江西省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院 黃荔生 陳 穎 胡 誠(chéng)

■引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及新技術(shù)在游樂設(shè)施的應(yīng)用，大型游樂設(shè)施向體驗(yàn)感更刺激、運(yùn)動(dòng)更復(fù)雜方向發(fā)展。然而一些翻滾、俯沖等驚險(xiǎn)動(dòng)作在給游客帶來(lái)歡樂的同時(shí)也帶來(lái)了安全隱患。截至2019年底，全國(guó)注冊(cè)登記的大型游樂設(shè)施數(shù)量達(dá)到2.49萬(wàn)臺(tái)（不含客運(yùn)索道），因此如何保障游樂設(shè)施安全運(yùn)營(yíng)是制造單位、使用單位、監(jiān)管和檢驗(yàn)單位等部門關(guān)注的重點(diǎn)。

根據(jù)GB 8408-2018《大型游樂設(shè)施安全規(guī)范》和ZBFGH 39-2002《游樂設(shè)施監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)程》要求，在大型游樂設(shè)施制造、安裝、使用過(guò)程中須對(duì)重要部件和重要焊縫進(jìn)行無(wú)損探傷，以此對(duì)設(shè)備質(zhì)量進(jìn)行控制。本文通過(guò)介紹磁粉探傷技術(shù)在搖頭飛椅金屬構(gòu)件裂紋檢測(cè)上的應(yīng)用，分析了大型游樂設(shè)施金屬構(gòu)件檢測(cè)的重要性以及裂紋的形成原因和檢測(cè)方法。

■大型游樂設(shè)施金屬構(gòu)件檢測(cè)的重要性

大型游樂設(shè)施屬于機(jī)電類設(shè)備，如果將電氣元器件等控制系統(tǒng)比作游樂設(shè)施的大腦，金屬結(jié)構(gòu)件就是設(shè)備的骨骼軀體。而金屬構(gòu)件一般以軋制件、焊接件、鍛件和鑄件做坯件，經(jīng)機(jī)械加工而成，其主要連接方式為焊接和螺栓連接。在游樂設(shè)施的安裝過(guò)程中,嚴(yán)格的焊接規(guī)范和熟練的操作技能可以減少缺陷率，但焊縫內(nèi)仍可能存在一些缺陷（氣孔、夾渣、裂紋）。缺陷的存在使得焊接后的金屬在抗壓和抗拉強(qiáng)度方面都大大降低，同時(shí)使金屬的致密性降低，容易遭到腐蝕。這些將直接影響結(jié)構(gòu)的承載能力和抗疲勞性能。由于缺陷的存在導(dǎo)致焊縫局部范圍的應(yīng)力達(dá)到較大級(jí)別，從而當(dāng)結(jié)構(gòu)在承受交變載荷時(shí)，這些部位首先出現(xiàn)疲勞裂紋并擴(kuò)展致使結(jié)構(gòu)破壞。一旦這些關(guān)鍵零部件和重要焊縫發(fā)生結(jié)構(gòu)性、功能性破壞將引發(fā)事故，并造成重大人員傷亡，社會(huì)影響極其惡劣。

2006年6月重慶某游樂園內(nèi)一臺(tái)觀光類摩天環(huán)車游樂設(shè)施，在運(yùn)行中平衡臂發(fā)生斷裂，造成一名乘客當(dāng)場(chǎng)死亡，兩名乘客受傷。事故現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，設(shè)備的主臂在接近旋轉(zhuǎn)軸100多mm的母材上發(fā)生斷裂，一個(gè)副支撐臂在接近旋轉(zhuǎn)軸3m左右的母材發(fā)生斷裂，這兩個(gè)斷口均有舊的穿透性裂紋。2016年2月河南省某廟會(huì)上一臺(tái)名叫“高空攬?jiān)隆钡挠螛吩O(shè)施，在運(yùn)行過(guò)程中安全壓杠根部焊縫發(fā)生斷裂，致使乘客從高處墜落死亡。

