無定向學堂:大型裝置意外斷裂倒塌 「金屬疲勞」非萬能key

文章日期:2022年08月14日

【明報專訊】波音機引擎半空起火、鐵路鋼軌斷裂、剪樹升降台急墜,乃至近日演唱會巨屏墮下的矛頭,都指向4字:金屬疲勞。聽上去直截鏗鏘,但無人解釋具體所指。香港專業教育學院(李惠利)工程系高級講師楊紹軒正視聽,「如果涉及周期運動(cyclic motion)才可說是金屬疲勞,否則不應該有任何機械結構、五金配件斷裂,就與它掛鈎」。日常生活中,小至婚宴、畢業典禮,大至展覽會、賽事,都有不少金屬搭建設施。從事相關工作近40年的承辦商教公眾在現場興高采烈之餘,怎樣多加留神。

不可與老化混為一談

每有機械事故發生,眾說紛紜之際,很多時見到這樣的推斷:「可能是零件老化,或者金屬疲勞。」楊紹軒稱「老化」和「金屬疲勞」並無關係,前者相對籠統,後者則來自材料科學中的術語「fatigue of materials」。任何物料如塑膠和木材均可出現疲勞,但並非所有金屬的問題都可稱為「金屬疲勞」。首先,要看該結構有否周期運動,即重複壓縮(compression)和展開(tension),例子有汽車的避震彈簧、摩打或水泵中的轉軸。「要來回施加應力,舉例說風扇扇葉不停單向轉動,(這動作本身)沒有周期運動。」一般手動工具如活動扳手(士巴拿),由於重複上緊和扭開螺絲,頸位和扳口長時間有機會因疲勞斷裂。「如果一樣物件,有裂紋但沒周期運動,即使斷開也不能稱為疲勞。」疲勞和其他原因所致的斷裂,其切面紋理並不一樣。

坊間有說將萬字夾反覆屈折幾次至斷裂,就明白何謂金屬疲勞,職業安全健康局刊物也這樣教,但楊紹軒說這例子並不恰當。因為金屬疲勞要在彈性變形(elastic deformation)下出現,即如同橡皮筋般。「屈曲萬字夾已經令它出現永久變形,即plastic deformation, 已不屬正常使用情況。除非你用手指輕力將萬字夾金屬挑出來,它再彈回原位,彈一千幾百萬次,彈斷了才算(金屬疲勞)。」所以,要在日常生活中觀察金屬疲勞不容易,因為那些有周期運動的組件通常隱藏在機械結構之中,而且要長年累月,或在上百萬次周期後才現「疲態」。

涉周期運動零件 要做疲勞測試

也有人會自己DIY做實驗,模擬金屬疲勞現象,譬如將金屬條的一頭連接摩打,另一頭微微弄彎,令它處於彈性變形狀態,再用軸承固定。摩打通電後會不停旋轉,「實驗室常見這類旋轉樑疲勞測試(rotating beam fatigue test)」。也可中途停下,刻意用線鋸加上裂紋,然後繼續實驗,看裂紋有否擴張或延長,甚或加快整支金屬棒斷裂,「如果有的話,會見到切面有些水波紋,像年輪一樣」。但在現實生活中,部件或許有內部裂紋,憑肉眼難以察覺。製造商會為合適或有周期運動的零件安排相似的疲勞測試,例如私家車引掣中的轉軸,或懸掛彈簧,但不會公開測試數據。並非所有零件在測試時都會斷開,也可能測100年也不斷,「設計工程師見沒斷開,這意味它可以承受更高負載,就有空間改良設計。例如令它更輕身,或調整物料、降低產品成本」。

動態不如靜態?

既然金屬疲勞與運動(motion)相關,套用楊潤雄局長建議「靜態表演」的說法,如金屬長處「靜態」,是否會更安全?楊紹軒解釋靜態物件一般較安全,因表面磨損或整體損耗均較少。但即使部件有周期運動,也不等於比靜止的部件危險。在靜態負載(static load)下的金屬的確不會疲勞,但如用上長時間,仍然有機會斷開,該物理現象稱為潛變(creep),即應力作用下固體材料緩慢且永久的變形;應變速率(strain rate)分為3個階段:頭段急後漸緩,中段線性,尾段加速。「等同一盞燈吊在家中幾十年都不斷,但有機會鋼柱的中間會變幼。」故此,零件設計和安全系數比動態或靜態更關鍵。另外,金屬經常出現的鏽蝕問題,也不應與疲勞混為一談。「我們會稱為生鏽(rusting),一定要跟氧化(oxidation)有關。」概括而言,他認為許多日常產品已經過安全檢測,通常是事故發生後再調查,才論斷是金屬疲勞,而這只是眾多物料現象之一。

