塔机安全问题分析及超龄塔机的安全评估与检测

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随着我国城市化建设进程的加快，塔式起重机(以下简称塔机”)的社会保有量持续攀升。与此同时，-些塔机安全事故甚至重大伤亡事故也不断发生，其中，未经过安全评估的接近或超过设计年限的塔机仍然继续服役，无疑成为造成各类事故的直接隐患lJ。安全非儿戏，安全在于防范”，塔机使用中的安全问题其实更依赖于塔机操作者和管理者平时的自觉维护和自检。然而在实际操作中，与塔机安全相关的因素非常多，对于很多评估问题业内也尚未取得共识，各相关单位的评估方法和所用检测仪器也不尽相同。本文仅就影响塔机安全的产品设计和安全监控技术环节进行分析，并就超龄塔机的安全评估与检测工作的相关内容进行讨论。

1 塔机设计中的安全问题针对塔机设计环节中的安全性问题 ，除了《机械设计手册》中通用的机械安全设计原.UJ'I-，国家和相关部门还制定了-系列完善的标准与规范，相关标准有 GB 3811《起重机设计规范》、GB5144(塔式起重机安全规程》、GB/T 5031《塔式起重机》等。

然而在-些细节上，也经常会出现标准不能完全覆盖到的方面，这时如果设计人员随意定夺，不从实际情况和相关经验出发，就很容易给产品带来安全性缺陷翻。从已经发生的重特大事故来看，以下比较突出的安全问题应引起设计人员的高度重视。

1.1 设计寿命问题到目前为止，大多数的产品使用说明书对塔机的设计寿命都未加以明确。虽然目前国家没有确定塔机的强制报废年限，但 JGJ/T 189-2009《建筑起重机械安全评估技术规程》对各类塔机需进行安全评估的年限都作了详细规定，所以塔机的使用说明书中也应明确规定本机的设计寿命并对安全评估年限做出提醒，以供使用者参考。如果使用者不了解这些，就会出现塔机到期不查或者使用了二、三十年甚至更长时间还在继续使用的情况，这会大大增加塔机安全事故发生的可能性。

1.2 安全保护装置问题2006年颁布的GB 5 144-2006《塔式起重机安全规程》对安全保护装置的功能要求作了详细规定，并强制要求作业中的塔机上必须安装安全监控保护装置。即便如此，塔机的安全事故发生率作者简介：姚克恒(1982-)，男，江苏南京人，工程师，硕士，研究方向：机械产品检测技术。

- 38- 还是居高不下，其主要原因有：1)保护措施功能不够齐全有力矩限位和荷载限制功能，对于工作在高层及超高层建筑的塔机来讲是远远不够的。诸如塔机的回转角度、幅度、起升瞬间加速度和风速等外部环境因素和运行状态参数对塔机安全性能的影响是非常大的，这些参数的异常足以引起塔机事故的发生f31。

但是很多塔机不具备对这些不正常运行数据的管理和监控功能，导致很多诚下工作人员操作不当或强行在恶劣的环境下操作塔机，从而引发事故；2)监控系统仅限于塔机群小范围的监控 ，对大范围或是不同区域的塔机进行实时监测 、管理、综合判断则无能为力。

因此，设计人员在进行新产品开发时，要对这些问题给予高度重视，应考虑在塔机中加入更加智能化的监控系统 ，使其具有记录不正常数据、远程监控塔机群、对塔机进行实时定位等功能 ，这些功能对于提高塔机的安全性和可靠性意义重大。

1.3 设计成本与产品质量的平衡问题成本和质量在现实中总是存在不可避免的反比关系。很多设计者在开发产品时，出于对企业经济效益的考虑，会降低对钢材的性能要求，造成产品质量存在隐患。另外 ，还有-些企业对生产过程的监督管理不完善，导致部分构件焊接质量差，致使整机质量大打折扣。安全评估部门在对新制造的塔机进行检测过程中就发现，不少型号的塔机设计刚度和强度都只是刚好满足国家标准，产品可靠性不高。

因此，设计人员在产品的开发过程中不应该过多地考虑成本，而应切实保证产品质量 ，使其满足要求。同样，作为用户 ，无论是单位还是个人，在挑选塔机时也不应过多地以价格为首要考虑因素，否则 ，很可能购买的是存在严重安全隐患的产品。

