曾舜安  胡道权  刘轶华  陈 成

(国家建筑城建机械质量监督检验中心，湖南长沙 410013)

摘　要：2020年4月，湖南某市一建设工地的QTZ63塔机在使用时倒塌。为查明事故原因，国家建筑城建机械质量监督检验中心受当地应急管理部门委托，对事故进行技术分析。国检中心技术专家经现场勘验、实验室检测和技术分析，确认事故塔机标准节主弦杆因疲劳累积损伤产生大面积陈旧性断面，造成该标准节整体承载能力显著降低，是导致该塔机整机倒塌的直接原因。

关键词：标准节主弦杆;连接套;疲劳

中图分类号：TH213.3     文献标识码：B

　　2020年4月，湖南某市一建设工程工地1#塔机在吊运一斗砂浆到一号楼三层卸料平台，在刚刚卸料完后，发生了塔机标准节断裂，塔机朝平衡臂方向后翻倒塌，起重臂砸向二号楼七层楼面，造成该塔机司机受伤和二号楼七层楼面一名钢筋班工人死亡。

　　为了查明事故原因，根据当地人民政府成立的事故调查组安排，由市应急管理部门委托国家建筑城建机械质量监督检验中心对该塔机倒塌事故原因进行现场勘验、实验室检测和技术分析。

1 现场勘验

　　经当地应急管理部门组织协调，2020年4月28日〜29日，国家建筑城建机械质量监督检验中心派出技术专家组，对事故塔机进行了现场勘验和试件取样。

1.1 现场勘查

　　(1)事故塔机安装在某建设工程工地一号楼的东面，塔机附着式安装，塔身从下至上安装有：底节1节、加强节1节、标准节11节。共安装了一道附着架，该附着架安装在第2节标准节上部接近连接套位置，附着架以上悬臂部分安装了9节标准节和塔机上部结构。事故塔机从附着架上方第2节标准节(从塔机基础往上数第4节标准节)四根主弦杆上部连接套接头位置断裂，断口以上塔身自折断处倚靠在直立着的塔身顶部，起重臂后翻，臂架部分结构砸在二号楼七层楼面上，平衡臂尾端砸在地面上，塔身断口以上结构倾覆于事故塔机安装位置的正南面，几乎自北向南在一直线上(图1)。

图1 事故现场图

　　因事故救援需要以及为了消除次生、衍生事故隐患，专家组在进入现场勘验前，事故塔机已基本拆除，仅在原安装位置保留有1节底节，被拆除部分存放于现场特定区域。

　　(2)事故塔机塔身底节上安装有产品铭牌，铭牌上标示有：产品型号、特种设备制造许可证编号、公称起重力矩、最大额定起重量、起升高度、起重臂长、相应平衡重、出厂编号、制造日期、生产厂家等信息。

　　(3)事故塔机平衡臂设置有配重块6块，事故发生后其中2块仍固定在平衡臂上，其余4块脱离平衡臂贯穿地面落入地下室。

　　(4)力矩限制器、起重量限制器外观基本保持完好，但连接线被扯出。

　　(5)在对塔身底节及已拆除的加强节、标准节勘查时发现：第2节标准节西北角主弦杆(靠近附着架位置，塔身悬臂部分的根部)有两条陈旧性裂纹，裂纹出现在上部连接套焊缝附近位置(见图2、图3、图4)。其它各节主弦杆连接套接头部位无可见裂纹，连接套焊缝质量无明显缺陷。

　　(6)事故塔机制造日期：2013年7月1日，至事故发生时的使用年限为6年多;该塔机自2019年9月20日安装在本建设工程工地使用。

　　(7)事故塔机平面位置图(见图5)。

图5 事故塔机平面位置图

1.2 现场测量

　　(1)标准节外形尺寸

　　标准节截面外缘尺寸(长×宽)：1494mm×1494mm，标准节高：2900mm;

　　标准节主弦杆截面尺寸□120mm×120mm×12mm(焊接方管)。

　　(2)底节、加强节外形尺寸

　　底节截面外缘尺寸(长×宽)：1494mm×1494mm，底节高：8700mm;

　　加强节截面外缘尺寸(长×宽)：1494mm×1494mm，加强节高：2900mm。

　　(3)事故塔机最后一吊工作幅度

　　搅拌机卸料口至塔机回转中心水平距离：38.5m;

