 焊接狀況測試和分析

選取下法蘭并對其連接焊縫進行失效分析可知：

1）由宏觀及金相分析可見，連接盤與立柱軸焊縫區的有效厚度很窄，約在2.2mm～4.2mm之間，會影響立柱與連接盤件的結合強度。

2）由宏觀及微觀組織分析可見，焊縫區存在焊接缺陷：未熔合、夾渣等，尤其局部與支撐軸間的焊縫熔合區出現硬化相（見圖10），熔合區組織中硬化相區域與相鄰的塑性合金相區域的界面，則會由于兩者之間的塑性差異較大，而在外加載荷和內在應力集中的雙重影響下萌生裂紋，最終會影響焊縫區的有效強韌性。

圖10　法蘭后半孔斜向裂紋區法向截面低倍下組織分布形貌（圖b為圖a中裂面組織放大圖）

3）由裂面的宏觀及微觀分析可知，焊縫的開裂主要為過載性開裂（見圖11），斷口呈現以脆性解理為主，同時伴隨有少量韌窩特征的復合形貌，同時需要指出的是，并不排除斷裂前在后半孔區有局部先期開裂的可能（見圖12）。

圖11　法蘭孔內壁及焊縫開裂形貌

圖12　法蘭孔后半孔開裂斷口微觀形貌

4）由連接盤軸孔內壁表面形貌還可推斷：連接盤的孔與立柱軸之間的配合為非緊密配合（見圖7），會對焊縫造成附加力矩，增加誘發焊縫開裂的幾率。

5 焊縫強度驗證計算

5.1法蘭內孔環形角焊縫靜強度計算

對起重機懸臂梁隔離體進行受力分析，示意圖如圖13所示。圖13中：

式中：

Q——掛鉤端靜拉力（折算）；

M額——起重機額定載荷；

M梁——懸臂梁自重；

M葫蘆——電動葫蘆自重。

根據結構模型力矩平衡及相關力矩長度尺寸，可計算圖13中水平力T=80000N。

根據結構模型靜力平衡條件，可得P=T，N=Q。

法蘭內孔環形角焊縫同時承受軸向力N和切向力P的作用，N和P各自對環形角焊縫產生相對應方向

式中：

he——焊縫有效厚度，根據前文焊接狀況測試和分析情況，取最小值2.2mm（焊縫最薄處）；

lw——焊縫計算長度，取lw=πd，d為法蘭內孔直徑106mm。

在軸向力N和切向力P共同作用下的焊縫合成應力σf（計算值）為：

式中：

取正面角焊縫強度增大系數βf=1.0。

圖13　懸臂梁隔離體受力分析示意圖

5.2焊縫強度計算驗證

通常情況下，用E43系列焊條對Q235鋼進行手工焊，焊接強度設計允許值wff為170MPa。根據上文焊縫合成應力σf（計算值）的計算結果，同時考慮到該焊縫多處存在未熔合、夾渣和硬化異相等嚴重焊接缺陷及部分先期開裂，因而事故發生前，焊接強度實際允許值fw實難以達到理論值=170MPa，且σf（計算值）與存在較大差距。另一方面，由于法蘭軸孔配合間隙以及下回轉組件支撐滾輪存在的絕對誤差所引起的附加彎矩作用，在懸臂梁滿載的服役過程中，焊縫截面的實際載荷應力σ實應大于計算合成應力σf（計算值）。故綜合考慮這兩方面因素，驗證可證明焊縫因強度不足發生過載破壞。

6 事故原因分析

綜合現場勘查、焊縫檢測和焊縫強度驗證計算結果，法蘭內孔環形角焊縫存在未熔合、夾渣、焊縫金相組織存在馬氏體等脆性組織成分等諸多缺陷，加上法蘭軸孔配合間隙以及下回轉組件支撐滾輪形位公差引起的附加彎矩影響，法蘭內孔環形角焊縫因強度不足發生過載破壞。當法蘭內孔環形角焊縫發生過載破壞以后，法蘭與中心轉軸之間的連接只剩下20mm配合長度、性質為松配合的軸孔配合，再無其它止脫裝置阻止法蘭從中心轉軸上滑脫，從而導致懸臂梁墜落。

7 事故結論

本起事故的發生與法蘭內孔圓周角焊縫撕裂破壞有關，造成懸臂梁墜落，致使作業人員被砸。就事故起重機而言，橫梁和立柱之間連接屬于兩大結構件之間最重要的連接，一般可設計為螺栓連接或者焊縫連接。

設計因素和施工因素在本起事故中為主要因素，包括：

1）焊接接頭的角焊縫焊接質量存在嚴重缺陷，焊縫存在未熔合、夾渣、焊縫金相組織存在馬氏體等脆性組織成分。

2）焊接接頭本身設計存在缺陷，焊接接頭沒有加工焊接坡口，角焊縫焊腳尺寸偏小，焊縫強度安全儲備不足。

3）法蘭與中心轉軸之間的連接形式選擇不合理，一般應選擇螺栓連接或軸銷連接，不宜選擇焊接連接。

另一方面，使用單位在起重機首次年檢到期后，未按國家相關規定及時申報檢驗，致使設備進入無證使用狀態，對起重設備的日常檢查和維護保養幾乎未實施，導致設備存在的安全隱患累積暴發，對事故發生具有不可推卸的責任。

參考文獻

［1］ 中華人民共和國特種設備安全法［Z］.

［2］ 特種設備事故報告和調查處理規定（第115號）［Z］.

［3］ 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.特種設備事故調查處理導則［M］.北京：新華出版社，2010：1-11.

Accident Analysis of a Column-typed Slewing Jib Crane

Li Bo Qiu Jun Liang Xiao Huang Wenhe
(Shanghai Institute of Special Equipment Inspection and Technical Research Shanghai 200333 )

AbstractWith investigation of the accident scence， the paper tests the failure parts welding condition， verifes the weld strength calculation, analysises the state of fracture and weld microstructure. The accident case investigation analysis is conducted from multiple dimensions to get the conclusion.

KeywordsColumn-typed Slewing crane Accident analysis Weld Intensity

中圖分類號：X941

文獻標識碼：B

文章編號：1673-257X（2016）04-0077-04

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.04.014

作者簡介：李博（1986～），男，博士，工程師，從事特種設備安全技術與結構完整研究工作。

收稿日期：（2015-12-04）