1.4 塔机结构和部件的选型问题塔机的整机结构也应严格按照相关原则设计，任何随意更改都可能带来安全隐患[4]。例如，有些厂家为了满足客户要求，无视设计准则要求 ，随意改变塔机的臂长，改变支撑的形式，实际上这些改动都会加剧塔身的亿 ，降低塔机的稳定性。

此外 ，在某些部件的选型问题上，也应引起设计人员足够的关注，确保采用合理可靠的结构型式 ，例如：1)很多型号的塔机采用的是三位-体(即力矩、重量、幅度三限位于-体 )的限位装置，这种限位装置采用 自行车用的刹车钢丝绳来测量结构的负载变形 ，这种结构虽构思新颖，但经验证发现其很容易因损坏而失效；2)不少塔机的起重量限制器只控制最大起重量，不能控制各挡速度下的载荷，这样极易导致电机因超载而烧坏；3)某些塔机常采用的依靠 自锁制动的蜗轮蜗杆装置，也被证明在实际使用中并不可靠。其主要原因是：刚出厂时，蜗轮蜗杆没有磨损，能起自锁作用，但使用-段时间后由于磨损严重，同时塔臂在空载或吊载时都有-定的斜度，这就使得小车变幅机构在断电后仍然因惯性向较低方向滑行而造成事故；4)多数塔机选用的钢丝绳过渡滑轮直径太小，导致钢丝绳因弯曲半径过小而易损坏，这也是造成钢丝绳寿命缩短的主要原因之-；5)滑轮选用材质不耐磨导致滑轮更换频繁。

1.5 吊钩组的重量问题相关标准并未对吊钩组重量给出明确的设计要求，但吊钩组的重量直接影响到水平臂式塔机起升钢丝绳挠度和空钩下降陛能。重量过大会减小起重量，降低塔机的起重性能；相反，重量过轻虽然会增大起重量，提高塔机的起重性能，但会使得钢丝绳因挠度过大而易于与其他物体干涉造成事故 ，同时也使得塔机空钩下降性能较差。因此在吊钩的设计中，应当综合考虑各种因素，调整吊钩组的重量使其达到最佳状态。

1.6 设置载重小车防侧翻装置的问题对于采用水平臂架小车变幅的塔机，其载重小车安装有起重用滑轮组 、行走用车轮、维修用平台、牵绳张紧装置等。相关标准已对相应部件作了规范，同时也对载重小车防断绳提出了要- 39- 求；另外，考虑到载重小车滚轮轴的不安全性，应在载重小车架上设计防断轴坠落装置。但是在工程实际中经常存在载重小车坠落造成的重特大伤亡事故，且大部分是 由于载重小车的侧翻酿成 ，即当维修用平台载重后，载重小车的另-侧翘起，进而滚轮从起重臂下弦杆上表面滑落，载重小车整体向-侧倾翻。究其原因是塔机设计时没有对载重小车的防侧翻性能进行验算和确定其侧翻临界载荷。因此设计人员对此应给予足够重视 ，在设计时必须限制维修用平台的超载，并在醒 目位置标定其最大载重量。

1.7 设置爬梯护圈和手扶栏杆的问题2006年之前颁布的GB 5 144塔式起重机安全规程》对于塔机的爬梯护圈和栏杆等安全防护装置的设置并未给予明确规定，可能是考虑到这些装置的设置会给结构设计带来-定的难度。其结果是导致很多塔机的爬梯护圈和手扶栏杆不全，甚至完全没有。这显然会给施工留下了安全隐患，因为-旦发生人员坠落，塔机结构本身起不到防护作用，必然会酿成伤亡事故。在新版标准中，对这部分的内容进行了修订，这里有必要提醒设计人员，应严格按照新标准的要求进行塔机设计。

1.8 使用地域对塔机安全的影响虽然国家标准对塔机的使用风力有明确规定，但由于国家对建筑市场的开放，塔机使用的地域越来越广。例如 ，本来是根据内地市场设计制造的塔机，结果到沿海地区去施工，就会因设计时对塔机考虑的风载不同，而导致在使用中存在隐患。所以，在使用说明书中明确塔机的使用地域也是非常必要的。

2 塔机安全监控系统的发展趋势从宏观上看 ，塔机安全监控系统属于塔机自动化系统的-部分，它和运行控制系统、自诊断监控系统等系统的功能有很多是相互交叉、相辅相成的。先进有效的塔机安监系统对提高可靠性 ，提升作业效率，及时发现塔机关键部件的故障，保障安全生产都是极其重要的。GB 5144-· - - - - 40·---2006塔式起重机安全规程》明确规定塔机必须配备监测与安全保护装置同。

