一起定柱式旋臂起重機(jī)事故案例分析

李 博 邱 郡 梁 驍 黃文和

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一起定柱式旋臂起重機(jī)事故案例分析

李 博 邱 郡 梁 驍 黃文和

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 200333）

摘 要：通過對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)勘查，檢驗(yàn)測(cè)試了失效部件的焊接狀況，驗(yàn)證計(jì)算了焊縫強(qiáng)度，分析了斷口及焊縫微觀組織的狀態(tài)，多維度展開事故調(diào)查分析并獲得結(jié)論。

關(guān)鍵詞：定柱式 旋臂起重機(jī) 事故分析 焊縫 強(qiáng)度

1 事故情況概述

2014年，某市石材有限公司生產(chǎn)車間內(nèi)，一臺(tái)1t定柱式旋臂起重機(jī)在吊運(yùn)一片大理石板材過程中，起重機(jī)懸臂梁從立柱上脫落后墜落地面，砸中其下方一名操作該起重機(jī)的作業(yè)人員致其死亡。

2 設(shè)備基本情況

該定柱式旋臂起重機(jī)在事故中解體，實(shí)物樣式及基本結(jié)構(gòu)見圖1，該事故起重機(jī)主要結(jié)構(gòu)由立柱和懸臂梁構(gòu)成，懸臂梁依靠上、下回轉(zhuǎn)組件繞立柱回轉(zhuǎn)，起升機(jī)構(gòu)為帶有小車行走機(jī)構(gòu)的鋼絲繩電動(dòng)葫蘆，鋼絲繩電動(dòng)葫蘆可沿懸臂梁工字鋼下緣水平運(yùn)行。其額定起重量為1t，起升機(jī)構(gòu)為鋼絲繩電動(dòng)葫蘆、手電門控制，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為人力驅(qū)動(dòng)。據(jù)查，該起重機(jī)未經(jīng)法定監(jiān)督檢驗(yàn)，制造單位及相關(guān)設(shè)備出廠信息不詳。

圖1　與事故起重機(jī)同型的柱式旋臂式起重機(jī)

3 事故現(xiàn)場(chǎng)勘查情況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，事故發(fā)生后，起重機(jī)懸臂梁與立柱分離，立柱仍保持直立狀態(tài)，懸臂梁墜落地面（見圖2），電動(dòng)葫蘆置于懸臂梁端部。地面散落碎裂的石板并遺留血跡（見圖3）。

圖2　起重機(jī)懸臂梁與立柱分離　圖3 事故中的人員傷害和物損

該起重機(jī)立柱頂部留有回轉(zhuǎn)立軸，直徑約106mm，軸上端約20mm高處可見上下兩道殘余焊接斷口（見圖4）。懸臂梁與立柱連接的上、下回轉(zhuǎn)組件均伴隨懸臂梁共同墜落地面。其中，上回轉(zhuǎn)組件在懸臂梁回轉(zhuǎn)端留有上、下兩片法蘭，法蘭之間采用四根螺栓連接，螺栓連接未失效（見圖5）。下回轉(zhuǎn)組件為兩個(gè)角對(duì)稱布置的繞立柱回轉(zhuǎn)的滾輪，未見損壞和異常（見圖6）。上回轉(zhuǎn)組件結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。上回轉(zhuǎn)組件中的下法蘭中心孔頂面可見連續(xù)周向（環(huán)形）手工焊縫斷口（見圖8），其背面可見間斷分布的點(diǎn)焊斷口（見圖9），兩道焊縫斷口與立柱回轉(zhuǎn)立軸上焊縫斷口（見圖4）對(duì)應(yīng)。

