塔式起重机塔身连接中存在的问题分析

□ 沙明星 □ 何 雷

江苏大学东海机械汽配研究院 江苏连云港 222300

1 问题概述

塔式起重机结构件之间多使用高强度螺栓连接,由标准节连接而成的塔身是塔式起重机的重要钢结构件,对塔式起重机的安全性和平衡性起决定性作用。连接件多为M24及以上的大直径高强度螺栓副,高强度螺栓连接的可靠性对塔式起重机的使用安全至关重要。在相关规定中,要求高强度螺栓、高强度螺母重复使用一般不超过两次,并且严格制定了安装技术规范。然而实际使用中,经常出现不严格遵照规定执行,野蛮操作,片面追求施工进度等现象。笔者对照规范,结合实际应用,对塔式起重机塔身连接中出现的一些具体问题进行分析,并给出相应措施。

在实际应用中,高强度螺栓连接标准节主要存在重复使用,连接不符合规定,预紧力不符合设计要求,高强度螺栓和防松垫圈选型及放置方向不正确,操作不规范等问题。高强度螺栓的使用配置、拧紧过程、紧固检查影响高强度螺栓的连接性能,在塔式起重机安装过程中,应做好高强度螺栓的拧紧及紧固检查记录,以保证高强度螺栓的性能。

2 高强度螺栓重复使用

JG/T 5057.40—1995《建设机械与设备 高强度紧固件技术条件》规定。高强度螺栓、高强度螺母拆卸后再次使用,一般不可超过两次。高强度螺栓不能多次重复使用的主要原因是,高强度螺栓在使用过程中,螺纹及螺纹表面容易产生难以发现的破损;高强度螺栓多次拆装后,螺栓、螺母、垫圈的表面状态及螺纹精度等级都发生了变化,影响高强度螺栓的扭矩因数和变异因数,极易造成预紧力不足或过度紧固,甚至可能超越高强度螺栓的弹性变形,产生危险源,埋下事故隐患。高强度螺栓多采用高强度钢材制作,加工工艺相较普通螺栓更为复杂,因此使用成本高。加之拆卸后的高强度螺栓表面不易看出损伤,因此导致不少高强度螺栓被重复使用。

3 高强度螺栓安装问题

3.1 塔身连接高强度螺栓安装

高强度螺栓使用前,必须依据技术规范进行全面检查,包括外观、性能检测报告、产品合格证、生产厂家标记、性能等级、型号等。检查时,用煤油或清洗剂将高强度螺栓、高强度螺母、垫圈清洗干净,如果出现裂纹、损伤、表面脱碳、锈蚀、镀锌层脱落、弯曲变形等,必须立即更换。安装前用MoS2润滑脂涂裹高强度螺栓、高强度螺母、垫圈,以减小相互之间的摩擦因数。在连接接触面间涂抹润滑脂,可以起到均衡摩擦的作用。

3.2 高强度螺栓紧固

在安装现场,发现某型塔式起重机标准节连接使用不同批次的单个高强度螺母紧固,使用弹簧垫片防松,且无拧紧记录和紧固检查记录,不符合相关技术标准要求。标准节连接通常需采用同批次制造的双螺母及平垫进行防松,其中,防松螺母扭矩应稍大于预紧力矩。标准规范中规定分三次施加扭矩,可先初拧10%扭矩值,再按50%扭矩值对称复拧,最后终拧至100%扭矩值。JGJ 82—2011《钢结构高强度螺栓连接技术规程》中给出的终拧扭矩M计算式为:

M=kpcd

(1)

式中:k为扭矩因数平均值,取0.11～0.15;d为高强度螺栓公称直径;pc为预拉力。

扭矩因数平均值不能随意取值,不同批次和工作环境的高强度螺栓,扭矩因数是不同的。扭矩因数平均值取值过大,导致终拧扭矩过大,高强度螺栓的实际预拉力高于许用预拉力,高强度螺栓失效。扭矩因数平均值取值过小,导致终拧扭矩过小,高强度螺栓的实际预拉力过小,连接接触面的摩擦力过小,会降低连接接触面的连接强度,影响设备使用和安全性能。因此,在安装前应针对同批次高强度螺栓按标准要求,抽取一定比例进行终拧扭矩测试,利用式(1)计算出实际扭矩因数平均值,这一平均值就是该批次高强度螺栓计算施工扭矩所用的扭矩因数。通常情况下,企业标准的要求高于国家标准,因此建议宜按出厂配套的设备说明书执行。

