塔式起重機塔身連接中存在的問題分析

□ 沙明星 □ 何 雷

江蘇大學東海機械汽配研究院 江蘇連云港 222300

1 問題概述

塔式起重機結構件之間多使用高強度螺栓連接,由標準節連接而成的塔身是塔式起重機的重要鋼結構件,對塔式起重機的安全性和平衡性起決定性作用。連接件多為M24及以上的大直徑高強度螺栓副,高強度螺栓連接的可靠性對塔式起重機的使用安全至關重要。在相關規定中,要求高強度螺栓、高強度螺母重復使用一般不超過兩次,并且嚴格制定了安裝技術規范。然而實際使用中,經常出現不嚴格遵照規定執行,野蠻操作,片面追求施工進度等現象。筆者對照規范,結合實際應用,對塔式起重機塔身連接中出現的一些具體問題進行分析,并給出相應措施。

在實際應用中,高強度螺栓連接標準節主要存在重復使用,連接不符合規定,預緊力不符合設計要求,高強度螺栓和防松墊圈選型及放置方向不正確,操作不規范等問題。高強度螺栓的使用配置、擰緊過程、緊固檢查影響高強度螺栓的連接性能,在塔式起重機安裝過程中,應做好高強度螺栓的擰緊及緊固檢查記錄,以保證高強度螺栓的性能。

2 高強度螺栓重復使用

JG/T 5057.40—1995《建設機械與設備 高強度緊固件技術條件》規定。高強度螺栓、高強度螺母拆卸后再次使用,一般不可超過兩次。高強度螺栓不能多次重復使用的主要原因是,高強度螺栓在使用過程中,螺紋及螺紋表面容易產生難以發現的破損;高強度螺栓多次拆裝后,螺栓、螺母、墊圈的表面狀態及螺紋精度等級都發生了變化,影響高強度螺栓的扭矩因數和變異因數,極易造成預緊力不足或過度緊固,甚至可能超越高強度螺栓的彈性變形,產生危險源,埋下事故隱患。高強度螺栓多采用高強度鋼材制作,加工工藝相較普通螺栓更為復雜,因此使用成本高。加之拆卸后的高強度螺栓表面不易看出損傷,因此導致不少高強度螺栓被重復使用。

3 高強度螺栓安裝問題

3.1 塔身連接高強度螺栓安裝

高強度螺栓使用前,必須依據技術規范進行全面檢查,包括外觀、性能檢測報告、產品合格證、生產廠家標記、性能等級、型號等。檢查時,用煤油或清洗劑將高強度螺栓、高強度螺母、墊圈清洗干凈,如果出現裂紋、損傷、表面脫碳、銹蝕、鍍鋅層脫落、彎曲變形等,必須立即更換。安裝前用MoS2潤滑脂涂裹高強度螺栓、高強度螺母、墊圈,以減小相互之間的摩擦因數。在連接接觸面間涂抹潤滑脂,可以起到均衡摩擦的作用。

3.2 高強度螺栓緊固

在安裝現場,發現某型塔式起重機標準節連接使用不同批次的單個高強度螺母緊固,使用彈簧墊片防松,且無擰緊記錄和緊固檢查記錄,不符合相關技術標準要求。標準節連接通常需采用同批次制造的雙螺母及平墊進行防松,其中,防松螺母扭矩應稍大于預緊力矩。標準規范中規定分三次施加扭矩,可先初擰10%扭矩值,再按50%扭矩值對稱復擰,最后終擰至100%扭矩值。JGJ 82—2011《鋼結構高強度螺栓連接技術規程》中給出的終擰扭矩M計算式為:

M=kpcd

(1)

式中:k為扭矩因數平均值,取0.11～0.15;d為高強度螺栓公稱直徑;pc為預拉力。

扭矩因數平均值不能隨意取值,不同批次和工作環境的高強度螺栓,扭矩因數是不同的。扭矩因數平均值取值過大,導致終擰扭矩過大,高強度螺栓的實際預拉力高于許用預拉力,高強度螺栓失效。扭矩因數平均值取值過小,導致終擰扭矩過小,高強度螺栓的實際預拉力過小,連接接觸面的摩擦力過小,會降低連接接觸面的連接強度,影響設備使用和安全性能。因此,在安裝前應針對同批次高強度螺栓按標準要求,抽取一定比例進行終擰扭矩測試,利用式(1)計算出實際扭矩因數平均值,這一平均值就是該批次高強度螺栓計算施工扭矩所用的扭矩因數。通常情況下,企業標準的要求高于國家標準,因此建議宜按出廠配套的設備說明書執行。

