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，最大起重量小于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，最易发生安全事故。
　　（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长期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）塔机长期超负荷运行。
　　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，基本上是从第一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。
　　只有对长期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