我国的塔机安全保护装置研制大约始于 20世纪 50年代后期，主要经历了机械式、电子模拟式、数字式及微机控制式等形式，由于起步晚，技术水平较低。早期主要集中在起重量超载限制器、力矩限制器、幅度和高度限位器等这些安全装置上↑期也出现了如北京恒美工控、济南富友慧明、宜昌鑫扬等厂商研发的各种塔机安全监控管理系统。这些系统综合了微电子、信息传感、通信及计算机软件数据处理等技术 ，将各种安全装置功能进行有效集成，统-综合监测管理 。

反观国外先进的塔机生产厂商，其产品的安监系统都普遍融合了传感器技术、嵌入式技术、数据采集技术、数据处理技术、无线传感网络与远程通信技术等高新技术 ，通过前端监控装置和平台无缝融合 ，能将塔机运行工况安全数据和报警信息通过 3G无线等网络技术实时发送到远程可视化监控平台，实现开放式的实时、动态塔机作业监控，其技术的先进性和可靠性普遍胜国内企业-筹。

同时，国外高水平的安全监控和自动化系统通常都致力于应用新型技术和科技成果。如德国的 LIEBHERR起重机，采用激光装置测量起吊物的重心位置，依靠超声波传感器引导取物装置抓弱物；法国POTAIN公司在其 MD系列的塔机中，安装了智能化的微机辅助保养和微机辅助驾驶系统，这种智能系统能记录塔机系统相关参数并存储各种故障、易损件磨耗程度和使用寿命等信息。英国-些厂家生产的塔机还配备了无线遥控功能，安装了智能近场感应系统，可有效避免起重机之间的相互碰撞嗍。

因此，研究开发新型高效的塔机安全监控系统对塔机安全工作有着相当积极的意义。这种系统应和微电子技术、计算机技术、智能仪表技术及传感器技术相结合，其功能不仅要对塔机工作时的载荷、力矩起到限制作用 ，更应能随时监测包括起升高度、风速、起升角度、工作幅度甚至钢丝绳状况、油温、振动情况等关于塔机状态的准确信息。同时还要使塔机有较强的自动控制功能及 自诊断能力和智能化程度，以降低操作和维护劳动强度并保证塔机的安全。

总体来说，从借鉴国际先进技术和有效预防塔机安全事故的角度出发，我国的塔机监控系统应从以下几个方面着重突破：1)突出系统的集成化、信息化、智能化。伴随着计算机技术、自动控制技术、传感器技术的发展，塔机安全监控系统应具有更高的信息采集和数据处理能力，并具有能根据被监测对象的各种即时参数进行更智能的有效的危险性判别、分析和提出专家决策方案的功能，从而大幅度提高塔机安全监控的效率和质量；2)突出监”和测”控制记录的-体化、整合化。特别对于大型塔机系统，由于其设备昂贵、结构复杂，对于监测控制系统要求更高，-体化的塔机监测控制系统更是其发展方向。所谓的-体化塔机监测控制系统是指其集成了运行控制系统、安全监控系统和自诊断监控系统的功能，能够统-控制塔机设备和监视塔机运行状态，并能实时记录和存储塔机的工作状况 ，随时对违规操作进行科学检测，为设备有效管理提供真实可靠的数据。该系统能有效预防事故的发生，杜绝安全生产隐患，同时也可为质监管理部门提供详实的数据查询，实现塔机生产的量化管理；3)积极加人新技术新成果，开发新型软硬件系统。要更好地实现系统的监测监控，必须在软硬件技术上同时着手，将最新的技术和成果加入进来。例如传统的塔机监控系统采用有线通信方式，传感器与控制台、控制中心采用有线连接，施工困难，花费大，而且往往无法满足复杂环境下实时l生、可靠性的通信要求↑些年在监控领域兴起的无线传感器网络监控方式则具有 自由网络组织、动态拓扑、多路由等优点，可以克服特殊地理和气候环境的障碍 ，且易于扩展 ，具有传统有线监控系统无法比拟的灵活性嘲，所以将无线网络技术应用到塔机监控系统中，具有良好的应用前景；4)突出监控系统的黑匣子”功能。具备类似于飞机的黑匣子功能的监控系统，可以使用户在使用和维护塔机过程中，利用记录的数据快速准确地判明塔机的故障、性能及其变化趋势，以便制定合理的维修周期和维修方案。而且监管部门还可以根据记录的数据，对已经发生的事故塔机进行科学可靠的事故评定。甚至在设计新型塔机时，技术人员可以充分利用样机、原理机上所记录的大量数据来指导塔机设计 ，使塔机有更好的安全性能和经济性能。