因此，在開展游樂設(shè)施定期檢驗(yàn)過(guò)程中，加強(qiáng)對(duì)大型游樂設(shè)施金屬構(gòu)件的檢測(cè)，尤其是對(duì)重要焊縫和重要銷軸的檢測(cè)，是提升游樂設(shè)施安全運(yùn)行水平的有效手段之一。

■缺陷的形成原因和檢測(cè)方法

根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)情況統(tǒng)計(jì)分析，裂紋和氣孔類缺陷屬于常見缺陷。因此，本文著重介紹裂紋和氣孔的形成原因及其檢測(cè)方法。

1.缺陷形成原因

（1）裂紋

焊接裂紋是焊接缺陷中危害性最大的一種，裂紋會(huì)減少材料的承載面積，造成受力構(gòu)件中該部位應(yīng)力集中。在焊接應(yīng)力及其他致脆因素作用下，焊縫中金屬原子的結(jié)合遭到破壞，形成新的界面而產(chǎn)生的縫隙。

金屬結(jié)構(gòu)材料在交變反復(fù)載荷的作用下，局部高應(yīng)力區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋并逐步擴(kuò)展成疲勞裂紋，最終造成工件斷裂。

（2）氣孔

氣孔缺陷減少了焊縫的有效受力面積，降低了焊接接頭強(qiáng)度。同時(shí)，氣孔也容易造成受力構(gòu)件局部應(yīng)力集中，進(jìn)而發(fā)展成裂紋。

焊縫中產(chǎn)生氣孔的主要原因是由于母材或填充金屬表面有銹、油污等液體，導(dǎo)致這些液體在高溫焊接下分解為氣體，增加了母材和焊接材料中氣體的含量。由于熔池冷卻速度大，不利于氣體的逸出，最終在焊縫中形成氣孔。

搖頭飛椅中的吊環(huán)多為鑄件，鑄件中氣孔產(chǎn)生的主要原因是熔化的金屬在凝固時(shí)，熔融狀態(tài)下的金屬中氣體不能及時(shí)逸出，進(jìn)而在金屬表面或內(nèi)部產(chǎn)生氣孔。

2.缺陷檢測(cè)方法

在游樂設(shè)施金屬機(jī)構(gòu)件檢測(cè)中常用的檢測(cè)方法有超聲檢測(cè)、滲透檢測(cè)和磁粉檢測(cè)。在鐵磁性構(gòu)件的表面質(zhì)量探傷方法中，磁粉檢測(cè)相對(duì)于滲透檢測(cè)、超聲檢測(cè)方法對(duì)表面裂紋的檢測(cè)靈敏度最高。

根據(jù)GB8408-2018《大型游樂設(shè)施安全規(guī)范》要求鐵磁性材料部件的焊接接頭表面應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用磁粉檢測(cè)，而且應(yīng)當(dāng)按照GB/T34370.3的規(guī)定要求，合格級(jí)別為I級(jí)。

■案例分析

2020年在對(duì)一臺(tái)名叫“搖頭飛椅”的飛行塔類設(shè)備進(jìn)行定期檢驗(yàn)，如圖1（a）所示。它是一款集旋轉(zhuǎn)、升降、變傾角等多種運(yùn)動(dòng)為一體的游樂設(shè)施，當(dāng)設(shè)備通電后，塔身在液壓缸頂升作用下慢慢升起，同時(shí)在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下傘形轉(zhuǎn)盤搖動(dòng)，懸掛在轉(zhuǎn)盤桁架上的座椅呈波浪狀運(yùn)動(dòng)，坐在座椅上的乘客隨之運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)備主要結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)主要分為兩部分完成：底座支架、電機(jī)和液壓系統(tǒng)等構(gòu)成設(shè)備驅(qū)動(dòng)部分，其安全性能直接影響設(shè)備的升降、旋轉(zhuǎn)運(yùn)行的質(zhì)量；座椅、懸掛裝置以及桁架構(gòu)成懸掛系統(tǒng)，其安全可靠性直接影響乘客的安全。因此，大多數(shù)“搖頭飛椅”生產(chǎn)廠家要求使用單位每年須對(duì)設(shè)備的底座焊縫、電機(jī)底座與塔身連接處焊縫、桁架根部焊縫、懸掛座椅的吊耳板焊縫和銷軸、座椅焊縫等主要受力部件進(jìn)行無(wú)損探傷。

