一起塔式起重机标准节连接套处裂纹故障的原因分析

陈畅，喻颖，焦少彬，李祖福，黄建良，罗显良

（1.湖南省特种设备检验检测研究院湘潭分院，湖南 湘潭 411204；2.湖南省特种设备检验检测研究院浏阳事业部，湖南 浏阳 410300；3.湖南省特种设备检验检测研究院常德分院，湖南 常德 415000；4.湖南省特种设备检验检测研究院娄底分院，湖南 娄底 417000）

塔式起重机（简称塔机）的塔身标准节主要由型钢拼焊而成，标准节的焊接质量将直接影响到塔式起重机的安全性和抗倾覆稳定性。近年来，由于使用过程中标准节连接套处产生裂纹，曾经发生过塔式起重机的倾覆事故，因此，塔式起重机标准节等主要受力结构件的质量及其安全性能应当引起制造、安装、使用、检验等相关单位的高度重视。

1 问题描述

1.1 设备情况

设备名称：固定自升式塔式起重机；

设备型号：QTZ63（TC5610-6）；

制造单位：长沙某机械有限公司；

出厂时间：2011年8月；

最大幅度：56m；

最大额定起重量：3t；

安装高度：33.6m；

安装单位：湖南某建筑机械租赁有限公司；

使用单位：长沙某建筑有限公司；

检测单位：湖南某检测有限公司。

1.2 裂纹描述

该塔式起重机的安装完成时间为2017年12月13日，在2018年2月8日的动态检查中，发现其中一个标准节主弦杆连接套处存在裂纹（见图1），该裂纹与标准节主弦杆呈垂直方向。幸亏检测单位在定期检查时发现了此处裂纹，要求使用单位立即采取了更换标准节的措施，避免了一起因设备存在隐患而导致的重大安全事故的发生。

2 原因分析

2.1 裂纹类别的判断

图1 某塔式起重机标准节连接套处发现的裂纹

连接套用于标准节之间的相互连接，连接套处裂纹对塔式起重机的安全运行会产生重大影响，会导致塔式起重机不能正常运行，甚至引发塔机的倾覆事故。从图1可以看出。

（1）此裂纹出现在标准节主弦杆高强度螺栓连接套的焊缝热影响区，焊缝及其热影响区是最容易产生焊接缺陷（尤其是微裂纹）的地方。

（2）该裂纹与标准节主弦杆的受力方向垂直。

（3）由于分析塔机工作时的受力情况得知，塔式起重机的标准节在工作过程中承受巨大的弯矩。在标准节主弦杆高强度螺栓连接套处，会长期承受很大的交变拉、压应力，在交变应力的作用下，金属材料极易产生疲劳裂纹。

分析得知，此裂纹符合疲劳裂纹的基本特征，判断其是在使用过程中，标准节连接套处焊缝热影响区内部微缺陷的原因，从而在交变应力下扩展而来明显可见的疲劳裂纹。

2.2 裂纹产生原因的分析

2.2.1 设计、制造过程

在设计、制造过程当中，可能导致标准节连接套产生缺陷的因素：

（1）设计不当，连接套布置在应力过于集中的位置。

（2）焊接工艺不当，焊口处会产生大量的内部缺陷，致使生产出来的标准节不符合要求。

（3）焊接过程中，未按照工艺文件（包括人、机、料、法、环等方面）施焊，会导致塔式起重机连接套的焊接质量不符合要求，产生焊接残余应力，留下安全隐患。

（4）施焊人员技术水平不够。

（5）未按照图纸要求进行无损检测，内部超标缺陷未被检出，不合格品流入使用环节。

2.2.2 安装、使用过程

连接套焊接时，内部的细微缺陷不可避免（只要无损检测时缺陷不超标，就是合格品），但这些细微缺陷（如裂纹）在塔式起重机的使用过程中，会慢慢扩展，且利用等级越高、载荷状态越重、使用环境越恶劣，其扩展速度也越快。

在安装、使用过程中，可能产生导致标准节连接套开裂的因素：

（1）超载。由于标准节连接套处长期承受交变载荷，制造时留下的细小表面裂纹或内部微缺陷会随着时间的推移慢慢扩展，最终形成明显可见的疲劳裂纹，产生拉裂。超载的情况下，连接套处的交变应力明显大于正常使用的应力，致使缺陷的扩展速度大大提高，材料劣化和标准节报废的时间大大缩短。

值得注意的是，超载不单指吊物质量超过了某幅度下规定的额定起重量，还包括：

①因某高强度螺栓未拧紧，吊运时产生的对连接套的冲击力；

②因力矩限制器等安全保护装置失效而引起的实际超载的情况；

③因风载荷引起的超载；

④因违反操作规程越级换挡、猛烈换向、停车、启动等引发的超载等。

（2）安装位置。吊运物品时，不同高度和位置的塔身标准节各处的应力也不同。如果有缺陷的标准节恰好被安装在应力最大的位置，其缺陷的扩展也就会加快。

（3）环境温度。塔式起重机是在户外露天使用，标准节是其主要的受力结构件，其材质一般为Q235或Q345，由金属材料学知识可知，-20℃是该材料的低温脆性临界点。如果在此高寒环境下进行频繁、重负荷的吊运，金属材料材质裂化的速度会加快。

