加强塔式起重机可靠性设计及寿命评估

    塔式起重机（以下简称塔机）是一种高危户外特种设备，由于其起升高度高、工作幅度大、工作效率高、结构轻巧，已经在建筑施工中得到了广泛的应用。塔机的安全性能要求非常高，同时对施工进度影响很大，一旦发生倒塔事故涉及面很宽，极有可能发生群死群伤的特大事故。随着塔机越来越广泛地使用，塔机的安全事故也频频发生，据统计，2005年全国共发生建筑施工安全事故1010起，死亡1195人，其中不乏塔机事故。
　　为保证塔机的安全使用，国家相继颁发了《塔式起重机安全规程》、《塔式起重机技术条件》、《塔式起重机操作使用规程》、《起重用钢丝绳检验和报废实用规范》、《建筑机械使用安全技术规程》以及《特种设备安全监察条例》、《建设工程安全生产管理条例》和《建筑施工安全检查标准》等标准和法规，对建筑工地用起重机械的制造、安装和使用进行了约束，然而由于各种因素，目前我国塔机事故率仍然居高不下，因此，提高塔式起重机械的可靠性和使用寿命成为目前亟待解决的问题。
　　1、我国塔式起重机现存的问题
　　目前，我国塔机在设计、制造、使用等方面存在如下问题：
　　（1）塔机超年限使用。
　　根据国外文献，zui大起重量小于10t的塔机的使用寿命为10年，等于或大于10t的塔机的使用寿命为16年，而据对施工单位和塔机生产厂家的的调查，目前施工单位使用的塔机中有相当数量是20世纪60、70年代设计、应属淘汰的机型，而且这些塔机一般服役时间较长，部分已达20-30年。
　　目前国家相关标准没有确定塔机的强制报废年限，有些塔机使用了20余年仍在服役，已大大超出了其设计寿命，其可靠性根本得不到保证。特别是安全装置及防护措施不全，结构腐蚀严重及受力件塑性变形，致使整机功能降低，这样的塔机使用中的安全隐患尤为突出，zui易发生安全事故。
　　（2）塔机使用环境及地域不确定。
　　工程机械大都在野外工作，环境条件相当恶劣，不仅要经受风吹雨打、日晒雨淋，还要遭受雷击、冰冻等的影响，高温时可达60℃以上，低温时到了20℃以下。
　　虽然国家标准对塔机使用环境的风力有明确规定，但在不同地区施工时塔机所受风载差别很大，在不同地域工作尤其是冬季环境温度相差很大。普通结构钢脆性断裂的临界转变温度为-20℃，如果在低于这个温度的环境下工作并受应力集中、材质不均匀等因素的影响，钢结构件就容易发生脆性断裂。
　　（3）塔机出现疲劳裂纹。
　　由于受各种技术条件的制约，塔机金属结构在材质、构造形式及制造、加工、安装等方面都不可避免地存在一定的缺陷，这种缺陷在重复载荷的作用下，就会形成许多裂纹源并逐渐扩展。疲劳裂纹断续而且细小，存在于焊缝或构件的表面，裂纹取向一般沿着焊接接头的裂纹，多数存在于焊缝焊道间、焊趾处或表面缺陷等应力集中部位。对于使用年限较长的塔式起重机，主要受力构件及其连接焊缝*受到交变重复载荷的作用，疲劳裂纹大量增加而且不断扩展，结构疲劳也在不断加剧，当损伤积累到一定程度后，遇到偶发事件或超载，在恶劣工况下甚至是正常载荷作用下，都可能导致细小裂纹迅速扩展形成连续裂缝，造成结构撕裂破坏而引起突然的断裂事故。
　　另外，某些塔机生产厂家为了降低制造成本，不严格按设计标准选材，致使塔机结构刚度不能满足国家标准的要求，造成安全性降低，进而埋下事故隐患。
　　（4）塔机*超负荷运行。
　　目前，很多施工企业为抢工程进度、减少开支、压缩企业运营成本，设备被迫处于连续运转状态，基本上是从*个工地结束工作后立即转场进入下一个工地，设备得不到正常的检查和维修保养，带故障工作现象普遍，导致工作机构和钢结构过早产生疲劳破坏，使用寿命迅速缩短，母材断裂或焊缝开焊而酿成的突发事故增多。
　　通过检测和调整发现：
　　①使用年限超过15年的塔机，其主要受力部位一般都存在不同程度的疲劳裂纹，而且有的已相当严重。
　　②这类疲劳裂纹不仅存在于关键连接焊缝上，而且在主要受力杆件或板件的母材上也同时存在，只是缺陷多少与严重程度不同。因此可以说，疲劳裂纹具有结构整体分布性。