圖4　回轉(zhuǎn)立軸上兩道殘余焊接斷口

圖5　上回轉(zhuǎn)組件兩片法蘭

圖6　下回轉(zhuǎn)組件兩個(gè)滾輪

圖7　上回轉(zhuǎn)組件結(jié)構(gòu)示意圖

圖8　下法蘭頂面連續(xù)焊縫

圖9　下法蘭背面圓周點(diǎn)焊

4 焊接狀況測(cè)試和分析

選取下法蘭并對(duì)其連接焊縫進(jìn)行失效分析可知：

1）由宏觀及金相分析可見，連接盤與立柱軸焊縫區(qū)的有效厚度很窄，約在2.2mm～4.2mm之間，會(huì)影響立柱與連接盤件的結(jié)合強(qiáng)度。

2）由宏觀及微觀組織分析可見，焊縫區(qū)存在焊接缺陷：未熔合、夾渣等，尤其局部與支撐軸間的焊縫熔合區(qū)出現(xiàn)硬化相（見圖10），熔合區(qū)組織中硬化相區(qū)域與相鄰的塑性合金相區(qū)域的界面，則會(huì)由于兩者之間的塑性差異較大，而在外加載荷和內(nèi)在應(yīng)力集中的雙重影響下萌生裂紋，最終會(huì)影響焊縫區(qū)的有效強(qiáng)韌性。

圖10　法蘭后半孔斜向裂紋區(qū)法向截面低倍下組織分布形貌（圖b為圖a中裂面組織放大圖）

3）由裂面的宏觀及微觀分析可知，焊縫的開裂主要為過載性開裂（見圖11），斷口呈現(xiàn)以脆性解理為主，同時(shí)伴隨有少量韌窩特征的復(fù)合形貌，同時(shí)需要指出的是，并不排除斷裂前在后半孔區(qū)有局部先期開裂的可能（見圖12）。

圖11　法蘭孔內(nèi)壁及焊縫開裂形貌

圖12　法蘭孔后半孔開裂斷口微觀形貌

4）由連接盤軸孔內(nèi)壁表面形貌還可推斷：連接盤的孔與立柱軸之間的配合為非緊密配合（見圖7），會(huì)對(duì)焊縫造成附加力矩，增加誘發(fā)焊縫開裂的幾率。

5 焊縫強(qiáng)度驗(yàn)證計(jì)算

5.1法蘭內(nèi)孔環(huán)形角焊縫靜強(qiáng)度計(jì)算

對(duì)起重機(jī)懸臂梁隔離體進(jìn)行受力分析，示意圖如圖13所示。圖13中：

式中：

Q——掛鉤端靜拉力（折算）；

M額——起重機(jī)額定載荷；

M梁——懸臂梁自重；

M葫蘆——電動(dòng)葫蘆自重。

根據(jù)結(jié)構(gòu)模型力矩平衡及相關(guān)力矩長度尺寸，可計(jì)算圖13中水平力T=80000N。

根據(jù)結(jié)構(gòu)模型靜力平衡條件，可得P=T，N=Q。

法蘭內(nèi)孔環(huán)形角焊縫同時(shí)承受軸向力N和切向力P的作用，N和P各自對(duì)環(huán)形角焊縫產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)方向