塔式起重机在使用过程中，标准节要承受塔机自身的重量，同时还要承受起吊重物的载荷引起的力矩，如果标准节连接套的焊缝热影响区存在微裂纹或者气孔等内部焊接缺陷，随着工作循环次数的增加，微缺陷会不断长大，萌生裂纹，裂纹不断扩展，最终导致材料撕裂。

（4）利用等级和载荷状态。利用等级越高，应力交变的频率越大；载荷状态越重，连接套处应力越大。体现在使用过程中，就是裂纹扩展的速度越快。

（5）安装状况。塔式起重机的安装（如塔身垂直度）是否符合要求，直接影响到标准节的受力情况，由于安装问题导致的某处应力增大，势必会对该处的材质劣化速度产生影响。

（6）使用单位的安全管理状况。未定期日常维护保养，未对塔式起重机的主要受力结构件进行定期无损检测，就不能及时发现标准节连接套处的细小裂纹并及时整改，裂纹持续扩展而导致事故发生的几率就会增大。

3 整改与预防措施

3.1 整改措施

更换产生裂纹的标准节；制定方案，对该塔机所有的标准节连接套进行100%无损检测（一般为渗透检测），经检测合格后方可继续使用。

通知制造单位和监管部门，对同厂、同批次产品标准节的连接套进行抽样无损检测，如未发现问题，则说明是个案；如果发现问题，则可以认为是因制造原因导致的同一性缺陷，制造单位应查明原因，查明受影响的批次，并制定解决方案。

监管部门应要求制造单位召回这些不合格批次的产品。

3.2 预防措施

标准节连接套裂纹，应从设计、制造、安装和使用过程管理等方面进行预防，否则，任何一个环节的问题，都可能成为设备运行中的事故隐患。

（1）设计方面

设计时确保连接套的长度、位置，防止应力过于集中，JB/T 5112-1999《塔式起重机 钢结构制造与检验》对标准节的连接套的选材和焊接都有着严格的规定。

①结构件所用钢材应按GB/T 13752《塔式起重机设计规范》的规定选取，并应符合相应材料的国家标准和图样的要求。

②焊接位置和坡口形状的设计也要符合标准要求。标准节设计图上，应明确标注所有焊缝的位置、形状、尺寸和相关的技术要求。结构件设计时，应对焊缝按其质量特性分为关键焊缝、重要焊缝、一般焊缝，并在图样上进行标记。

③碳素结构钢所用的焊条应符合GB/T 5117《非合金钢及细晶粒钢焊条》的规定，低合金结构钢所用焊条应符合GB/T 5118《低合金钢焊条》的规定，并有质量合格证明，焊接工艺和焊接性能应符合相关的要求。

（2）制造方面

在制造过程中，为保证标准节连接套的制造质量，应做好以下工作：

①严格执行焊接工艺规程，应按规定的工艺施焊，减少焊接变形和焊接残余应力。

②因各型号塔机制造所用材质各异，对于图纸上标明需要焊前预热、焊后热处理的工作，在施焊前一般应进行预热，预热区应在焊缝的两侧，每侧宽度不应小于焊件厚度的2倍且不小于100mm，焊接后应进行适当的热处理，消除焊接残余应力。

③对于关键、重要焊缝的焊接，应填写施焊记录，并在规定位置打上焊工钢印，以便进行质量追溯。

（3）安装方面

①标准节的连接，多采用抗剪销轴或高强度螺栓连接。在塔式起重机安装或者顶升加节时，应按《安装、使用、维护说明书》中的相关规定进行。在施工前对标准节连接套和高强度螺栓等进行检查，查看是否有裂纹、变形、磨损或者存在严重的锈蚀。

②在塔身不正（即垂直度＞4h/1000时）或者标准节不配套时，禁止强力安装，以防人为造成应力集中。

（4）使用方面

塔式起重机作为特种设备的一种，其安全状态是一个动态变化的过程。在使用过程中，因为使用环境等多种因素的影响，出现设备缺陷和危险因素是常有的现象，因此在使用过程中必须做到：

①勤检查、勤维护，发现事故隐患和不安全因素立即处理。

②加强塔机的日常使用管理，对塔式起重机进行经常性的维护保养和定期的自行检查，尤其是针对安全保护装置和主要受力结构件的检查。

③作业人员必须持证上岗，上岗前要进行安全教育培训并经考试合格，作业人员养成良好的操作习惯，操作过程中严禁发生超载吊运、越级换挡等违章操作行为。

④关注使用环境的变化，6级以上强风天气和高寒天气下停止作业，保证塔式起重机在正常工况下运行。

⑤塔机投用后，应制定针对性的检查方案，定期对塔式起重机的主要受力结构件进行检查和无损检测抽查，发现隐患及时消除。

⑥确保塔式起重机起重量限制器、力矩限制器等安全保护装置功能有效，防止“非故意”超载对塔机金属结构造成的损伤。

4 结语

标准节连接套处裂纹会直接导致塔式起重机发生倾翻事故，为预防塔式起重机发生此类事故，必须加强塔式起重机的设计、制造、安装和使用过程中的管理，使用单位要采购合格的产品，并且在使用过程中对塔机进行经常性的维护保养，对塔式起重机标准节连接套制定好检查计划和抽检方案，定期对标准节连接套处进行无损检测抽查，及时发现细微缺陷，分析原因，制定并落实整改措施，防止缺陷过快扩展导致塔式起重机发生倾翻事故。