在用游乐设施检测分析质量控制

管文涛 曲涛安 张博 李佩 吴艳青

(陕西天源检测有限公司 西安 710054)

0 引言

大型游乐设施整体结构主要由钢板电焊连接和销轴连接，钢板常用碳素钢Q235B；销轴常用45#钢和40Cr 等材质，一般以锻件和铸件作坯件经机械加工制成。游乐设施种类繁多，结构及运动型式各种各样，规格大小相差悬殊，外观造型各有不同，各个游乐设备制造厂水平也有差异，导致游乐设施在运行过程中或多或少存在着安全隐患，结构连接一旦失效，后果不堪设想。为确保游乐设施的安全运行, 国家把游乐设施纳入了特种设备行列，也颁布了一系列法规和标准对游乐设施的设计、制造、安装、运行、检验和维保等各个环节进行了严格要求。游乐设施的安全主要在于焊缝和销轴的质量，销轴及焊缝的质量主要依靠无损检测技术。在游乐设施的制造、安装和检验过程中，无论是企业的自检，还是检验机构的检验，无损检测都是必不可少的手段而得到广泛应用。依靠无损检测技术提前发现问题，解决问题，消除安全隐患，对游乐设施行业的发展起到十分关键的作用。

1 在用游乐设施产生的主要缺陷

在用设备轴类零件，使用过程中主要产生周向裂纹，而周向缺陷对销轴的影响较大，裂纹的产生主要存在以下几种可能：

(1)原材料进厂时，生产厂家为了减少成本，没有专业检测人员进行无损检测或只进行目测，从而造成潜在危险的存在。例如某设备销轴磁粉检测时发现纵向裂纹,如图1；某设备销轴在进行超声波内部缺陷检测时，发现超标缺陷解剖后为内部分层，如图2。

图1 销轴纵向裂纹

图2 销轴内部分层

(2)销轴材料本身的影响。在设备生产使用中，厂家只考虑销轴使用时的磨损，为了消除磨损常采用生铁材质。而生铁确实增强了销轴的强度使其耐磨，但也增大了销轴的脆性，致使销轴很容易受力断裂。

(3)未按照标准要求合理设计。例如2006年10月15日山西大同“飞毯”左后部旋转大臂的中心轴断裂，原因是轴在出厂时，未按标准进行轴肩倒圆角的加工，在长时间交变应力作用下，轴肩根部发生疲劳，局部产生裂纹。由于此轴在设备内部不易拆卸，无法及时检测到裂纹产生，导致裂面不断扩大直至完全断裂[1]。

实际检测过程中周向裂纹的检出率受销轴外形尺寸、裂纹深度大小的影响，超声检出率较低，主要进行磁粉检测。然而游乐设施的重要销轴有的不易拆卸(拆装后要重新磨合，很容易损伤销轴)从而无法进行表面磁粉检测；有的销轴由于结构复杂以及几何形状的影响，也会造成一定程度的漏检。

游乐设备焊缝在使用中产生的缺陷主要是纵向应力腐蚀裂纹，而纵向裂纹对设备安全的影响很大。纵向裂纹的产生，主要存在以下几种可能：

(1)生产厂家设计存在问题，致使设备某一部位应力产生较大集中。例如某地过山车的轮桥某处焊缝，每年检测时都会在特定的位置发现裂纹，如图3所示。

图3 过山车轮桥焊缝裂纹

(2)焊接时未能严格按照焊接工艺进行，致使焊缝中存在气孔、夹杂物等，从而导致使用过程中裂纹的产生。这方面的原因主要是游乐设备制造厂在生产过程中,往往不重视焊接内部质量的控制。另外由于游乐设施构件复杂，不能进行超声或射线检测，磁粉或渗透又不能检测焊缝内部缺陷，从而造成内部缺陷的漏检，造成很大的安全隐患。例如图4所示焊接过程中产生的夹渣，使用过程中产生图5所示的裂纹；例如图6所示焊接过程中产生的未焊透，使用过程中产生图7所示的裂纹。

图4 裂纹深挖后的夹渣

图5 原始裂纹(产生夹渣)

图6 裂纹深挖后的未焊透

图7 原始裂纹(未焊透)

实际检测过程中对裂纹的检出率受焊缝表面漆层的影响，检测时一定要打磨光洁，磁粉对纵向裂纹的检测率很高。因此，游乐设施检测对铁磁性材料优先采用磁粉检测；渗透主要针对不锈钢结构，在游乐设施检测方面用处较少。然而游乐设施的重要焊缝大部分是角焊缝，打磨困难，很容易造成死角漏检或检测灵敏度降低。

