塔式起重機(jī)整機(jī)傾覆事故原因

陳亞文 丁克勤 周 萍 周旭升

1.湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院 2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院

某高速公路特大橋建設(shè)工程是國(guó)內(nèi)重點(diǎn)工程項(xiàng)目，使用單位為了滿(mǎn)足工程的需要購(gòu)買(mǎi)了一臺(tái)國(guó)產(chǎn)普通塔式起重機(jī)，型號(hào)規(guī)格為QTZ63（TC5013B），2005年6月出廠(chǎng)，經(jīng)安裝調(diào)試、驗(yàn)收合格后交付使用。9月15日，在特大橋4＃橋墩安裝過(guò)程中，該塔機(jī)在頂升完成第13節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)時(shí)，由于頂升電機(jī)意外出現(xiàn)故障，不能進(jìn)行頂升加節(jié)作業(yè)，在等待維修期間發(fā)生了整機(jī)傾覆事故，造成2人死亡、2人重傷、塔機(jī)整體毀損的嚴(yán)重后果。

1 事故勘驗(yàn)情況

（1）整機(jī)傾翻后，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)踏步板方向朝南，引進(jìn)平臺(tái)朝北。

（2）吊鉤上未掛任何荷載（空鉤狀況），地面未見(jiàn)配平用的一節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)或其它重物。

（3）第1節(jié)塔身（標(biāo)準(zhǔn)節(jié)）基本完好，無(wú)明顯變形和損壞。

（4）從第6-13節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)側(cè)向平面相對(duì)于原安裝位置扭轉(zhuǎn)了60°左右。

（5）第13節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)與回轉(zhuǎn)下支座未見(jiàn)高強(qiáng)螺栓副連接；踏步板側(cè)靠右主弦桿向塔身內(nèi)彎曲；非踏步板側(cè)主弦桿（方管，規(guī)格為135mm×135mm×10mm）靠下部導(dǎo)輪位置存在一處變形尺寸深達(dá)21mm的壓痕，主弦桿管壁已被完全壓穿。

（6）爬升架毀損嚴(yán)重，導(dǎo)輪受到擠壓后變形嚴(yán)重，其中兩只導(dǎo)輪失效脫落后墜地，表面留下的擠壓印痕很深。

（7）液壓頂升機(jī)構(gòu)電機(jī)已燒毀損壞，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)三組繞組線(xiàn)圈中有兩組開(kāi)路，已不具備使用性能。

2 事故原因分析

2.1 技術(shù)鑒定

某機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量司法鑒定中心對(duì)該事故塔機(jī)第13節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿取樣做了材質(zhì)化學(xué)成分分析與力學(xué)性能試驗(yàn)，鑒定結(jié)果為合格。

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿材質(zhì)的化學(xué)成分符合設(shè)計(jì)要求（碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235B）；力學(xué)性能指標(biāo)σs、σb在合格范圍內(nèi)，而延伸率指標(biāo)稍低，原因在于該試驗(yàn)樣品取自事故狀態(tài)的塔機(jī)，非正常使用狀態(tài)導(dǎo)致材料出現(xiàn)冷作硬化，材料延伸率降低。

在頂升動(dòng)態(tài)工況下，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿的材料強(qiáng)度、剛度沒(méi)出問(wèn)題，在非工作狀態(tài)下（維修等待期間）理應(yīng)更能滿(mǎn)足要求。

2.2 技術(shù)指標(biāo)及規(guī)程

QTZ63（TC5013B）塔機(jī)使用說(shuō)明書(shū)規(guī)定：頂升作業(yè)前應(yīng)使用回轉(zhuǎn)制動(dòng)器將塔機(jī)回轉(zhuǎn)支承上部機(jī)構(gòu)處于制動(dòng)狀態(tài)；載重小車(chē)吊起一節(jié)760kg標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，停在頂升配平位置；開(kāi)動(dòng)液壓頂升系統(tǒng)，將爬升架及其以上部位頂起10～50mm時(shí)停止，檢查頂升橫梁等，爬升架傳力部件是否有異響、變形，油缸活塞桿是否有自動(dòng)回縮現(xiàn)象，確認(rèn)正常后，繼續(xù)頂升；在頂升過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)異常，應(yīng)立即停止頂升并收回油缸，將下支座落在塔身頂部，并用高強(qiáng)螺栓將下支座與塔身連接牢靠后，再排除液壓系統(tǒng)故障。