　　一号楼三层卸料平台中心至塔机回转中心水平距离：11.6m;

　　从拆除的起重臂上测量变幅小车中心位置至塔机回转中心水平距离：10.0 m;

　　最后一吊工作幅度：38.5m〜11.6m。

　　(4)事故塔机最后一吊起重量

　　350搅拌机一罐砂浆重量：0.35 m³×1900kg/m³=665kg(砂浆密度1800kg/m³〜1900kg/m³，取1900kg/m³计算);

　　砂浆卸料斗自重：150kg(0.6 m³斗自重约150kg);

　　最后一吊起重量：665kg+150kg=815kg。

　　(5)起重臂长度测量

　　经现场勘查、测量，事故塔机起重臂由5节组成，起重臂长度：50m。

　　(6)塔机附着架距基础面高度：17.1m。

　　(7)塔机附着架以上安装有9节标准节，起重臂下弦杆至附着架上端面距离：2.9m×9+3.2m=29.3m。其中3.2m为回转塔身、上下支座高度。

　　(8)勘验人员查阅了委托方提供的使用说明书，并对事故塔机勘验情况与使用说明书提供的信息进行了核对。经核查，事故塔机标准节、加强节、底节主弦杆为方管，与使用说明书中标准节、加强节、底节主弦杆为角钢不符;事故塔机底节高度、加强节节数、起重臂节数等也与使用说明书存在差异;使用说明书中有关配重块数量与重量、加强节节数、起升高度、附着架安装间距及自由端高度等，前后也不一致，个别数据还有错误。由于使用说明书存在诸多问题，给此次事故技术分析完整性带来一定影响。如附着架以上自由端高度是否超出原设计值就难以确认。

　　现场测量结果表明：事故塔机最后一吊起重量为815kg，最后一吊工作幅度不大于38.5m，根据该型号塔机起重性能，工作幅度50m时对应的额定起重量为1300kg，显然未超载。事故过程也表明，塔机是在最后一吊完成后，即卸载后倾覆的。

2 断口检查及标准节断裂主弦杆试件材质检验

2.1 断口检查

　　(1)事故塔机从附着架上方第2节标准节(从塔机基础往上数第4节标准节)四根主弦杆上部连接套接头位置断裂(断口(下)见图6、断口(上)见图7)。

　　(2)事故塔机使用桁架结构的塔身，塔身标准节由4根主弦杆和腹杆(水平、斜支撑杆)组成，主弦杆为方管结构，每根主弦杆靠近上下端位置焊有两个连接套，连接套布置形式如图8所示。

　　(3)事故塔机塔身标准节的连接采用高强螺栓连接。具体连接方式为将高强螺栓上下两个塔身标准节连接套孔，按照螺栓紧固的要求将每个螺栓拧紧到规定力矩，从而将塔身标准节相互间连成一个整体，实现载荷的无冲击传递，高强螺栓主要承受拉压应力作用。

　　(4)事故塔机塔身标准节连接套的连接采用端面无间隙对接方式。

　　(5)检查3#、4#主弦杆断口发现：3#、4#主弦杆断口连接套与主弦杆焊接热影响区出现有陈旧性断面。

图8 连接套布置形式

　　(6)1#、2#主弦杆断口陈旧性断面相较于3#、4#主弦杆断口陈旧性断面严重。1#主弦杆断口上约1/3面积为陈旧性断面，2#主弦杆断口锈蚀，经清洗，约1/2面积为陈旧性断面。1#、2#主弦杆陈旧性断面说明在整节标准节断裂前该处已开裂。在此后服役时此处形成新的裂源，断面上有裂纹扩展辉纹，标志主弦杆断裂的形式为疲劳断裂(见图9〜图12)。

2.2 标准节断裂主弦杆试件材质检验

　　(1)将事故塔机塔身断裂标准节的1#、2#主弦杆取样，带回实验室进行进一步检测分析。将1#、2#主弦杆非断口主弦杆材料做物理性能及化学成分分析，断口主弦杆材料做金相分析。

