一起塔式起重機標準節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.湖南省特種設備檢驗檢測研究院湘潭分院，湖南 湘潭 411204；2.湖南省特種設備檢驗檢測研究院瀏陽事業部，湖南 瀏陽 410300；3.湖南省特種設備檢驗檢測研究院常德分院，湖南 常德 415000；4.湖南省特種設備檢驗檢測研究院婁底分院，湖南 婁底 417000）

塔式起重機（簡稱塔機）的塔身標準節主要由型鋼拼焊而成，標準節的焊接質量將直接影響到塔式起重機的安全性和抗傾覆穩定性。近年來，由于使用過程中標準節連接套處產生裂紋，曾經發生過塔式起重機的傾覆事故，因此，塔式起重機標準節等主要受力結構件的質量及其安全性能應當引起制造、安裝、使用、檢驗等相關單位的高度重視。

1 問題描述

1.1 設備情況

設備名稱：固定自升式塔式起重機；

設備型號：QTZ63（TC5610-6）；

制造單位：長沙某機械有限公司；

出廠時間：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：湖南某建筑機械租賃有限公司；

使用單位：長沙某建筑有限公司；

檢測單位：湖南某檢測有限公司。

1.2 裂紋描述

該塔式起重機的安裝完成時間為2017年12月13日，在2018年2月8日的動態檢查中，發現其中一個標準節主弦桿連接套處存在裂紋（見圖1），該裂紋與標準節主弦桿呈垂直方向。幸虧檢測單位在定期檢查時發現了此處裂紋，要求使用單位立即采取了更換標準節的措施，避免了一起因設備存在隱患而導致的重大安全事故的發生。

2 原因分析

2.1 裂紋類別的判斷

圖1 某塔式起重機標準節連接套處發現的裂紋

連接套用于標準節之間的相互連接，連接套處裂紋對塔式起重機的安全運行會產生重大影響，會導致塔式起重機不能正常運行，甚至引發塔機的傾覆事故。從圖1可以看出。

（1）此裂紋出現在標準節主弦桿高強度螺栓連接套的焊縫熱影響區，焊縫及其熱影響區是最容易產生焊接缺陷（尤其是微裂紋）的地方。

（2）該裂紋與標準節主弦桿的受力方向垂直。

（3）由于分析塔機工作時的受力情況得知，塔式起重機的標準節在工作過程中承受巨大的彎矩。在標準節主弦桿高強度螺栓連接套處，會長期承受很大的交變拉、壓應力，在交變應力的作用下，金屬材料極易產生疲勞裂紋。

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，標準節連接套處焊縫熱影響區內部微缺陷的原因，從而在交變應力下擴展而來明顯可見的疲勞裂紋。

2.2 裂紋產生原因的分析

2.2.1 設計、制造過程

在設計、制造過程當中，可能導致標準節連接套產生缺陷的因素：

（1）設計不當，連接套布置在應力過于集中的位置。

（2）焊接工藝不當，焊口處會產生大量的內部缺陷，致使生產出來的標準節不符合要求。

（3）焊接過程中，未按照工藝文件（包括人、機、料、法、環等方面）施焊，會導致塔式起重機連接套的焊接質量不符合要求，產生焊接殘余應力，留下安全隱患。

（4）施焊人員技術水平不夠。

（5）未按照圖紙要求進行無損檢測，內部超標缺陷未被檢出，不合格品流入使用環節。

2.2.2 安裝、使用過程

連接套焊接時，內部的細微缺陷不可避免（只要無損檢測時缺陷不超標，就是合格品），但這些細微缺陷（如裂紋）在塔式起重機的使用過程中，會慢慢擴展，且利用等級越高、載荷狀態越重、使用環境越惡劣，其擴展速度也越快。

在安裝、使用過程中，可能產生導致標準節連接套開裂的因素：

（1）超載。由于標準節連接套處長期承受交變載荷，制造時留下的細小表面裂紋或內部微缺陷會隨著時間的推移慢慢擴展，最終形成明顯可見的疲勞裂紋，產生拉裂。超載的情況下，連接套處的交變應力明顯大于正常使用的應力，致使缺陷的擴展速度大大提高，材料劣化和標準節報廢的時間大大縮短。

值得注意的是，超載不單指吊物質量超過了某幅度下規定的額定起重量，還包括：

①因某高強度螺栓未擰緊，吊運時產生的對連接套的沖擊力；

②因力矩限制器等安全保護裝置失效而引起的實際超載的情況；

③因風載荷引起的超載；

④因違反操作規程越級換擋、猛烈換向、停車、啟動等引發的超載等。

（2）安裝位置。吊運物品時，不同高度和位置的塔身標準節各處的應力也不同。如果有缺陷的標準節恰好被安裝在應力最大的位置，其缺陷的擴展也就會加快。

（3）環境溫度。塔式起重機是在戶外露天使用，標準節是其主要的受力結構件，其材質一般為Q235或Q345，由金屬材料學知識可知，-20℃是該材料的低溫脆性臨界點。如果在此高寒環境下進行頻繁、重負荷的吊運，金屬材料材質裂化的速度會加快。

塔式起重機在使用過程中，標準節要承受塔機自身的重量，同時還要承受起吊重物的載荷引起的力矩，如果標準節連接套的焊縫熱影響區存在微裂紋或者氣孔等內部焊接缺陷，隨著工作循環次數的增加，微缺陷會不斷長大，萌生裂紋，裂紋不斷擴展，最終導致材料撕裂。

