在用游樂設施檢測分析質量控制

管文濤 曲濤安 張博 李佩 吳艷青

(陜西天源檢測有限公司 西安 710054)

0 引言

大型游樂設施整體結構主要由鋼板電焊連接和銷軸連接，鋼板常用碳素鋼Q235B；銷軸常用45#鋼和40Cr 等材質，一般以鍛件和鑄件作坯件經機械加工制成。游樂設施種類繁多，結構及運動型式各種各樣，規格大小相差懸殊，外觀造型各有不同，各個游樂設備制造廠水平也有差異，導致游樂設施在運行過程中或多或少存在著安全隱患，結構連接一旦失效，后果不堪設想。為確保游樂設施的安全運行, 國家把游樂設施納入了特種設備行列，也頒布了一系列法規和標準對游樂設施的設計、制造、安裝、運行、檢驗和維保等各個環節進行了嚴格要求。游樂設施的安全主要在于焊縫和銷軸的質量，銷軸及焊縫的質量主要依靠無損檢測技術。在游樂設施的制造、安裝和檢驗過程中，無論是企業的自檢，還是檢驗機構的檢驗，無損檢測都是必不可少的手段而得到廣泛應用。依靠無損檢測技術提前發現問題，解決問題，消除安全隱患，對游樂設施行業的發展起到十分關鍵的作用。

1 在用游樂設施產生的主要缺陷

在用設備軸類零件，使用過程中主要產生周向裂紋，而周向缺陷對銷軸的影響較大，裂紋的產生主要存在以下幾種可能：

(1)原材料進廠時，生產廠家為了減少成本，沒有專業檢測人員進行無損檢測或只進行目測，從而造成潛在危險的存在。例如某設備銷軸磁粉檢測時發現縱向裂紋,如圖1；某設備銷軸在進行超聲波內部缺陷檢測時，發現超標缺陷解剖后為內部分層，如圖2。

圖1 銷軸縱向裂紋

圖2 銷軸內部分層

(2)銷軸材料本身的影響。在設備生產使用中，廠家只考慮銷軸使用時的磨損，為了消除磨損常采用生鐵材質。而生鐵確實增強了銷軸的強度使其耐磨，但也增大了銷軸的脆性，致使銷軸很容易受力斷裂。

(3)未按照標準要求合理設計。例如2006年10月15日山西大同“飛毯”左后部旋轉大臂的中心軸斷裂，原因是軸在出廠時，未按標準進行軸肩倒圓角的加工，在長時間交變應力作用下，軸肩根部發生疲勞，局部產生裂紋。由于此軸在設備內部不易拆卸，無法及時檢測到裂紋產生，導致裂面不斷擴大直至完全斷裂[1]。

實際檢測過程中周向裂紋的檢出率受銷軸外形尺寸、裂紋深度大小的影響，超聲檢出率較低，主要進行磁粉檢測。然而游樂設施的重要銷軸有的不易拆卸(拆裝后要重新磨合，很容易損傷銷軸)從而無法進行表面磁粉檢測；有的銷軸由于結構復雜以及幾何形狀的影響，也會造成一定程度的漏檢。

游樂設備焊縫在使用中產生的缺陷主要是縱向應力腐蝕裂紋，而縱向裂紋對設備安全的影響很大。縱向裂紋的產生，主要存在以下幾種可能：

(1)生產廠家設計存在問題，致使設備某一部位應力產生較大集中。例如某地過山車的輪橋某處焊縫，每年檢測時都會在特定的位置發現裂紋，如圖3所示。

圖3 過山車輪橋焊縫裂紋

(2)焊接時未能嚴格按照焊接工藝進行，致使焊縫中存在氣孔、夾雜物等，從而導致使用過程中裂紋的產生。這方面的原因主要是游樂設備制造廠在生產過程中,往往不重視焊接內部質量的控制。另外由于游樂設施構件復雜，不能進行超聲或射線檢測，磁粉或滲透又不能檢測焊縫內部缺陷，從而造成內部缺陷的漏檢，造成很大的安全隱患。例如圖4所示焊接過程中產生的夾渣，使用過程中產生圖5所示的裂紋；例如圖6所示焊接過程中產生的未焊透，使用過程中產生圖7所示的裂紋。

圖4 裂紋深挖后的夾渣

圖5 原始裂紋(產生夾渣)

圖6 裂紋深挖后的未焊透

圖7 原始裂紋(未焊透)

實際檢測過程中對裂紋的檢出率受焊縫表面漆層的影響，檢測時一定要打磨光潔，磁粉對縱向裂紋的檢測率很高。因此，游樂設施檢測對鐵磁性材料優先采用磁粉檢測；滲透主要針對不銹鋼結構，在游樂設施檢測方面用處較少。然而游樂設施的重要焊縫大部分是角焊縫，打磨困難，很容易造成死角漏檢或檢測靈敏度降低。