在安装现场,高强度螺栓穿插方向混乱的情况也时有发生。高强度螺栓穿插方向有自上而下和自下而上两种,受力状态相同。笔者倾向于在确保预紧力的情况下采用自上而下的穿插方向,优点是丝扣向下,防锈效果好,高强度螺母松动也不会导致高强度螺栓脱落。高强度螺栓安装过程中,不可对高强度螺栓副加热或锤击,因为高强度螺栓材质多为合金结构钢,加热或锤击会改变材料内部金相组织状态,造成高强度螺栓性能破坏,甚至产生细微裂纹,存在潜在危险。

3.3 安装验收

GB 50205—2001《钢结构工程施工质量验收规范》中规定,坚持定期检查制度,高强度螺栓终拧后丝扣外露一扣至二扣,允许其中有10%丝扣外露一扣至四扣。检查塔身标准节,观察受拉主弦杆处,若存在细小缝隙,或当塔式起重机回转时能听到金属吱啦声,说明高强度螺栓紧固可能不达标。对此,可用扭力扳手仔细排查。高强度螺栓扭矩检查常采用松扣回扣法,在高强度螺母的棱角与高强度螺栓的对应位置划一条细直线,用扭力扳手将高强度螺母拧回60°,再拧至原位,扭力扳手上的数值与检查扭矩的偏差值在±10%范围之内为合格。为了避免高强度螺栓紧固不达标,高强度螺栓安装尽量在当天完成终拧,初拧扳手应当可以设置扭矩。初拧完毕的高强度螺栓,应做好标记以供确认,扳手的精度需符合设计要求。对施工人员需要严格培训,执行操作规程和设备说明书要求。工具需由有资质的机构进行检定校准,确保工作安全有效。

在上述安装过程中,特别容易出现三方面问题,导致潜在危险源产生。一是高强度螺栓副存在破损、不配套而投入安装。使用不配套的高强度螺栓副,会因存在薄弱环节而出现早期破坏。使用垫圈的目的是增大摩擦力来防松,若垫圈方向放反,则会减小摩擦力,同时还会使垫圈变形增大,无法恢复,起不到防松作用。二是很多安装现场使用弹簧垫圈防松。事实上,高强度螺栓、高强度螺母、垫圈配合使用时,8.8级以上的高强度螺栓绝不允许采用弹簧垫圈防松,必须使用平垫圈。用于塔身连接的高强度螺栓,通常采用双螺母防松。对于小型塔式起重机塔身,可用一个高强度螺母、一个普通螺母、两个平垫圈,将高强度螺母放入高强度螺栓末端锁紧。三是为了安装方便,高强度螺栓穿插方向不一致,锤击螺栓副,造成连接件破坏。规范要求高强度螺栓能够自由穿入孔内,不可强行敲打,同时尽量选择不在雨天安装。

4 预紧力设计值

塔式起重机安装时,为了追赶安装进度,紧固螺栓时未按规定的拧紧力矩操作,仅使用普通扭力扳手,时常出现超拧、欠拧、假拧、漏拧等现象,致使高强度螺栓的预紧力不符合设计值。当塔式起重机处于工作状态时,塔身转矩所引起的剪切力直接作用于塔身高强度螺栓上,这是非常危险的现象。由于塔式起重机安装属于高空作业,为了方便作业,工具不能庞大笨重,因此通常可将满足精度要求的普通扭力扳手、预调式扭力扳手、省力扳手配合使用。

为了确保高强度螺栓的预紧力,通常采用转矩法。可以选用预先设定扭矩值的扳手施加力矩。

在安装过程中,应严格遵循标准、施工规范和规程进行操作,做到人员及时定期进行培训,工具定期进行检定校准,安装完毕严格执行验收制度、定期检查制度。

5 结束语

高强度螺栓具有良好的机械性能,施工简便,已成为塔式起重机标准节之间的主要连接方式,但诸多因素影响着高强度螺栓连接在起重机械设备应用中的可靠性和安全性。在高强度螺栓连接过程中,要求相关工作人员严格按照标准规范、设备说明书执行,增强工作人员对高强度螺栓安装重要性的认识。选择精度等级符合设计要求的工具,确保高强度螺栓预紧力符合设计要求。安装完毕后的验收工作同样不容忽视。同时,要严格执行相关规定,坚持定期检查制度,做到定岗、定机、定人落实责任,定期检查关注高强度螺栓的有效性和可靠性,做好日常性检查,建立相应台账,保证塔式起重机的安装质量和安全运行。