塔式起重机标准节连接套裂纹成因分析

塔式起重机标准节连接套裂纹成因分析
塔式起重机塔身标准节的联结方式大部分使用有套柱螺栓联结、承插销轴联接等。

其中,套柱螺栓联结因其安装速度快、使用方便等特点在中小型塔机中得到更加广泛的应用。

在实际使用中我们发现,这种联结形式易使连接套与主弦杆的焊接部位产生裂纹,严重的甚至导致塔身主弦杆折断,造成整机倾翻事故。

1 产生裂纹原因
针对这种现象,从设计、制造、使用等几个方面展开分析。

1.1设计方面
影响裂纹产生的因素主要包括连接套的焊接位置和形状。

以前我公司生产的QTZ315塔式起重机标准节主弦是圆管，连接套焊接后，横断面应力集中，当塔身受力不均时导致连接套处焊缝撕裂出现安全事故，所以此种产品已经淘汰，目前我公司在用的起重力矩在63t.m 或125t.m左右的塔机,标准节主弦杆普遍采用角钢扣方或成型方管,连接套一般焊接在角钢扣方或成型方管的相邻角或对角位置,如图一所示。

a
b
图一（连接套焊接位置示意）
1)主弦杆如果采用角钢扣方,则角钢在焊接成方钢后,为了保证顶升套架的导向轮沿着主弦杆角边顺利顶升,一般都将扣方的角钢原始直角朝塔身标准节的四个角。

由于角钢扣方时已经进行对角焊接,再与连接套焊接则属于重复焊接(如图1-a所示),不利于焊缝的探伤检查，而且属于严重应力集中。

2)主弦杆如果采用成型方管,则因为其圆角处受冷弯制作的影响,材料组织结构在圆角处发生内侧受压、外侧受拉的变化。

连接套在该处焊接时,也很易造成应力集中(如图1-b所示)。

3)连接套主要采用圆钢加工好螺栓孔后与主弦杆在组焊工装上进行焊接,从而使主弦杆焊接连接套部位截面与其它部位截面产生一个程度较大的突变,造成应力集中。

4)某些设计单位在选用标准节螺栓时,仅考虑螺栓强度满足使用要求,未考虑螺栓预紧力矩能否满足防松的要求。

若螺栓预紧力矩不能满足防松要求,引起螺栓受力不均,易导致连接套受力偏大,发生强度破坏。

1.2制造方面
影响裂纹产生的因素主要包括塔身标准节的尺寸精度及焊接质量。

1)尺寸精度主要体现在连接螺栓孔相对尺寸、标准节主弦杆相对错位尺寸、标准节端面平面度、标准节端面相对标准节中性轴的垂直度等。

在此我们主要讨论标准节端面平面度的影响。

目前标准节制做主要采用4根主弦杆1组进行端面铣削加工,然后用工装夹具定位后与腹杆组焊。

塔身标准节端面平面度精度较差,表现为标准节4根主弦杆有1根安装时不能正常接触,存在缝隙，形成点接触或者线接触;或者同一角度主弦杆对接后1只连接套先接触,主弦杆和另一角连接套分别存在缝隙。

这两种情况将对连接套的受力产生较大影响,连接套焊缝易发生强度破坏,产生裂纹。

2)焊接变形与应力对焊缝的危害不可忽视，产生变形，可能是焊接结构尺寸不合要求，组装困难，间隙大小不一致等，从而影响焊件质量；焊接残余应力会增加工件工作时的内应力，减低承载能力，还会引起裂纹，甚至造成脆断，应力的存在会导致应力腐蚀裂纹；还有参与应力也是一种不稳定状态，在一定条件下会衰减而产生一定的变形，使构件尺寸不稳定，所以减少焊接变形和应力是十分必要的。