（4）利用等級和載荷狀態。利用等級越高，應力交變的頻率越大；載荷狀態越重，連接套處應力越大。體現在使用過程中，就是裂紋擴展的速度越快。

（5）安裝狀況。塔式起重機的安裝（如塔身垂直度）是否符合要求，直接影響到標準節的受力情況，由于安裝問題導致的某處應力增大，勢必會對該處的材質劣化速度產生影響。

（6）使用單位的安全管理狀況。未定期日常維護保養，未對塔式起重機的主要受力結構件進行定期無損檢測，就不能及時發現標準節連接套處的細小裂紋并及時整改，裂紋持續擴展而導致事故發生的幾率就會增大。

3 整改與預防措施

3.1 整改措施

更換產生裂紋的標準節；制定方案，對該塔機所有的標準節連接套進行100%無損檢測（一般為滲透檢測），經檢測合格后方可繼續使用。

通知制造單位和監管部門，對同廠、同批次產品標準節的連接套進行抽樣無損檢測，如未發現問題，則說明是個案；如果發現問題，則可以認為是因制造原因導致的同一性缺陷，制造單位應查明原因，查明受影響的批次，并制定解決方案。

監管部門應要求制造單位召回這些不合格批次的產品。

3.2 預防措施

標準節連接套裂紋，應從設計、制造、安裝和使用過程管理等方面進行預防，否則，任何一個環節的問題，都可能成為設備運行中的事故隱患。

（1）設計方面

設計時確保連接套的長度、位置，防止應力過于集中，JB/T 5112-1999《塔式起重機 鋼結構制造與檢驗》對標準節的連接套的選材和焊接都有著嚴格的規定。

①結構件所用鋼材應按GB/T 13752《塔式起重機設計規范》的規定選取，并應符合相應材料的國家標準和圖樣的要求。

②焊接位置和坡口形狀的設計也要符合標準要求。標準節設計圖上，應明確標注所有焊縫的位置、形狀、尺寸和相關的技術要求。結構件設計時，應對焊縫按其質量特性分為關鍵焊縫、重要焊縫、一般焊縫，并在圖樣上進行標記。

③碳素結構鋼所用的焊條應符合GB/T 5117《非合金鋼及細晶粒鋼焊條》的規定，低合金結構鋼所用焊條應符合GB/T 5118《低合金鋼焊條》的規定，并有質量合格證明，焊接工藝和焊接性能應符合相關的要求。

（2）制造方面

在制造過程中，為保證標準節連接套的制造質量，應做好以下工作：

①嚴格執行焊接工藝規程，應按規定的工藝施焊，減少焊接變形和焊接殘余應力。

②因各型號塔機制造所用材質各異，對于圖紙上標明需要焊前預熱、焊后熱處理的工作，在施焊前一般應進行預熱，預熱區應在焊縫的兩側，每側寬度不應小于焊件厚度的2倍且不小于100mm，焊接后應進行適當的熱處理，消除焊接殘余應力。

③對于關鍵、重要焊縫的焊接，應填寫施焊記錄，并在規定位置打上焊工鋼印，以便進行質量追溯。

（3）安裝方面

①標準節的連接，多采用抗剪銷軸或高強度螺栓連接。在塔式起重機安裝或者頂升加節時，應按《安裝、使用、維護說明書》中的相關規定進行。在施工前對標準節連接套和高強度螺栓等進行檢查，查看是否有裂紋、變形、磨損或者存在嚴重的銹蝕。

②在塔身不正（即垂直度＞4h/1000時）或者標準節不配套時，禁止強力安裝，以防人為造成應力集中。

（4）使用方面

塔式起重機作為特種設備的一種，其安全狀態是一個動態變化的過程。在使用過程中，因為使用環境等多種因素的影響，出現設備缺陷和危險因素是常有的現象，因此在使用過程中必須做到：

①勤檢查、勤維護，發現事故隱患和不安全因素立即處理。

②加強塔機的日常使用管理，對塔式起重機進行經常性的維護保養和定期的自行檢查，尤其是針對安全保護裝置和主要受力結構件的檢查。

③作業人員必須持證上崗，上崗前要進行安全教育培訓并經考試合格，作業人員養成良好的操作習慣，操作過程中嚴禁發生超載吊運、越級換擋等違章操作行為。

④關注使用環境的變化，6級以上強風天氣和高寒天氣下停止作業，保證塔式起重機在正常工況下運行。

⑤塔機投用后，應制定針對性的檢查方案，定期對塔式起重機的主要受力結構件進行檢查和無損檢測抽查，發現隱患及時消除。

⑥確保塔式起重機起重量限制器、力矩限制器等安全保護裝置功能有效，防止“非故意”超載對塔機金屬結構造成的損傷。

4 結語

標準節連接套處裂紋會直接導致塔式起重機發生傾翻事故，為預防塔式起重機發生此類事故，必須加強塔式起重機的設計、制造、安裝和使用過程中的管理，使用單位要采購合格的產品，并且在使用過程中對塔機進行經常性的維護保養，對塔式起重機標準節連接套制定好檢查計劃和抽檢方案，定期對標準節連接套處進行無損檢測抽查，及時發現細微缺陷，分析原因，制定并落實整改措施，防止缺陷過快擴展導致塔式起重機發生傾翻事故。