胡静波 赵 凯 倪大进南京市特种设备安全监督检验研究院 南京 210017
摘 要：对600 t 桅杆起重机进行安全性能评估，首先在对设备进行现场查勘的基础上，针对性的制定评估方案；其次根据评估方案的要求重点从设备金属结构进行设备的初步评估，在此基础上对设备提出修复措施；在修复完成后，对设备进行综合性的最终评估，并最终给出该设备的评估结论。本案例所采用的评估思路可对同类型大型起重机的安全性能评估提供借鉴。关键词：桅杆起重机；性能评估；应力测试；有限元仿真中图分类号：TH213.2 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）05-0037-04
1 基本情况桅杆起重机是一种以桅杆为机身的动臂旋转起重机，由桅杆本体、动臂机构、起升机构、变幅机构、回转机构和支撑稳定系统等部分组成。本文安全性能评估对象为一台600 t 门式单桅杆起重机。单桅杆起重机是指没有专门的动臂机构，主桅杆本体兼具有支撑、起升和变幅功能。主桅杆通过铰接的方式与基座相连，同时通过缆绳将桅杆顶部与地锚相连。
主桅杆为桁架结构，由主杆和连接架组成，桁架结构的上部是箱形结构的上横梁。主杆由无缝钢管组成，包括3 种不同规格。主桅杆由5 节分段组成，每节分段长9 m，通过螺栓连接。桅杆起重机如图1 所示。该起重机的额定起重量为600 t，最小幅度为6.5 m，最大幅度为19 m。当幅度在19 ～ 25 m 时，起重机的额定起重量按照一定的曲率变化, 幅度达到25 m 时，额定起重量为350 t，起重机的载荷曲线如图2 所示。
图1 起重机现场图
图2 起重特性曲线
该起重机1979 年设计制造后用于吊装国外的大型化工设备，自安装至2013 年未进行重大检修和更换部件，近年来主要用于大型设备的卸船，不频繁使用，起吊重载频率较低，尚未进行过主要金属结构的大修和更换。近期，该起重机在使用过程中时常发生两侧主桅杆变幅不同步的现象，故使用单位申请对该起重机进行安全性能评估。
2 评估方案及前期现场查勘2.1 评估方案确定由于单桅杆起重机的结构主要由主桅杆组成，故其安全性是评估的重点。根据起重机的实际情况和评估目的，结合使用单位需求，经过专家讨论及与使用单位的协商后，确定对该起重机的安全性能评估分为6 个步骤进行，评估流程如图3 所示。
图3 600 t 桅杆起重机评估流程
对起重机现场情况进行查勘，根据现场的实际情况判断该起重机是否具备继续使用的条件，若起重机状况非常差，主体结构发生严重腐蚀、变形等状况，则起重机无继续评估的价值，评估终止；若起重机主体结构未发生严重腐蚀、变形，经过修理能达到使用要求，则根据现场查勘的情况，结合使用单位需要，进行具体评估方案的制定。
评估方案依据相关安全技术规范和产品标准制定，并通过专家讨论和与使用单位协商的方式最终确定，在评估方案中应明确双方的权责。依据制定的评估方案进行初次评估，初次评估主要从金属结构腐蚀、结构变形、螺栓连接、销轴磨损等方面进行结构评估，并检查起重机的电气控制和安全保护装置，在初次评估中不做起重机载荷试验。根据初次评估的数据，若该起重机无法修复使用，则直接给出评估结论；若该起重机可通过解决措施进行修复，则对使用单位给出合理的维修建议，并请具有资质的施工单位进行起重机的大修。
在按照维修建议进行大修后，可进行起重机的最终评估，最终评估除常规检查外，将重点进行起重机的结构变形，强度测试，应力计算和整机性能试验。
2.2 现场查勘根据评估流程，首先对使用现场进行查勘。现场查勘主要检查金属结构腐蚀和变形情况，经过查勘发现主体结构的连接部位腐蚀较严重，如上横梁与主杆的连接法兰处（见图4a）、主杆与基座的连接部分（见图4b）、主杆休息平台处（见图4c）、而主杆和上横梁整体结构未发生较大变形和腐蚀（见图4d）。根据现场勘查情况，制定起重机评估具体方案。
图4 主体结构连接部位腐蚀情况
3 初次评估中发现的问题及解决措施3.1 初次评估根据起重机评估方案，初次评估在起重机不做载荷实验的情况下进行，主要是从锈蚀与磨损、结构变形、螺栓连接、销轴磨损等方面进行金属结构的检测。锈蚀与磨损的检测部位包括桅杆主杆各分段、横向连接弦杆、上横梁与桅杆连接处、上横梁、下支座以及目测可疑的其他重要部位。检测数量包括桅杆10 节分段每个分段主弦杆检测2 处、2 段横向连接各抽检1 处、上横梁与桅杆连接处抽检2 处、上横梁6 处、下支座抽检4 处，并在现场测量时对其他重要结构件目测可疑部位进行检测，当某处发现不合格时，应加倍对同类部位进行检测。使用超声波测厚仪对上述部位在去除浮锈和油漆后进行测量，经过现场测试发现存在部分部位由于腐蚀引起壁厚减少量已超过原壁厚10%、上横梁与桅杆头部连接处法兰腐蚀严重等情况。