塔機(jī)安全操作規(guī)程表明：在塔機(jī)頂升加節(jié)過(guò)程中，當(dāng)下支座脫離了塔身頂部且未用螺栓連接好時(shí)，此時(shí)起重臂不允許回轉(zhuǎn)，載重小車(chē)不允許進(jìn)行任何變幅和吊裝作業(yè)。

2.3 現(xiàn)分析說(shuō)明理由

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，塔機(jī)的爬升架為空間桁架結(jié)構(gòu)，為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，可分解成平面桁架來(lái)進(jìn)行受力分析。

根據(jù)該事故塔機(jī)設(shè)計(jì)圖樣和產(chǎn)品使用說(shuō)明書(shū)，回轉(zhuǎn)以上部分及爬升架質(zhì)量為G＝37.5t，爬升架寬度B=1.993m，爬升架高度5.98m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)寬度b=1.6m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)高度h=2.8m。

頂升加節(jié)過(guò)程中，塔機(jī)上部結(jié)構(gòu)的受力分析如下：

配平頂升時(shí)：（正常情況之下，爬升架16個(gè)導(dǎo)輪無(wú)須考慮徑向壓力）。爬升架僅受到頂升油缸一個(gè)向上的力F1（F1=G），根據(jù)力學(xué)原理，頂升換步時(shí)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)上一對(duì)承力踏步板同樣也只受到來(lái)自頂升橫梁傳遞的力F2（F2=G），每個(gè)踏步板按照各自承擔(dān)G/2計(jì)算。

未配平頂升時(shí)：由于上部結(jié)構(gòu)重心位置相對(duì)于頂升油缸中心存在一定的偏心距離，根據(jù)力學(xué)原理，當(dāng)作用力不在軸心時(shí)，勢(shì)必產(chǎn)生偏心力矩M1。根據(jù)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)和相關(guān)計(jì)算結(jié)果可知，在不配平頂升時(shí)，前后不平衡力矩大小為24.835t·m，上部結(jié)構(gòu)重心偏離在頂升油缸右側(cè)平衡臂位置。因此，不配平產(chǎn)生的偏心彎矩M1為-24.835t·m（規(guī)定：順時(shí)針為負(fù)），該力矩通過(guò)前、后兩片平面桁架的四個(gè)導(dǎo)輪（上、下各兩個(gè)）形成兩個(gè)力偶，產(chǎn)生徑向壓力并通過(guò)導(dǎo)輪傳遞給標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿。那么，相應(yīng)承受壓力的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)產(chǎn)生反作用力并形成兩個(gè)反向力偶，使塔機(jī)上部結(jié)構(gòu)處于一種并不穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。這兩個(gè)力偶分別承擔(dān)M1/2，各自作用于套架前后兩片平面桁架的平面內(nèi)，此時(shí)桁架起到水平抗彎作用，但套架受力狀況惡化，上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差，且存在一個(gè)順時(shí)鐘方向（平衡重方向）的傾翻趨勢(shì)。

在事故狀態(tài)下［即頂升時(shí)下支座已經(jīng)完全脫離塔身頂部，且未連接螺栓，未按要求進(jìn)行配平（在規(guī)定位置，吊鉤上掛配平用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)）并回轉(zhuǎn)的情況下］，排除了強(qiáng)對(duì)流氣候可能造成龍卷風(fēng)攪動(dòng)起重臂的因素，現(xiàn)分析人為回轉(zhuǎn)起重臂的結(jié)果：

從正常頂升位置作順時(shí)針（或逆時(shí)針）回轉(zhuǎn)，在0～90°范圍內(nèi)回轉(zhuǎn)時(shí)：除G以外還將產(chǎn)生一個(gè)力矩M2，因此傾覆力矩M=M1+M2，M2=G乘以回轉(zhuǎn)后產(chǎn)生的實(shí)際力臂長(zhǎng)。

那么，在45°時(shí)，力矩M產(chǎn)生的彎矩分解成兩個(gè)力偶，但未完全作用在前后兩個(gè)平面桁架的平面內(nèi)；而在90°時(shí)，彎矩由前后兩個(gè)平面桁架承擔(dān)，且作用在桁架平面內(nèi)。