值得-提的是，通过技术改造增设安全监控系统也是针对超龄塔机安全生产的有效措施。-些单位成功地为老旧塔机增设了安全监控系统，实现了智能监测、采集数据、数据分析及预警的目的。这种安监系统采用成品安装方式，施工方便，成本低廉，且可以重复利用 。如果可以进-步提高整体可靠性和稳定性，对于国内众多的超龄塔机将具有非常现实的意义。

3 超龄塔机的安全评估与检测为了应对建筑起重机械安全问题越来越突出的现状，国家相关部门和行业内部都非常重视，专门针对在用建筑起重机械安全评估检测及使用寿命问题制定了JGJ/T 189-2009《建筑起重机械安全评估技术规程》，将塔机的无限寿命管理”变为了有限寿命管理”，并对塔机的超龄使用问题及各项安全评估细则、流程等都进行了规范，如按起重力矩划分了塔机应进行安全评估的年限，以及评估报告的有效期 、各评估要求的具体部位和判别标准等，具有非常重要的意义问。

由于每台塔机的使用情况不尽相同，个体差异很大，评估检测人员除了要严格执行规程外，还应从经济陛、可操作性、合理性的角度出发，根据工程经验有针对性、有重点地对塔机的主要关键项目展开测量检验。对于超龄塔机的安全评估检测点的抽样，还要采取区别于常规的检测抽样方法。

3.1 结构件锈蚀与磨损检测锈蚀与磨损是塔机各个结构件在多次使用后出现的正常现象，也是对长期服役机器的必检项目。检测时必须将塔机全部解体，可以先进行外观检查并测量其损伤程度，对各易损件应按其- 41- 各 自允许的极限磨损值和相应损坏标准作出处理，或修复或报废。处理的原则应当从以下几方面考虑，即：对整机的使用功能的影响，对工作效率的影响，对安全和环境保护的影响，对零件强度的影响，以及零件是否达到或接近急剧磨损的阶段。

检测重点主要集中在起重臂金属结构部分：起重臂主弦杆、塔身节主弦杆、塔帽根部及顶部连接拉杆座、平衡臂与转台连接处、回转支承座连接处。还应注意以下各机构的主要部件：包括传动齿轮、齿轮联轴器、主轴和传动轴、滚动轴承、蜗轮传动副、螺栓连接部位，以及起重零部件如钢丝绳、吊钩、卷筒和滑轮、制动器等。

3.2 结构件裂纹检测塔机的工作环境恶劣，塔身结构焊缝多，在正常工作-段时间后，经常会因金属疲劳而产生疲劳裂纹。疲劳裂纹不易察觉但极其危险，使用中常会在无预兆的情况下，使受力关键部件突然脆性断裂，造成塔机倾覆或从高空坠落。鉴于事故发生的突然性和危害性 ，为了防范风险，对于超龄塔机，应着重检查其结构的金属疲劳裂纹 ，这也是 JGJ/T 1 89-2009《建筑起重机械安全评估技术规程》中反复强调的内容。

金属疲劳裂纹是由于金属构件长时间承受交变荷载的作用，被交变应力所屈服而形成的。

从众多的事故分析和相关人员的经验来看，塔机的疲劳裂纹多发生在这样几个区域 ：结构承受应力集中区、构件变截面区、承受应力薄弱部位、金属硬度高而截面小的构件以及焊缝与母材熔合线之间。其产生最初是金属表面局部出现点状疏松 ，随着使用时间的延长和交变应力的作用，点状疏松渐渐演变成细微裂纹，裂纹首先是从金属表面开始，渐渐变长并且向金属的深度扩展 ，在这-变化过程中，裂纹的长度和深度变化大，而裂纹宽度变化却很小 ，因此，人的眼睛难以发现。