结构变形检测包括结构件中有明显变形的部位和空载时桅杆几何中心线的直线度，通过对桅杆结构各标定点的测绘获得直线度测量结果。经现场测绘和数据处理后发现，两桅杆分支底座高低差较小，在空载静止情况下两桅杆分支的倾角不同，上游侧分支的倾角大于下游侧分支，下游侧桅杆的直线度偏差大于上游侧，两分支顶部变幅钢丝绳定滑轮处前后距离相对差值较大。销轴磨损检查的部位包括桅杆根部铰点、桅杆头部变幅定滑轮处、起升定滑轮处等，在设备不解体的情况下以目测为主。螺栓连接检查包括各分段间的连接、桅杆与上横梁间的连接、桅杆与底座间的连接，每处连接抽检20% 的螺栓，在设备不解体的情况下以目测或铁锤轻敲等方法进行判断。经检查发现部分连接螺栓有严重锈蚀现象，铁锤轻击有部分部位松动，部分销轴有明显磨损、部分部位有锈蚀现象。
3.2 解决措施在初次评估中发现，该起重机存在变幅钢丝绳腐蚀严重、卷筒底层钢丝绳存在压扁变形情况。因此，建议对该起重机进行大修，对钢结构进行解体修复，并将起重机的控制系统由多人协同操作改为联动台操作，并在室外合适位置增设司机室；在修复过程中采用无损检测等方式对金属结构的裂纹、腐蚀情况进行全面检测；在安装前对修复后的金属结构尺寸进行测量。
4 最终评估及结论根据起重机的评估方案，在修复完成并重新安装后，对该起重机进行最终评估。最终评估的内容包括技术资料、金属结构、机构、电气控制、安全保护装置和性能试验等，其中重点评估项目为金属结构中的结构变形、强度测试和整机性能试验。
重新安装后的结构变形采用全站仪测绘，通过对测绘数据的处理，该起重机的几何中心线直线度符合相关标准要求。性能试验包括空载试验、额载试验和动载试验，通过现场试验表明该起重机符合相关检验标准要求。通过电测法开展应力测试以获得桅杆结构在特定载荷下的强度情况。对于桁架结构来说，由于受力方向明确，采用单方向形式的应变片即可完成应力测试。根据该起重机的实际受力情况，现场在主桅杆上分布14 个应力测试点。本次测试设置2 个静态应力测试工况（工况Ⅰ和工况Ⅱ），1 个动态应力测试工况（工况Ⅲ），3 个测试工况的幅度、载荷和测试程序见表1。
通过对测试过程中记录的应变值的处理，可获得各测点的应力值。其中，工况Ⅰ的应力最大值为61.6MPa，此时的自重应力为14.4 MPa（通过有限元计算获得），则结构的安全系数为
工况Ⅱ的应力最大值为78.2 MPa，此时的自重应力为18.4 MPa（通过有限元计算获得），则结构的安全系数为
5 结论及展望对起重机进行安全性能评估的最终目的是了解该起重机的整体性能，对起重机的使用从安全角度提出指导性的意见和建议。在起重机尤其是大型起重机安全性能评估中，有些方面仍亟需加强。
1）相关评估标准的制定 目前全国范围内没有统一的起重机安全性能评估标准，在做评估时，评估机构需要依据TSG 和相关产品标准进行评估方案的制定，往往会造成各机构评估尺度的不统一。
2）结构寿命估算方法研究 金属结构是起重机评估的重点，近年来各研究机构都在对带损伤金属结构的寿命估算进行各种方法的研究，但并未形成可靠、快捷的计算理论。
3）整机定量分级评价方法的探索 目前对起重机的评估项目多半是条款性内容的组合，可探索将风险评价、层次分析、模糊综合法等方法应用于起重机的整机定量分级规范制定，为起重机整机安全性的分级提供依据。
4）起重机电气安全相关标准及研究 随着起重机向大型化智能化高速化方向的发展，电气控制系统越来越复杂，其安全性应当受到更大的重视，但目前对起重机电气系统的评价大部分还局限于验证其功能性和保护装置的有效性上。
通过对该桅杆起重机的安全性能评估，一方面为使用单位对该台起重机的安全使用提供了帮助；另一方面积累了对大型起重机尤其是长期使用大型起重机安全性能评估的经验，对同类型工作具有一定的指导意义。
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