　　(2)检测结果表明：物理性能方面其屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯、冲击吸收功率均符合Q235钢的相关标准要求;化学成分分析方面其C、Si、Mn、S、P的含量指标符合Q235钢的元素含量要求;断口试件金相检验表明： 1#、2#主弦杆基体组织为铁素体+珠光体，组织无异常现象;焊接热影响区组织为基体金属焊接热影响区的细晶区组织，局部少量呈魏氏组织特征，未见如过热、过烧等其他不良组织。

3 事故原因分析

　　事故塔机标准节连接套部位结构特点：

　　(1)事故塔机标准节主弦杆横截面突变和焊缝密集产生应力集中。连接套与主弦杆连接处形成突变截面，同时连接处堆积各腹杆焊缝，突变截面和焊缝密集必然产生应力集中现象。虽然应力集中在塔机焊接结构中不可避免，但由于塔机主弦杆采用塑性较好的低碳钢，局部应力超过材料屈服极限后会发生塑性变形，导致应力重新分布，只要公称应力值在标准允许范围内，应力集中对塔机结构件的静强度影响不大。然而，应力集中对塔机结构件疲劳强度的影响却不可小觑，应力集中会明显降低结构件的疲劳强度。

　　(2)标准节主弦杆承受交变应力。上回转塔机的塔身在工作时承受交变载荷，由于塔机回转支撑以上部分(包括塔顶、起重臂和平衡臂)的不断转动，固定塔身承受对称循环交变弯曲载荷，相应标准节主弦杆承受对称循环拉压交变应力，应力的方式和大小严重影响标准节的疲劳寿命。

　　(3)连接套与标准节主弦杆受力方向不同。当标准节主弦杆承受拉力时，连接套在高强螺栓的作用下承受压力，由于连接套与标准节主弦杆受力方向不同，造成连接套有压缩变形趋势，而标准节主弦杆有拉伸变形趋势。这种变形的不协调趋势造成二者接触面之间的应力严重不均匀，这实际就是一种应力集中现象。

　　综上所述，结合事故塔机标准节主弦杆的受力和连接套的结构形式特点，可以得出，标准节主弦杆开裂的主要原因是：在标准节承受对称循环交变应力过程中，当标准节局部最大应力超限时，在主弦杆薄弱处(连接套焊缝及热影响区位置)出现微裂纹，随着使用时间的增加裂纹会不断扩展，构件有效截面面积被逐渐削弱，当主弦杆有效截面面积削弱到一定程度，由于不能承受所加载荷而突然断裂。

4 分析结论

　　事故塔机标准节在承受对称循环交变应力过程中，当第4节标准节局部最大应力超限时，在1#、2#主弦杆最薄弱处(连接套焊缝及热影响区位置)首先产生微裂纹，因其工作循环的累积，裂纹不断扩展，两主弦杆逐渐形成大面积陈旧性断面，其中1#主弦杆陈旧性断面占据了该主弦杆截面的1/3左右，2#主弦杆陈旧断面占据了该主弦杆截面的1/2左右，造成该节标准节整体承载能力显著降低，当事故塔机在完成最后吊运一斗砂浆给一号楼三层卸料平台卸料后，此时1#、2#主弦杆承受拉应力，受此应力作用，主弦杆裂纹逐渐扩展到不能承受上部不平衡力矩，主弦杆全部拉裂断开，导致塔机整机倾覆。因此，标准节主弦杆因疲劳累积损伤产生大面积陈旧性断面，造成该标准节整体承载能力显著降低，是导致该塔机整机倒塌的直接原因。

5 建议

　　在塔机安装、检测、使用过程中，应加强对主弦杆连接套接头部位的检查，特别是使用五年以上的旧塔机，应加大对安装在塔身底部的底节、加强节、标准节和安装附着架后的自由端根部位置的标准节相应部位的检查，尽早发现可能出现的疲劳裂纹并采取有效措施处置，预防事故的发生。由于疲劳裂纹起始点多位于结构内部，疲劳裂纹即便扩展到结构表层，因油漆涂层覆盖，外观检查也不见得能轻易发现，对使用年限较长的塔机，可在转场安装前对相关部位采用无损检测的方法进行检测。

　　使用说明书是塔机重要的技术文件，对塔机安装、检测、使用具有重要的指导作用，其正确性、完整性，对塔机的安全使用不容忽视。

（责任编辑：休鱼）