塔机标准节主弦杆断裂裂纹产生的主要原因

2005年在浙江杭州市某工地发生了一起因塔机地下节断裂而整机倾覆的事件，据调查分析，事故主要原因是塔机地下节主弦杆陈旧性疲劳裂纹扩展，导致整机倾覆。笔者经历了整个事件的经过，试分析其疲劳裂纹产生的丰要原因。
　　1、基本情况
　　(1)该塔机型号为QTZ80，2001年7月出厂后使用至今已是第6个工地，塔机额定独立高度45m，倾覆时安装高度42.5m，塔身从下至上安装次序为：地下节→基础节→加强标准节6节→标准节10节。
　　(2)该塔机所使用的地下节为上一个工地使用过的标准节(原设计地下节和加强标准节的强度比标准节高约1.5倍)，此为用户误用，塔机在该工地已使用4个多月。
　　(3)对断裂处材料进行化学分析、机械性能试验及断口晶相分析均合格，可排除材料因素。
　　(4)塔机倾覆时地下节2根主弦杆完全断裂，断口处60%以上陈旧性疲劳裂纹。
　　(5)对倾覆塔机的基础节、加强标准节6节及10节标准节上共22个点进行无损检测，发现18个点上有缺陷(即疲劳裂纹)，但该工地新使用的基础节完好没有缺陷。
(6)事故前作业时，在43.9m幅度处吊1.125t。
　　2、疲劳裂纹产生的特点
　　构件在交变应力作用下产生的疲劳破坏，与静载荷作用下的破坏截然不同，它有如下特点：
　　(1)该处存在交变应力，在载荷作用下，构件经历了许多次应力循环后，才会发生突然破坏；
　　(2)疲劳破坏时构件没有明显的塑性变形，即使是塑性材料，也呈脆性断裂；
　　(3)疲劳破坏时，断口处明显地分成光滑和粗糙两个区域(在该案例中，光滑区域己明显锈蚀)；
　　(4)疲劳破坏时的应力低于静载荷时材料的强度极限σb，甚至低于屈服极限σs。
该案例中断口处的情况，完全符合疲劳破坏的上述4个特点。
　　3、断裂裂纹产生的主要原因分析
　　导致塔机整体倾覆的主要原因是塔机地下节(该工地误用了标准节)主弦杆疲劳裂纹扩展，产生脆性断裂，那么，这台使用了4年多的塔机，其疲劳裂纹是否是在该工地产生的呢?
　　第一，疲劳裂纹产生于该工地的可能性较小。因为如果是在该工地使用的4个多月中产生了疲劳裂纹，那么在该工地首次使用的新基础节也应有缺陷，因为基础节安装在加强标准节下面，受力情况比加强标准节更严重，产生疲劳裂纹的可能性更大。
　　第二，疲劳裂纹最有可能产生在上一个工地。笔者了解到在上一个工地使用中，基础节主弦杆曾发生目视可见裂纹，当时在裂纹处进行局部补修后继续使用肉眼(下一个工地已换成新的)。在上一工地，该机用于建造农村多层住宅，主要用来吊混凝土罐，塔机满载荷使用的工况较多，而且不排除超载使用，而塔机倾覆工地使用的地下节，正是上个工地使用的标准节。
　　该塔机在4年左右使用时间后产生疲劳裂纹而整体倾覆，从技术上分析有3个主要原因：
　　(1)塔身受力工况差。上回转塔机的塔身承受交变载荷，且载荷应力正负值大小基本相等，称之为对称循环变应力。在同样载荷应力值条件下，达到疲劳破坏时对称循环变应力所需的循环次数比脉动循环变应力要少，也就是说，承受对称循环变应力的构件(塔身)将更早发生疲劳破坏。
　　(2)塔身主弦杆所受应力频次多。在正常额定载荷工况中，吊装一个工次，塔身主弦杆受到的对称循环变应力波次较少，波幅(应力幅)也在正常应力之内，而且波次和波幅减少较快；而在上述工况中，由于卸料速度快，整个塔机在平衡重的惯性作用下，循环波次增加，第二个波幅(应力幅)在惯性作用下并不亚于第一个。在相同在时间段内，应力频次增加会缩短塔机的疲劳寿命。
　　(3)塔身主弦杆所受应力幅大。由材料的疲劳曲线图可知，当材料承受的载荷越高，应力循环次数就越少，当材料承受的载荷超过疲劳许用应力，应力循环次数就大幅度减少，易发生疲劳破坏。
　　在该案例中，由于卸料速度快、负荷满，并且在塔机平衡重的惯性作用下，应力幅加大，应力频次也增加，构件受到很大的循环交变应力，当最大应力超过某一限度时，在构件的某一薄弱处(如应力集中处)首先产生细微裂纹(通常称为疲劳源)。在裂纹的不断扩展中构件截面被逐渐削弱，当截面削弱到一定程度时，由于不能承受所加载荷而突然断裂。
　　所以满载荷时快速释放重物，是造成在短时间产生疲劳裂纹的主要原因。