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重视塔式起重机钢结构的早期疲劳破坏
2009-03-09 15:33:02
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重视塔式起重机钢结构的早期疲劳破坏
近两年来，塔机在使用中出现了一种危险的迹象，值得我们高度重视，就是越来越频繁的发现使用了3-5年的塔机钢结构上出现了疲劳裂纹，我们称为早期疲劳或低周疲劳，仅笔者接触到的实例就已有多起，有的被及时发现了，采取了修补加强或报废更换措施，也有少数没有被发现，而导致机毁人亡的重大事故。据了解市场上不同企业的塔机都发现这种现象，而以前却极少出现此类现象，主要原因何在？如何预防？笔者为此进行了一些分析探讨，以供塔机制造、使用和监管人员参考。
一、疲劳裂纹出现的部位及破坏形式
需要说明的是，之所以认定本文所述的裂纹为“疲劳裂纹”主要基于两点，一是这些破坏材料经化学分析和机械性能实验均符合要求，不存在超标的杂质和脆性等情况；二是裂纹外观和该部位的受力特征符合疲劳破坏的机理（本文将阐述）。
从收集的实例看，疲劳裂纹产生的部位大多位于塔顶的上、下端部和塔身的根部，均为主弦杆材料上出现横断面裂纹，很少发现其它部位出现类似疲劳裂纹。
二、疲劳裂纹产生的机理
多台塔机为何都在上述几个部位出现疲劳裂纹，其它部位则很少出现，我们进行了相关分析：从一些专业文献上（见附注）我们可以了解到，金属材料的疲劳破坏与以下三种因素有关：
1、与材料的载荷量有很大关系：
图一为金属材料疲劳曲线图，也称为S-N曲线图，横坐标N为发生疲劳破坏时的应力循环次数，纵坐标S为该循环次数，N为对应下的材料应力值，由此图可见，当材料承受的交变载荷值超过额定值时，达到疲劳破坏的应力循环次数就相应减少，载荷值超过额定越多，应力循环次数就越少。
图一
2、与交变载荷的类型有较大关系：
典型的交变载荷主要有两种：一种是随时间变化，载荷应力在正值和负值之间（如拉伸和压缩）变化且正负值大小相等，称之为对称循环变应力（如图二所示），
图二
另一种是随时间变化，载荷应力在最大值和零之间变化，最大应力值不变（如图三），称之脉动循环变应力，而在该两种循环变应力情况下，材料的疲劳曲线图是不同的（如图四），可以看出，在同样的载荷应力值条件下，达到疲劳破坏时对称循环变应力所需的循环次数比脉动循环变应力少得多，也就是承受对称循环应力的构件将更早发生疲劳破坏。
图三
图四
3.与零部件外部特征关系较大：
理论和实践证明，零部件的截面突变处、钢性突变处等，存在应力集中的部件，以及表面有缺口、粗糙的部件，很容易发生疲劳破坏。
从上述疲劳破坏理论来分析，就可以基本上了解塔机结构件疲劳裂纹产生的机理。从塔机各主要结构在工作时的受力特征，可以看出，塔机各主要构件受力状况差别很大，平衡臂及其拉杆爬爪套架等基本上受静载荷，起重臂及其拉杆承受的是脉动循环变载荷，而塔顶、塔身则承受最不利的对称循环变载荷，图五a 、b、c分别表示了塔顶上（I）、下部（II）和塔身下部（III）容易出现疲劳裂纹的位置，可以看出，这些部位均是构件钢性变化大，应力集中最明显的地方。
图五
通过上述分析，我们不难发现，在整个塔机结构中，塔身底部、塔顶的上、下部位，受的载荷大，截面钢性变化大，又承受最恶劣的对称循环变载荷，各种产生疲劳的不利因素叠加在一起，因此这些部位容易出现裂纹是必然的。
三、疲劳裂纹产生的主要原因