裂纹渐渐加深 ，金属构件截面渐渐减小 ，当截面承受最大拉应力小于荷载拉应力时就会发生突然脆性断裂。

根据塔机的结构和工作情况的特点 ，塔机的探伤检测较常使用的设备是磁粉探伤仪和超声- 42- 波探伤仪 ，其中磁粉探伤仪使用时间较长，技术也较为完善。

在探伤过程中以下结构部位是检测的重点 ：1)行走底盘及底座的最大受力或变截面应力集中部位；2)回转平台支承座主要受力焊缝及变截面应力集中部位；3)起重臂根部焊缝、主弦杆连接焊缝部位；4)平衡臂(转台)主结构连接焊缝部位；5)塔身节主弦杆连接焊缝部位；6)塔帽或塔顶构造主弦杆连接焊缝部位；7)附着装置主结构连接焊缝部位；8)顶升套架爬爪座、主弦杆支撑横梁等连接焊缝部位等；9)目测可疑的其他重要部位。

相应部位在出现裂缝时，应认真分析其原因指导修复和更换。其原则可以根据受力情况和裂缝情况采扔强或重新施焊措施，以阻止裂纹的扩展；但对因材质不符合要求的，或由于主要受力构件产生塑性变形，致使工作机构不能正常安全运行的都应予以报废并更换。

3.3 结构件变形检测超龄塔机结构件变形主要包括钢结构长期承受载荷后残存的变形和受超载载荷作用造成的变形。该项检测主要是用直线规、经纬仪、卷尺等器具进行测量，得出直线度等形位偏差。检测重点主要集中在塔身节主弦杆直线度偏差、对角线偏差、塔身垂直度；起重臂、平衡臂、塔帽、顶升套架主弦杆直线度偏差等。

3.4 销轴和轴孔磨损及变形检测销轴和轴孔作为塔机结构件主要连接件，-旦发生断裂失效，可以直接导致严重事故。JGJ/r1 89-2009(建筑起重机械安全评估技术规程》中对销轴和轴孔的直径磨损变形量的判别标准最为严格，要求不得大于 3%。检测重点主要集中在起重臂、平衡臂臂架节间及其根部连接、拉杆连接、塔帽根部连接等经常承受动载荷的部位。

3.5 主要零部件、安全装置、电气系统及防护设施的检查与检测检测应包括下列内容 ：1)主要零部件包括制动器、联轴节、卷筒与滑轮、钢丝绳、吊钩组等；2)安全装置包括各类安全限位开关与挡板、小车断绳保护装置、动臂变幅防臂架后翻装置、小车防坠落装置、缓冲器、扫轨板 、抗风防滑装置、钢丝绳防脱装置等；3)电气系统包括电气控制箱、电缆线、电气元件等；4)防护设施包括走道、工作平台、栏杆、扶梯等。此外，还应注意经常检查塔机液压系统的可靠性。

3.6 结构应力检测结构应力检测-直是-项业内针对大型钢结构强度考核 ，简单而可靠的技术措施 。GB5144-2006《塔式起重机安全规程》和 JGJ/T189-2009建筑起重机械安全评估技术规程》中规定：塔机主要结构件由于腐蚀而使结构的计算应力提高 ，当超出原计算应力的 15%时，则应予以报废 ；起重机主要受力构件如塔身、臂架等，在失稳或损坏后经更换或修复，检测其结构的应力不得低于原计算应力，否则应予以报废嘲。

应力检测时的测点布置是特别需要重视的- 个环节，对于不同型号的塔机，其测点应是事先结合其尺寸和结构特点，经过理论计算而得出的各部位应力较大的关键区域 ，只有这样才能有效地指导操作人员贴放应变片，并保证采集到可靠的数据。同时为了保证应力数据的完整性，还应注意塔机空载、额定载荷及超载试验三种情况下都给予记录并区分。以上这些检测项目的评估判别标准(包括壁厚、裂纹和变形)都已经在JGJ/T 1 89-2009《建筑起重机械安全评估技术规程》的第五部分详细给出，检测结果的判定应严格遵照执行。

4 结束语塔机是建筑施工必不可少的机械装备，如何科学可靠地对塔机进行安全性评定并给予改造建议，-直是塔机业内广泛关注的话题。除了严格执行 GB 5 144-2006塔式起重机安全规程》和JGJ/T 1 89-2009建筑起重机械安全评估技术规程》等国家和行业标准之外 ，此类工作的人手点和方法还很多，本文着重阐述了塔机产品设计中应注意的安全问题和在用超龄塔机质量检测关键项 目，并从有效提高塔机安全性能的角度提出了开发新型安全监控系统的重要性，介绍了未来的发展方 向。