式中：

he——焊縫有效厚度，根據(jù)前文焊接狀況測(cè)試和分析情況，取最小值2.2mm（焊縫最薄處）；

lw——焊縫計(jì)算長度，取lw=πd，d為法蘭內(nèi)孔直徑106mm。

在軸向力N和切向力P共同作用下的焊縫合成應(yīng)力σf（計(jì)算值）為：

式中：

取正面角焊縫強(qiáng)度增大系數(shù)βf=1.0。

圖13　懸臂梁隔離體受力分析示意圖

5.2焊縫強(qiáng)度計(jì)算驗(yàn)證

通常情況下，用E43系列焊條對(duì)Q235鋼進(jìn)行手工焊，焊接強(qiáng)度設(shè)計(jì)允許值wff為170MPa。根據(jù)上文焊縫合成應(yīng)力σf（計(jì)算值）的計(jì)算結(jié)果，同時(shí)考慮到該焊縫多處存在未熔合、夾渣和硬化異相等嚴(yán)重焊接缺陷及部分先期開裂，因而事故發(fā)生前，焊接強(qiáng)度實(shí)際允許值fw實(shí)難以達(dá)到理論值=170MPa，且σf（計(jì)算值）與存在較大差距。另一方面，由于法蘭軸孔配合間隙以及下回轉(zhuǎn)組件支撐滾輪存在的絕對(duì)誤差所引起的附加彎矩作用，在懸臂梁滿載的服役過程中，焊縫截面的實(shí)際載荷應(yīng)力σ實(shí)應(yīng)大于計(jì)算合成應(yīng)力σf（計(jì)算值）。故綜合考慮這兩方面因素，驗(yàn)證可證明焊縫因強(qiáng)度不足發(fā)生過載破壞。

6 事故原因分析

綜合現(xiàn)場(chǎng)勘查、焊縫檢測(cè)和焊縫強(qiáng)度驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，法蘭內(nèi)孔環(huán)形角焊縫存在未熔合、夾渣、焊縫金相組織存在馬氏體等脆性組織成分等諸多缺陷，加上法蘭軸孔配合間隙以及下回轉(zhuǎn)組件支撐滾輪形位公差引起的附加彎矩影響，法蘭內(nèi)孔環(huán)形角焊縫因強(qiáng)度不足發(fā)生過載破壞。當(dāng)法蘭內(nèi)孔環(huán)形角焊縫發(fā)生過載破壞以后，法蘭與中心轉(zhuǎn)軸之間的連接只剩下20mm配合長度、性質(zhì)為松配合的軸孔配合，再無其它止脫裝置阻止法蘭從中心轉(zhuǎn)軸上滑脫，從而導(dǎo)致懸臂梁墜落。

7 事故結(jié)論

本起事故的發(fā)生與法蘭內(nèi)孔圓周角焊縫撕裂破壞有關(guān)，造成懸臂梁墜落，致使作業(yè)人員被砸。就事故起重機(jī)而言，橫梁和立柱之間連接屬于兩大結(jié)構(gòu)件之間最重要的連接，一般可設(shè)計(jì)為螺栓連接或者焊縫連接。

設(shè)計(jì)因素和施工因素在本起事故中為主要因素，包括：

1）焊接接頭的角焊縫焊接質(zhì)量存在嚴(yán)重缺陷，焊縫存在未熔合、夾渣、焊縫金相組織存在馬氏體等脆性組織成分。

2）焊接接頭本身設(shè)計(jì)存在缺陷，焊接接頭沒有加工焊接坡口，角焊縫焊腳尺寸偏小，焊縫強(qiáng)度安全儲(chǔ)備不足。

3）法蘭與中心轉(zhuǎn)軸之間的連接形式選擇不合理，一般應(yīng)選擇螺栓連接或軸銷連接，不宜選擇焊接連接。

另一方面，使用單位在起重機(jī)首次年檢到期后，未按國家相關(guān)規(guī)定及時(shí)申報(bào)檢驗(yàn)，致使設(shè)備進(jìn)入無證使用狀態(tài)，對(duì)起重設(shè)備的日常檢查和維護(hù)保養(yǎng)幾乎未實(shí)施，導(dǎo)致設(shè)備存在的安全隱患累積暴發(fā)，對(duì)事故發(fā)生具有不可推卸的責(zé)任。

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Accident Analysis of a Column-typed Slewing Jib Crane

Li Bo Qiu Jun Liang Xiao Huang Wenhe
(Shanghai Institute of Special Equipment Inspection and Technical Research Shanghai 200333 )

AbstractWith investigation of the accident scence， the paper tests the failure parts welding condition， verifes the weld strength calculation, analysises the state of fracture and weld microstructure. The accident case investigation analysis is conducted from multiple dimensions to get the conclusion.

KeywordsColumn-typed Slewing crane Accident analysis Weld Intensity

中圖分類號(hào)：X941

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1673-257X（2016）04-0077-04

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.04.014

作者簡介：李博（1986～），男，博士，工程師，從事特種設(shè)備安全技術(shù)與結(jié)構(gòu)完整研究工作。

收稿日期：（2015-12-04）