塔式起重机倾覆事故的技术分析

某月, 南京市某工地的一台QTZ25 型自升塔式起重机(以下简称塔机) 正在吊运一筐砖进行下降作业, 当砖筐降至地面时, 塔机突然向平衡重一侧倾覆, 造成1 人死亡1 人轻伤。

1 　事故现场勘查情况

(1) 从倾覆后的现场看, 连接塔机基础节与过渡节的4 只高强度螺栓中有3 只发生断裂破坏, 见图1。

图1 　塔式起重机基本节与过渡节连接螺栓的相对位置

1 号、2 号、3 号———高强度螺栓　1 ———平衡臂中心线 2 ———起重臂中心线

(2) 1 号螺栓的断裂部位发生在栓身与头部交接的圆角处。在起重臂一侧的1 号螺栓断裂后, 连带螺母的栓体部分留在过渡节的螺栓孔内, 而栓头落在异处。观察1 号螺栓断面, 发现断面在离螺栓边缘约5 mm 处, 有一宽约3 mm 的带状部分有新鲜金属断裂痕迹, 其一侧是宽约5mm 呈明显锈蚀凹凸不平的旧断面, 另一侧是宽约22 mm 呈明显锈蚀的旧断面, 旧断面的边缘存在凹凸不平的层状现象, 层状断面与螺栓轴线垂直, 断口处无明显变形。

(3) 2 号螺栓的断裂部位发生在离栓头168 mm的螺纹根部处。在起重臂一侧的2 号螺栓断裂后,散落在异处。观察其断面, 发现断面边缘有6 mm宽的部分有明显的挤压磨损痕迹, 其表面发黑、光滑; 其余部分呈新鲜的放射撕裂状, 断面平齐且与螺栓轴线垂直, 断口处无明显变形。在2 号螺栓头部未发现制造厂家标记和性能等级标记。

(4) 3 号螺栓断裂部位发生在离螺栓末端约170 mm 的栓身处。在平衡臂一侧的3 号螺栓断裂后, 散落在异处。在现场只找到连带螺母的栓体一段。观察其断口处, 发现有明显的缩颈变形, 断面直径明显变细, 整个断面呈新鲜的金属撕裂状, 断面不平齐, 断口呈典型的拉断断口特征。

(5) 在现场尚未安装使用的塔身标准节连接用M30×2×250 高强度螺栓中, 随机抽出3 只头部厂标分别为“CD”、“ ý ”和“shB”的螺栓, 性能等级标记均为10.9。

2 　事故原因分析

2.1 疲劳裂纹形成的原因及扩展过程

由于该塔机在空载、小车负载运行和回转作业时, 塔身所承受的弯矩的大小、方向在不断地变化, 塔身标准节、基础节、过渡节之间连接的高强度螺栓本来受到预紧拉力的作用。在大小、方向不断变化的弯矩作用下, 高强度螺栓承受复杂的交变拉力作用, 其拉力的峰值会很大。1 号、2 号高强度螺栓可能存在车刀痕、表面脱碳等原始加工缺陷, 或在使用过程中形成的外伤和腐蚀缺陷, 这些缺陷在交变载荷的作用下成为疲劳源。随着高强螺栓被多次重复使用, 作用于螺栓的交变载荷循环次数不断增加, 在这些缺陷处形成表面疲劳裂纹。1号螺栓的栓体和栓头交接的圆角处存在多个不完全同层面的表面疲劳裂纹, 该处也是应力集中的突出部位。在交变应力的作用下, 这些表面疲劳裂纹均向中心扩展, 并在扩展过程中相遇而连成一片。此时, 所形成的疲劳裂纹约占整个截面的50 % , 在另一个区域也产生了同样的情况。这2 个区连成一

片, 使疲劳裂纹继续扩展, 其深度已达22 mm。到本次安装前, 1 号螺栓在栓体和栓头交接的圆角截面处只剩下离边缘约5 mm、宽约3 mm 的带状部分相连。2 号螺栓在离栓头168 mm 的螺纹根部有表面疲劳裂纹, 该处也是应力集中的突出部位。在交变应力的作用下, 表面疲劳裂纹向中心扩展。到本次安装前, 疲劳裂纹扩展深度约为6 mm。

2.2 　塔机倾覆的原因及演变过程

该塔机塔身连接的M30 ×250 高强度螺栓在其多次拆装过程中, 曾被多次重复使用。在长期使用过程中, 随着交变载荷作用次数的不断增加, 在高强度螺栓的应力集中部位, 以及在螺栓制造或使用过程中形成的缺陷部位产生了疲劳裂纹。随着使用时间的增加, 疲劳裂纹不断扩展, 如1 号螺栓的栓体和栓头交接的圆角处疲劳裂纹已经扩展到了极限。在该塔机的拆装及使用过程中, 使用单位没有认真地对这些高强度螺栓进行检查, 没有对基础节的2 节之间及其与过渡节之间的连接高强度螺栓进行拆卸检查, 也没有按规定要求对这部分高强度螺栓进行预紧, 未能及时检查出1 号、2 号螺栓已存在的裂纹。在安装完毕后, 未经有关部门检验合格就投入使用, 又一次失去了发现事故隐患的机会。2000 年10 月, 当该塔机吊运重约700kg 的1筐砖进行下降作业时, 砖筐降至地面的瞬间, 其仅受到自重载荷和一个作用于起重臂上、距塔身中心

约9 m、重约350 kg、方向向上的突然卸载冲击载荷的作用。它们的共同作用, 对塔身产生了一个正常作业时经常出现并且允许产生的向平衡重一侧的冲击弯矩, 对位于起重臂一侧1 号、2 号螺栓产生了一个不算很大的冲击拉力, 将已经扩展到疲劳极限的1 号螺栓瞬时拉断。1 号螺栓断裂后, 其原来承受的拉力瞬间转移给2 号螺栓, 导致2 号螺栓在离栓头168 mm 的螺纹根部已存在的深约6 mm 的疲劳裂纹急剧扩展, 产生瞬时脆性断裂。1 号、2号螺栓连续断裂后, 塔身与过渡节的连接处原来承受弯矩的矩形结构已不存在。在弯矩的作用下, 塔身向平衡重一侧倾覆, 倾覆过程中将3 号螺栓拉断。

3 　结论

(1) 位于塔身基础节与过渡节连接处的分别存在较深疲劳裂纹的1 号、2 号螺栓断裂是造成这起事故的直接原因。

(2) 该塔机在拆装及使用过程中, 其高强度连接螺栓被多次重复使用, 未认真地对其进行检查;未按规定要求对2 节基础节之间及其与过渡节之间的高强度连接螺栓作预紧处理; 未经质监部门检验发证, 即开始起重作业。

4 　建议

经过对该事故塔机的处理发现, 建筑施工单位普遍存在塔机紧固件高强度螺栓重复使用的现象,甚至还有无厂家标记、无性能等级标记的不合格螺栓。由此, 建议有关部门应加强对塔机的安全监察与管理, 规定其高强度螺栓不得重复使用; 严禁使用无厂家标记和性能等级标记的不合格螺栓; 坚决杜绝类似事故的再次发生。