2 在用游樂設施產生缺陷的原因分析

根據多年的工作經驗，游樂設施在用設備缺陷的產生，主要是因為設計和材料的選用不合理[2]。

游樂設施的設計應根據具體的結構做相應的設計計算，包括靜強度計算、疲勞強度計算、剛度計算、穩定性計算、抗傾覆計算、防側滑計算等[3]。而與無損檢測有關的只考慮應力計算、疲勞強度計算。

游樂設施零部件及焊縫的設計應進行應力計算,確保其安全系數滿足表1規定要求。

表1 安全系數n規定要求

零部件及焊縫的安全系數：

式中，σb為材料的極限應力；σmax為需用安全應力；[n]為需用安全系數。

游樂設施的Ⅰ級、Ⅱ級應進行疲勞強度的校核，軸的許用疲勞強度安全系數應滿足表2要求。

表2 軸的許用疲勞強度安全系數

當循環載荷的最大計算應力小于材料的疲勞極限時，零部件為無限壽命；當循環載荷的最大計算應力大于材料的疲勞極限時，用疲勞載荷譜計算零部件使用壽命[2]。

游樂設施在設計時，由于考慮不周，也會給游樂設備的使用造成致命的傷害，例如2010年6月29日廣東深圳東部華僑城“太空迷航”坍塌致多名游客傷亡事故；2013年3月22日貴州貴陽市黔靈山公園“摩天環車”大臂折斷事故。在檢測中也發現某些設備設計不合理造成的潛在隱患，如某地在用過山車，運行3 a后，檢測時發現6個車架鋼板全部開裂，如圖8所示。

圖8 某過山車車架鋼板開裂

游樂設施材料的選用也至關重要，應根據結構的重要性、載荷特征、結構形式、應力特征、連接方法和工作環境等因素綜合考慮。例如2006年6月24日重慶市游樂園“星際飛車”平衡臂斷裂致游客死亡事故，一個重要的原因就是槽鋼材質硅含量超標。還有就是對材料疲勞特性了解不清，超期服役，盲目延期等因素,也往往會使設備在運行過程中，在關鍵部位產生疲勞裂紋。如某設備的立柱筋板，在運行了6 a后，在檢測時兩個受力面共16條筋板焊縫，有10條發現裂紋。某地自控飛機在服役10 a(使用壽命8 a,延期4 a)后,8個大臂7個都存在不同程度的裂紋。

3 游樂設施質量控制的建議

游樂設施的安全非常重要，而制造時的質量控制是非常有效的手段。而游樂設施制造時主要從以下幾方面控制質量：

(1)優化設計，盡量減少現場施焊，避免應力大量集中。某些重要的受交變應力的部位，應盡可能避開焊縫。例如狂呼二級臂的島弧設計，自旋滑車輪架的改進，就巧妙的避免了應力的集中，如圖9所示。

(a)自旋滑車輪架改進前

采用焊接件代替鑄造件，從根源上解決材料上的安全隱患。對于承受交變載荷的重要軸類零件，軸肩的過渡圓角必須按相關標準設計；對不易拆卸且承受交變載荷的重要軸類零件，制造廠家必須按照無限壽命設計。

(2)嚴格執行質量保證體系，配備與生產相適應的專業技術人員，增加必要的投入，引進高精度、自動化的生產設備，提升制造手段。對于焊接質量，要嚴格按照焊接工藝進行，焊接必須由持證焊工進行，堅決制止無證操作。要注重焊接內部缺陷的控制，盡量減少焊接過程中缺陷的產生。例如用CO2保護焊代替傳統的手工焊，或者采用更先進的自動焊接設備。

(3)把握好原材料的進場驗收。《大型游樂設施技安全規程》(GB/T 8408—2018)中規定：原材料進場必須經檢驗部門檢驗合格后方可入庫或投入使用，重要的材料要有質量證明文件，必要時還應進行力學性能與理化檢驗。重要的焊縫在進入下一道工序前應經檢驗合格方可繼續加工。涉及到人身安全的重要軸、重要焊縫應進行無損檢測，合格后方可投入使用[2]。

4 結語

游樂設施的安全事關制造單位、使用單位、監管單位的利益，也關系著社會的和諧與穩定。制造單位要嚴格控制每一道工序，按照設計要求進行生產；使用單位要定期檢測，及時保養；監管單位也要對每臺設備定期檢查，特別對于超期服役、延期設備更應該嚴格管理。只有政府、企業、公民各司其職,才能真正做到確保安全。