公眾活動場地 金屬安全誰把關

在公眾活動場地抬頭看看,會發現周遭有不少金屬裝置,例如婚宴布景、酒會天幕,甚至流動採樣站的活動帳篷支架。勵勇有限公司負責人童先生有近40年承辦場地工程經驗,他說性質似出租公司,按主辦方的需要提供佈置。因帳篷和支架頗佔空間,據他所知,坊間沒多少承辦商能像他一樣在香港置倉庫,通常是接到訂單後,再向珠海或廣州供應商租用佈置,即「租上租」。主辦方一般不會要求使用全新物料,所以他可以重用倉庫內的配件。除非見到有凹痕或裂紋而要報廢,不然可用上十多年。「鋁合金配件除非是撞崩或穿了,保養得好就有很長壽命。」加上金屬物料經過陽極處理或熱浸鍍鋅處理,會更耐用。但這些細節,新入行的話不一定知曉。

他到過不同活動場地觀察,見有承辦商會用上不合尺寸的部件,如強行接駁支撐帳篷的四管桁架(蛇仔架)。他建議較在意場地安全的參加者,可以目測支架或帳篷是否已經繃緊、伸直還是軟趴趴;輕力搖或觸碰看是否穩妥;留意腳位有否曲起或歪斜。帳篷本應防風擋雨,但有供應商用的物料較薄,如遇大雨竟會整個塌下,需要主辦方提前拆卸。

這些場地工程通常由投標者價低者得,主辦方未必明白到一分錢一分貨。舉例說,他們知道帳篷要防水,卻甚少要求有阻燃劑,直至黎明演明會因帳篷布料未達阻燃要求被叫停後,才引起更多人留意。歐洲生產商對支架結構有嚴格要求,但有內地供應商把管壁造得較薄,兩者的粗幼看來一樣,肉眼難以分辨,只能拆出來拿在手上掂量。又例如承辦商常用來穩住帳篷的水馬,帳篷製造商的手冊中有規定配重(counter weight),但很多場地不符合。他公司用較穩固的鐵鉆,也避免場地濕滑。

種種紕漏,或因為主辦方要求多,卻缺乏安全意識。他和主辦方交涉時,會先按其需要,建議具相應承重能力的物料,但最終承重經常超出預期。支架屬歐洲生產,有一定緩衝空間。「如帳篷製造商的使用手冊,計算了歐洲環境的雪壓。香港沒下雪,即使酌量增加承重也安全。」有次客人臨急改尺寸,他未能調動庫存,從內地訂購部分地台和天幕組件,結果送來的全部經接駁加工,連帳篷布料亦然。「所以主辦方如果見到駁口位太多,就可能要留意結構是否安全。」

《建築物條例》打7折

公眾活動常要租借康文署場地,需申請臨時公眾娛樂場所牌照,若結構高過2.5米以上,要有註冊工程師(RSE)計算規格或在完成搭建後簽發安全證書。建築署和屋宇署未有為臨時建築物訂下標準,所以RSE會按《建築物條例》「打7折」,如要求能承受時速100公里的陣風,臨時建築即要70公里。RSE到場勘察時多憑目測,上面提及的,如支架厚度是否合標準常未能顧及。

如此一來,還是要承辦商在搭建場地時做好把關。他坦言總有掛一漏萬,特別疫情後技工手勢生疏,臨急聘請的短工良莠不齊。他試過在監工時,有條鋼索掉了下來。「鋼索扣完通常會扯一下,看是否實淨,但做着做着忘記了,一定有。」如果時間充裕,其實資深技術人員可慢慢檢查配件、螺絲,確保活動不會生意外。活動通常只有數天,開始後就不會再有人每天攀高爬低檢查。

金屬疲勞對行內人來說較空泛,他主要會留意有否裂紋(hairline crack)、滑牙或變形,但有供應商也因成本問題不更換。有說若證明意外起因是金屬疲勞,就沒人需要負責,但他認為供應商明知物料老舊照樣出貨,責無旁貸;惟要追究卻着實不易:「通常損壞的是鋼索、塞古、螺絲,無從證明某個細零件由供應商提供。」

文˙ 梁雅婷

{ 圖 } 受訪者提供

{ 美術 } 張欲琪

{ 編輯 } 朱建勳

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