有些生产厂家对焊接工序制定了相关工艺,但没有严格执行,缺乏监控记录。

有些生产厂家现场操作工人往往是凭借个人的焊接经验施焊,或者为了提高焊接速度采用大电流高电压焊接。

我国现行建筑工业行业标准JG/T5112-1999《塔式起重机钢结构制造与检验》明确规定,焊接时必须严格根据焊缝高度选择相应的焊接参数施焊。

焊接电流电压过小,母材不易熔合,容易产生未熔合、未焊透等缺陷;焊接电流电压过大,焊缝往往一次成型,热影响区较大,母材与焊缝连接处易产生缺陷。

如前几年我公司生产的小型塔机，标准节是无缝管，连接套焊接后在端面产生很大的应力，当塔身受力不均或产生的弯矩较大时，出现将主弦杆从连接套焊缝处撕裂开而导致事故。

1.3使用方面
影响裂纹产生的主要因素包括使用单位未按要求定期检查连接螺栓是否松动及是否违章超载。

1)有的使用单位未按照产品说明书要求定期检查标准节连接螺栓,存在使用中连接螺栓松动的现象,使得连接螺栓受力不均匀，会导
致螺栓受很大的剪切力，从而使螺栓剪断。

而且由于螺栓的松动,导致塔身的变形增大,使塔身的附加载荷增加,对塔身主弦杆受力产生不利的影响。

2)违章超载也将导致塔身主弦杆受力增加,连接套受力偏大,发生强度破坏,产生裂纹。

2 改进建议与措施
2.1设计方面
1)参考一些国内外知名厂家的产品设计以及实际使用过程中的对比情况,建议可采用抗剪销轴或抗剪螺栓连接。

如要采用连接套连接方式,也应尽可能使连接套布置在避免应力过于集中的位置。

2)主弦杆焊连接套部位与其它部位截面之间采用连续过渡,减少应力集中。

选用连接套时可采用燕尾形连接套(如图2所示),既能保证焊缝长度也能避免应力集中。

也可在主弦杆内焊连接套部位与其它部位之间过渡处增加一块筋板,以实现截面连续过渡,减少应力集中。

3) 选用标准节螺栓时,除考虑螺栓强度满足使用要求外,还应对预紧力矩进行验算,确保选择的高强度螺栓满足防松要求。

2.2制造方面
1)提高塔身标准节的制造精度。

应提高加工设备的精度,同时为减小焊接变形,标准节组焊应尽可能在工装上进行。

如应生产进度等因素难以满足时,也应尽可能多点定位焊,减小起胎、吊装、转运及焊接过程中引起的变形。

2)严格执行焊接工艺,按规定的参数进行焊接,并进行记录。

对于关键焊缝及重要焊缝应按要求进行探伤检查,确保产品焊接质量。

焊接变形可以采用焊缝对称或分段焊等方式，采用反变形工装使工件变形量达到最小。

采取合理的焊接顺序，使焊缝能够自由地收缩，以减少应力和残余应力。

采用小能量、多层焊，也可减少焊缝应力，或者焊前预热可以减少工件温差，也能减少残余应力。

2.3使用方面
1)使用单位应定期检查标准节连接螺栓是否松动,如有松动应按照产品说明书要求拧紧,确保螺栓预紧力达到规定要求。

2)严格按照产品说明书规定的起重曲线进行吊载,不得违章超载,防止发生事故。

简言之,塔式起重机塔身就是用连接套、高强螺栓或者销轴把标准节连接起来，塔身有以下几个受力特点：
(1)塔身受力工况差。

(2)塔身主弦杆所受应力频次多。

(3)塔身主弦杆所受应力幅大。

一般造成设备出现故障或发生事故的原因有多方面的，从经验数据来看，标准节连接套处出现问题造成塔机倾翻为普遍，就全国因为标准节连接套处产生裂纹致使塔机倾翻的事故数据统计分析，设计、制造也存在着很多问题，如连接套设计长度不够，造成应力过于集中,焊接工艺（起点、层数、电流、焊材、设备、预应力消除）和质量问题,钢材材质化学成分和物理特性不符合标准。

为了确保塔式起重机的安全使用，液压自升塔式起重机塔身的承载能力，安装垂直度，爬升架设安全顺利，对构成塔身的标准节制作质量必须严格控制，从设计、下料、制作工艺、焊接工艺等方面予以重视。