由于承载的特性和构造的需要，塔机上总是有一些受力状况不利，且存在集中的部位。如：上述塔身底部、塔顶上、下部位，但不并等于说塔机的这些部位一定会产生疲劳裂纹，绝大多数相同机构的塔机，在同一时间段里未发生疲劳裂纹的事实充分说明这一点，而我们通过对多台发现裂纹塔机使用情况的了解得出的结论是：较长期且较严重的超载使用是发生疲劳裂纹的主要原因。为什么会有这种超载现象，则主要是由于以下因素：
1. 认识的误区，不少塔机操作者甚至管理者都认为，塔机肯定存在一定的设计余量，超载使用不至于发生事故，尤其是他们完全没有“材料疲劳”的概念，认为钢铁是无生命的，可以无限次超载使用；
2. 为节省费用，小塔吊当大塔吊用，以浙江建筑市场为例，最典型的楼房建造程序是，汽车将成捆的钢筋运至塔机幅度30—50米出，塔机先将钢筋卸下，再将成捆的钢筋运至楼面施工处，由工人解捆绑扎，从各工地观察看来，成捆的钢筋一般2—3吨，按要求应用100吨米以上塔机，而大多数工地都采用了60吨米和63吨米级塔机，超载量达到一倍以上，几栋大楼造好，塔机的超载量和次数可想而知；
3. 目前的塔机安全装置存在不足，大多数塔机采用弓形板式力矩限制器，虽然构造简单，精度能满足要求，但也存在可靠性不够好，容易被人为控制，这就使塔机超载防护失去作用，近两年对塔机用户的回访也证实，相当部分的塔机都是在力矩限制器失效的状态下工作的。
四、疲劳裂纹的早期发现及处理要点：
我们知道，疲劳裂纹出现的位置一般是塔机承载的要害部位，一旦发生事故往往没有先兆，当裂纹扩展到较严重的程度时，即使不超载的常规动作，也会导致事故，因此，对这种疲劳裂纹的早期发现显得尤为重要，而且，当发现裂纹后，不能简单地使用表面补焊的方法，这样是不能阻止裂纹扩展的。再次介绍一下裂纹早期发现及处理的要点：
1. 在塔机工作过程中，经常目测检查塔顶上、下端部、塔身下部的焊缝交接处，特别是接头、节点板、封板、箱形结构等与主弦杆的焊缝交接处，以及塔身底部的联接螺栓是否有疲劳裂纹；
2. 检查周期：新塔机可每周检查，使用三年以上塔机则最好每天检查；
3. 发现裂纹后应立即停止工作，按以下程序采取补救措施：在裂纹扩展方向的尾部钻φ5mm的止裂孔，用气割将裂纹断面割出45度的坡口，用电焊将坡口焊平，然后外表面焊上与裂纹处厚度相当的加强板。一般来说，出现疲劳裂纹的塔机构件必定是受到较强的交变载荷，不宜继续使用，在本次工程完工后，即使采用了补强措施，也应作报废处理。
五、早期疲劳裂纹的预防措施：
要从根本上杜绝塔机出现早期疲劳裂纹，最重要的还是着眼于预防措施，只要思想上重视采取相应的预防措施，是完全能够防止塔机出现疲劳裂纹的，我们建议从以下几个方面作好预防工作：
1、首先是教育塔机的管理者和使用者必须抛弃“塔机有较大的设计安全余量，可以承受超载”和“塔机是一堆无生命的钢铁多次超载没有关系”的错误观点，掌握钢结构疲劳的基本常识，因而能够自觉抵制超载等违章行为，养成按规程操作的良好习惯。
2、政府有关部门加强对塔机使用现场和操作人员的监督，操作人员必须具有上岗资格，掌握塔机工作原理。尤其对目前建筑施工中容易发生塔机超载的工序，如成捆的钢筋吊运等，制定切实可行的强制规定，以杜绝高强度、高频次的超载行为。
3、加快力矩限制器新产品的研制，克服现在普遍使用的弓形板加行程开关力矩限制器的不足，使之除基本的精度、力矩保护功能外，还能够防止人为误操作，限制力矩调整，且具有长期、稳定的工作等功能，真正对塔机起到长期可靠的超载保护作用。
4、安装时注意塔身高强度螺栓必须达到规定的预紧力，尤其是塔身底部，防止预紧力不够，螺栓交变应力幅加大而产生早期疲劳裂纹。
附注：参考文献《机械设计》西北工业大学编 人民教育出版社 1978年版
《机械疲劳与可靠性设计》 李舜酩著 科学出版社2006年版
 
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