圖1 設(shè)備情況

現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)人員根據(jù)設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)以及廠家探傷目錄表對(duì)設(shè)備圓形吊環(huán)、桁架根部焊縫、卸扣、座椅骨架焊縫、吊掛板焊縫等主要受力部件（部位）進(jìn)行無(wú)損探傷。由于該設(shè)備中的圓形吊環(huán)、桁架以及卸扣制造材料均為鐵磁性材料，現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)人員對(duì)檢測(cè)件須進(jìn)行磁粉探傷。探傷結(jié)果表明該臺(tái)設(shè)備的主要受力部件中焊縫和結(jié)構(gòu)件等處存在裂紋等缺陷，如圖2所示。根據(jù)GB/T34370.3-2017中磁粉檢測(cè)質(zhì)量評(píng)分級(jí)要求，磁粉檢測(cè)不可接受的缺陷包括裂紋、緊固件和軸類部件的橫向缺陷顯示。同時(shí)，在對(duì)焊接接頭進(jìn)行磁粉探傷時(shí)，線性缺陷磁痕長(zhǎng)度不大于1.5mm，機(jī)加工部件不允許存在線性缺陷磁痕。案例中的吊環(huán)、卸扣和桁架等重要部件質(zhì)量評(píng)定為不合格。

圖2 磁粉探傷結(jié)果圖

圖2（a）所示缺陷為圓形吊環(huán)焊縫處裂紋，造成裂紋的原因可能是焊接工藝水平的問(wèn)題。該圓形吊環(huán)屬于乘客座艙懸掛系統(tǒng)與轉(zhuǎn)盤桁架的連接件。圖2（b）所示缺陷為卸扣表面裂紋，該卸扣屬于吊掛板與圓形吊環(huán)的連接件。卸扣屬于批量鑄件產(chǎn)品，現(xiàn)場(chǎng)8件卸扣檢驗(yàn)件均在表面發(fā)現(xiàn)多處裂紋。因此，卸扣表面裂紋產(chǎn)生的原因很有可能是鑄造工藝不規(guī)范導(dǎo)致。

上述圓形吊環(huán)和卸扣均屬于受力部件，在受到交變載荷和外部環(huán)境的作用下裂紋延伸率將快速增長(zhǎng)，導(dǎo)致乘客座艙懸掛系統(tǒng)失效的隱患加大。同時(shí)根據(jù)大型游樂設(shè)施監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)程和GB 8408-2018《大型游樂設(shè)施安全規(guī)范》，對(duì)該臺(tái)設(shè)備判定為不合格。

■結(jié)束語(yǔ)

大型游樂設(shè)施既是一種用于經(jīng)營(yíng)的娛樂設(shè)備，又是一種潛在風(fēng)險(xiǎn)大的特種設(shè)備。根據(jù)以往的事故案例以及現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)結(jié)果，游樂設(shè)施中金屬結(jié)構(gòu)件因制造水平和后期使用管理問(wèn)題易產(chǎn)生裂紋缺陷。因此，作為檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)在對(duì)游樂設(shè)施進(jìn)行定期檢驗(yàn)時(shí)，須加強(qiáng)對(duì)金屬結(jié)構(gòu)件中的重要焊縫以及其他重要受力部位的質(zhì)量檢驗(yàn)，更應(yīng)加大無(wú)損探傷技術(shù)在游樂設(shè)施檢驗(yàn)中的應(yīng)用。