在安裝現場,高強度螺栓穿插方向混亂的情況也時有發生。高強度螺栓穿插方向有自上而下和自下而上兩種,受力狀態相同。筆者傾向于在確保預緊力的情況下采用自上而下的穿插方向,優點是絲扣向下,防銹效果好,高強度螺母松動也不會導致高強度螺栓脫落。高強度螺栓安裝過程中,不可對高強度螺栓副加熱或錘擊,因為高強度螺栓材質多為合金結構鋼,加熱或錘擊會改變材料內部金相組織狀態,造成高強度螺栓性能破壞,甚至產生細微裂紋,存在潛在危險。

3.3 安裝驗收

GB 50205—2001《鋼結構工程施工質量驗收規范》中規定,堅持定期檢查制度,高強度螺栓終擰后絲扣外露一扣至二扣,允許其中有10%絲扣外露一扣至四扣。檢查塔身標準節,觀察受拉主弦桿處,若存在細小縫隙,或當塔式起重機回轉時能聽到金屬吱啦聲,說明高強度螺栓緊固可能不達標。對此,可用扭力扳手仔細排查。高強度螺栓扭矩檢查常采用松扣回扣法,在高強度螺母的棱角與高強度螺栓的對應位置劃一條細直線,用扭力扳手將高強度螺母擰回60°,再擰至原位,扭力扳手上的數值與檢查扭矩的偏差值在±10%范圍之內為合格。為了避免高強度螺栓緊固不達標,高強度螺栓安裝盡量在當天完成終擰,初擰扳手應當可以設置扭矩。初擰完畢的高強度螺栓,應做好標記以供確認,扳手的精度需符合設計要求。對施工人員需要嚴格培訓,執行操作規程和設備說明書要求。工具需由有資質的機構進行檢定校準,確保工作安全有效。

在上述安裝過程中,特別容易出現三方面問題,導致潛在危險源產生。一是高強度螺栓副存在破損、不配套而投入安裝。使用不配套的高強度螺栓副,會因存在薄弱環節而出現早期破壞。使用墊圈的目的是增大摩擦力來防松,若墊圈方向放反,則會減小摩擦力,同時還會使墊圈變形增大,無法恢復,起不到防松作用。二是很多安裝現場使用彈簧墊圈防松。事實上,高強度螺栓、高強度螺母、墊圈配合使用時,8.8級以上的高強度螺栓絕不允許采用彈簧墊圈防松,必須使用平墊圈。用于塔身連接的高強度螺栓,通常采用雙螺母防松。對于小型塔式起重機塔身,可用一個高強度螺母、一個普通螺母、兩個平墊圈,將高強度螺母放入高強度螺栓末端鎖緊。三是為了安裝方便,高強度螺栓穿插方向不一致,錘擊螺栓副,造成連接件破壞。規范要求高強度螺栓能夠自由穿入孔內,不可強行敲打,同時盡量選擇不在雨天安裝。

4 預緊力設計值

塔式起重機安裝時,為了追趕安裝進度,緊固螺栓時未按規定的擰緊力矩操作,僅使用普通扭力扳手,時常出現超擰、欠擰、假擰、漏擰等現象,致使高強度螺栓的預緊力不符合設計值。當塔式起重機處于工作狀態時,塔身轉矩所引起的剪切力直接作用于塔身高強度螺栓上,這是非常危險的現象。由于塔式起重機安裝屬于高空作業,為了方便作業,工具不能龐大笨重,因此通常可將滿足精度要求的普通扭力扳手、預調式扭力扳手、省力扳手配合使用。

為了確保高強度螺栓的預緊力,通常采用轉矩法。可以選用預先設定扭矩值的扳手施加力矩。

在安裝過程中,應嚴格遵循標準、施工規范和規程進行操作,做到人員及時定期進行培訓,工具定期進行檢定校準,安裝完畢嚴格執行驗收制度、定期檢查制度。

5 結束語

高強度螺栓具有良好的機械性能,施工簡便,已成為塔式起重機標準節之間的主要連接方式,但諸多因素影響著高強度螺栓連接在起重機械設備應用中的可靠性和安全性。在高強度螺栓連接過程中,要求相關工作人員嚴格按照標準規范、設備說明書執行,增強工作人員對高強度螺栓安裝重要性的認識。選擇精度等級符合設計要求的工具,確保高強度螺栓預緊力符合設計要求。安裝完畢后的驗收工作同樣不容忽視。同時,要嚴格執行相關規定,堅持定期檢查制度,做到定崗、定機、定人落實責任,定期檢查關注高強度螺栓的有效性和可靠性,做好日常性檢查,建立相應臺賬,保證塔式起重機的安裝質量和安全運行。