2 在用游乐设施产生缺陷的原因分析

根据多年的工作经验，游乐设施在用设备缺陷的产生，主要是因为设计和材料的选用不合理[2]。

游乐设施的设计应根据具体的结构做相应的设计计算，包括静强度计算、疲劳强度计算、刚度计算、稳定性计算、抗倾覆计算、防侧滑计算等[3]。而与无损检测有关的只考虑应力计算、疲劳强度计算。

游乐设施零部件及焊缝的设计应进行应力计算,确保其安全系数满足表1规定要求。

表1 安全系数n规定要求

零部件及焊缝的安全系数：

式中，σb为材料的极限应力；σmax为需用安全应力；[n]为需用安全系数。

游乐设施的Ⅰ级、Ⅱ级应进行疲劳强度的校核，轴的许用疲劳强度安全系数应满足表2要求。

表2 轴的许用疲劳强度安全系数

当循环载荷的最大计算应力小于材料的疲劳极限时，零部件为无限寿命；当循环载荷的最大计算应力大于材料的疲劳极限时，用疲劳载荷谱计算零部件使用寿命[2]。

游乐设施在设计时，由于考虑不周，也会给游乐设备的使用造成致命的伤害，例如2010年6月29日广东深圳东部华侨城“太空迷航”坍塌致多名游客伤亡事故；2013年3月22日贵州贵阳市黔灵山公园“摩天环车”大臂折断事故。在检测中也发现某些设备设计不合理造成的潜在隐患，如某地在用过山车，运行3 a后，检测时发现6个车架钢板全部开裂，如图8所示。

图8 某过山车车架钢板开裂

游乐设施材料的选用也至关重要，应根据结构的重要性、载荷特征、结构形式、应力特征、连接方法和工作环境等因素综合考虑。例如2006年6月24日重庆市游乐园“星际飞车”平衡臂断裂致游客死亡事故，一个重要的原因就是槽钢材质硅含量超标。还有就是对材料疲劳特性了解不清，超期服役，盲目延期等因素,也往往会使设备在运行过程中，在关键部位产生疲劳裂纹。如某设备的立柱筋板，在运行了6 a后，在检测时两个受力面共16条筋板焊缝，有10条发现裂纹。某地自控飞机在服役10 a(使用寿命8 a,延期4 a)后,8个大臂7个都存在不同程度的裂纹。

3 游乐设施质量控制的建议

游乐设施的安全非常重要，而制造时的质量控制是非常有效的手段。而游乐设施制造时主要从以下几方面控制质量：

(1)优化设计，尽量减少现场施焊，避免应力大量集中。某些重要的受交变应力的部位，应尽可能避开焊缝。例如狂呼二级臂的岛弧设计，自旋滑车轮架的改进，就巧妙的避免了应力的集中，如图9所示。

(a)自旋滑车轮架改进前

采用焊接件代替铸造件，从根源上解决材料上的安全隐患。对于承受交变载荷的重要轴类零件，轴肩的过渡圆角必须按相关标准设计；对不易拆卸且承受交变载荷的重要轴类零件，制造厂家必须按照无限寿命设计。

(2)严格执行质量保证体系，配备与生产相适应的专业技术人员，增加必要的投入，引进高精度、自动化的生产设备，提升制造手段。对于焊接质量，要严格按照焊接工艺进行，焊接必须由持证焊工进行，坚决制止无证操作。要注重焊接内部缺陷的控制，尽量减少焊接过程中缺陷的产生。例如用CO2保护焊代替传统的手工焊，或者采用更先进的自动焊接设备。

(3)把握好原材料的进场验收。《大型游乐设施技安全规程》(GB/T 8408—2018)中规定：原材料进场必须经检验部门检验合格后方可入库或投入使用，重要的材料要有质量证明文件，必要时还应进行力学性能与理化检验。重要的焊缝在进入下一道工序前应经检验合格方可继续加工。涉及到人身安全的重要轴、重要焊缝应进行无损检测，合格后方可投入使用[2]。

4 结语

游乐设施的安全事关制造单位、使用单位、监管单位的利益，也关系着社会的和谐与稳定。制造单位要严格控制每一道工序，按照设计要求进行生产；使用单位要定期检测，及时保养；监管单位也要对每台设备定期检查，特别对于超期服役、延期设备更应该严格管理。只有政府、企业、公民各司其职,才能真正做到确保安全。