由上述計(jì)算結(jié)果可知，不配平頂升過(guò)程中，只要起重臂發(fā)生回轉(zhuǎn)，傾覆力矩將繼續(xù)增大；當(dāng)回轉(zhuǎn)角度達(dá)到135°時(shí)，力臂Lmax=2.236m，所增加的力矩M2為83.56t·m，此時(shí)傾覆力矩Mmax=M1+M2=108.39t·m，加之該合力矩并不完全作用于前后兩個(gè)平面桁架的平面內(nèi)，尤其是引進(jìn)平臺(tái)側(cè)（前平面桁架）上半部開(kāi)了一個(gè)較大尺寸的引進(jìn)窗口，剛性削弱很多，力學(xué)上屬于常變體系，相對(duì)其它三個(gè)平面桁架（左、右、后）而言，其水平抗彎剛度較差，在過(guò)大的傾覆力矩作用下勢(shì)必失穩(wěn)傾翻。

因此，事故狀態(tài)下，當(dāng)發(fā)現(xiàn)事故塔機(jī)液壓頂升系統(tǒng)電機(jī)意外燒毀，油缸不能回縮的情況后，因此時(shí)下支座與塔身螺栓完全拆開(kāi)分離，爬升架承受了全部重力和彎矩，塔機(jī)上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較差，根本不能承受任何附加的扭矩，起重臂（上部結(jié)構(gòu)）絕對(duì)不能進(jìn)行回轉(zhuǎn)。

2.4 傾翻過(guò)程分析

（1）現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)情況分析表明，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿踏步板側(cè)導(dǎo)輪處出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)性向內(nèi)屈曲失穩(wěn)，對(duì)角線(xiàn)上（引進(jìn)平臺(tái)側(cè)）靠下部導(dǎo)輪處出現(xiàn)很深的壓痕，巨大的傾覆力矩帶來(lái)的擠壓應(yīng)力導(dǎo)致主弦桿管壁被完全壓穿，計(jì)算分析說(shuō)明回轉(zhuǎn)角度a應(yīng)在120°～135°之間。

（2）在起重臂回轉(zhuǎn)過(guò)程中，隨著傾覆力矩的不斷增加和上部結(jié)構(gòu)重心的變化，爬升架與第13節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)強(qiáng)度先后遭到破壞。爬升架主弦桿首先出現(xiàn)屈曲失穩(wěn)，導(dǎo)輪受到過(guò)大擠壓力作用而失效脫落，繼而塔身無(wú)法支撐住巨大的傾覆力矩發(fā)生屈曲失穩(wěn)，最終導(dǎo)致了整機(jī)的傾覆。塔身傾覆時(shí)，第6-13節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)在臂架翻轉(zhuǎn)的帶動(dòng)下被迫順時(shí)針扭轉(zhuǎn)了60°左右，最后形成了與正常頂升方向位置相反的傾覆形貌，與現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)結(jié)果是完全一致的。

（3）第14節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)(引進(jìn)平臺(tái)上待引進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)節(jié))翻滾墜落后被遠(yuǎn)遠(yuǎn)地拋到4＃橋墩空腔中，完全偏離了正常頂升加節(jié)時(shí)對(duì)應(yīng)的方位，也證明了當(dāng)時(shí)起重臂發(fā)生了順時(shí)針?lè)较虻幕剞D(zhuǎn)。

（4）整體傾覆后，平衡臂從正常頂升加節(jié)位置（南側(cè)）失穩(wěn)傾翻后墜落到相反的方向（北側(cè)），也進(jìn)一步證明了當(dāng)時(shí)上部結(jié)構(gòu)（起重臂）確實(shí)進(jìn)行了順時(shí)針?lè)较虻幕剞D(zhuǎn)。

3 經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

（1）在事故塔機(jī)頂升加節(jié)作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)液壓頂升系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，作業(yè)人員未按照安全操作規(guī)程的要求及時(shí)處理，反而違規(guī)進(jìn)行了回轉(zhuǎn)作業(yè)，是導(dǎo)致本次傾覆事故發(fā)生的主要原因。

（2）頂升前沒(méi)有按照使用說(shuō)明書(shū)的規(guī)定進(jìn)行配平，是事故塔機(jī)發(fā)生整機(jī)傾覆的次要原因。

[1]特種設(shè)備安全監(jiān)察條例.國(guó)務(wù)院令549號(hào),2009

[2]郭鵬偉,劉振剛,王磊.冶金起重機(jī)事故分析及安全檢驗(yàn)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2014,（10）:105-109

[3]胡宗武.起重機(jī)設(shè)計(jì)和實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009

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