　　③使用时间越长，缺陷越严重。这类缺陷的客观存在，在大多程度上将对塔机造成失效破坏，目前还未见有专项研究和报道，只能从失事设备个案中得到证实。在我国有很多此类状况的塔机在“超期”使用（甚至有些租赁公司用低价购置这类曾因各种原因被淘汰的塔机出租），安全隐患堪忧。
　　总之，在塔机的设计、生产和使用中，人们对结构件的静强度及整机性能均比较重视，而对其疲劳性能和使用寿命则往往难以进行准确的计算，目前我国也无统一的塔机使用报废年限和结构件寿命评估标准。
　　只有对*在用的塔机重要零部件的应力（使用状况）、缺陷（存在的缺陷情况）以及材料的力学性能三要素进行全面了解与分析，并做出科学的评价（断裂安全评价、塑性破坏安全评价或者是疲劳安全评价）之后，才能够给出设备的合理使用年限或预期使用寿命。
　　2、加强可靠性设计及寿命评估
　　基于国内塔机在设计、制造、使用等方面的实际情况，应该对塔机进行可靠性设计和寿命评估方面的研究，一方面提高塔机的可靠性，延长其使用寿命，保证其在寿命期内能够安全使用；另一方面，也不会因设备使用频率低而到期报废或发现有疲劳裂纹等缺陷就马上对设备进行修理或作报废处理，造成不必要的经济损失。
　　塔机的钢结构疲劳断裂在塔机事故中占有很大的比例。疲劳断裂应力比静载荷下材料的抗拉强度低得很多，甚至比屈服强度也低得很多。不管脆性材料或塑性材料，其疲劳断裂在宏观上均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂，故疲劳断裂一般表现为低应力脆性断裂，疲劳破断是损伤的积累。
　　在恒应力或恒应变下，疲劳将由3个过程组成：（1）裂纹的形成（形核）；（2）裂纹扩展到临界尺寸；（3）余下断面的不稳定断裂。疲劳断裂过程不同于一般静力断裂过程，它是损伤积累到一定程度，即裂纹扩展到一定程度后才突然断裂，在断裂前要经过较长时间的应力循环。疲劳的研究，一方面是从宏观即从分析疲劳应力或应变着手，研究疲劳载荷下的力学规律，建立一系列疲劳抗力指标，如σ-1等；另一方面从微观机制着手，研究在疲劳载荷下金属内部组织结构的改变和断口形态，寻找疲劳裂纹产生的原因和裂纹扩展的机制及影响因素，从而寻找提高疲劳抗力的途径。
　　可靠性设计是基于强度应力干涉模型理论的一种设计方法，其基本目标是，在一定的可靠度下保证零部件危险断面上的zui小强度（抗力）不低于zui大的应力，否则，零件将由于未满足可靠度要求而导致失效。
　　采用有限元分析法，应用ANSYS等软件对塔机进行应力分析与应力计算，并在此基础上对塔机进行可靠性优化设计，可以增强其安全性能，延长其使用寿命。
　　目前，在塔机起重臂设计中，采用类比试算较多，其设计方案虽能满足要求，但因参数不匹配，起重臂受力和应力分布不合理，从而增加了起重臂重量。随着塔机的广泛应用和大型化，起重臂的参数匹配和结构优化更加重要。
　　在对塔机进行安全寿命评估中，要计算其钢结构的疲劳强度，zui大应力法和应力幅法是常用的疲劳强度计算方法。按照GB/T 13752-1992《塔式起重机设计规范》规定，在计算结构疲劳强度时，应采用zui大应力法，但也可采用应力幅法。
　　近年来的研究表明，在钢结构焊接部位，应力幅法比zui大应力法更能反映结构疲劳的实际状态，因而在各类起重机钢结构的疲劳强度计算中采用应力幅法的越来越多。采用应力幅法进行寿命评估时，必须知道所有疲劳危险点的应力幅值以及应力幅谱系数。目前可采用期限元分析法获得所需数值，或更简便地采用传统的计算公式，并通过实测验证后加以应用。
　　应力幅方法实际上是通过试验来确定不同构件的疲劳性能，是目前金属结构件疲劳验算普遍采用的一种方法，简单实用。但规范中对节点和构件的疲劳计算是基于验算部位满足规范规定的质量等级，而在金属构件的实际制作过程中，受制作工艺、焊工焊接水平的限制，不可避免地存在各种缺陷，缺陷尺寸有时会大于规范的规定值，此时结构件的疲劳性能难以按规范验算公式进行计算，有效的方法是运用断裂力学分析方法对其进行分析。（来源：《建筑机械》）