某單位的門起重機(jī)，要船艙里起吊卷鋼板約3米高度時(shí)，主鋼絲繩和吊鉤鋼絲繩都發(fā)生斷裂。起吊的卷鋼板約18.6噸，當(dāng)時(shí)門機(jī)額定檔是25～22。在事故了現(xiàn)場(chǎng)了解到，主鋼絲繩斷裂處與吊鉤上防轉(zhuǎn)球沿繩距離約56米；吊鉤鋼絲斷裂在繩卡處。
主鋼絲繩結(jié)構(gòu)為18×7+FC，外徑32毫米，鋼絲類別光面，公稱抗拉強(qiáng)度1672MPa。鋼絲繩的使用壽命與報(bào)廢有企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，該使用單位規(guī)定起重機(jī)主鋼絲繩更換時(shí)間為7～12個(gè)月，更換工作量為25萬噸。為防止意外，有定期檢查制度。該鋼絲繩斷裂前起重累計(jì)已達(dá)22萬噸，屬老齡化繩，列為加強(qiáng)監(jiān)控使用的對(duì)象。
為分析斷裂原因，斷裂鋼絲繩及新鋼絲繩用氣割取樣，在華南理工大學(xué)進(jìn)行檢測(cè)、試驗(yàn)和分析。
二、檢驗(yàn)與結(jié)果
1．物理-化學(xué)檢驗(yàn)與分析
(1)化學(xué)成分分析
分別在斷裂的主鋼絲繩和吊鉤鋼絲繩的內(nèi)股取鋼絲樣，用Dv6E型光電直讀光譜儀(發(fā)射光譜法)進(jìn)行成分檢驗(yàn)。結(jié)果表明，斷裂主鋼絲繩鋼絲化學(xué)成分符合70優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼成分；斷裂吊鉤鋼絲繩鋼絲化學(xué)成分符合75優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼成分。
(2)金相組織與硬度
金相樣品取自斷裂鋼絲繩外股和內(nèi)股的鋼絲，磨制縱向和橫向截面的金相磨面。金相檢查結(jié)果顯示主繩鋼絲的金相組織是索氏體+鐵素體；顯微硬度平均值460HV100gf附，硬度比一般70鋼的索氏體硬度高，原因是冷拉形變硬化，金相可見冷拉變形組織；鋼材夾雜物2級(jí)，在允許范圍內(nèi)。吊鉤鋼絲繩鋼絲的金相組織是索氏體，顯微硬度平均值443HV100gf，與75優(yōu)質(zhì)碳素鋼相符。
2．強(qiáng)度檢測(cè)
從斷裂主鋼絲繩距斷口約3米遠(yuǎn)處開始截取三段試樣，每段約1.3米，分別編號(hào)為：舊1、舊2和舊3；從倉庫存放新鋼絲繩上截取三段各1.3米長的試樣，分別編號(hào)為：新1、新2和新3。六段樣品進(jìn)行整繩拉斷和拆股鋼絲拉斷兩項(xiàng)試驗(yàn)。
整繩拉斷的鋼絲繩編號(hào)分別為：舊1、舊2、新1和新2共四段；拆股鋼絲拉斷的編號(hào)分別為：舊3和新3，分別各取2股。試驗(yàn)按國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T8358-1996《鋼絲繩破斷拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行。
整繩試樣拉斷后的外貌(見圖1)。判據(jù)按國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T8918-2006，舊2、新l和新2三段整繩、舊3拆股單根鋼絲的抗拉強(qiáng)度都符合1670級(jí)直徑32毫米鋼絲繩的要求。舊1樣品的數(shù)據(jù)無效，因散股影響了數(shù)據(jù)真實(shí)性；新3拆股單根面絲抗拉強(qiáng)度不符合1670級(jí)要求。
圖1 整繩試樣拉斷后的狀態(tài)
新3拆股有5根面絲的抗拉強(qiáng)度不合格，但有三根接近1 370～1620的上限值(1610、1620、1610三根)，只有二根是顯著低于1620數(shù)值，因此可以認(rèn)為鋼絲繩的面絲抗拉強(qiáng)度只是偏低。面絲的抗拉強(qiáng)度偏低，在金相組織上反映有鐵素體存在。此外，舊鋼絲比新鋼絲的抗拉強(qiáng)度高，因使用中有形變硬化。
斷口：拆股單根鋼絲拉伸斷口，杯狀斷口約占90%，45%角度斷口約占10％。整條繩拉伸斷口(也就是每根鋼絲的斷口)除少數(shù)幾根外，主要是韌性的杯狀斷口。
3．鋼絲繩外觀檢查
主鋼絲繩外表損傷見圖2(a)上，外股損傷基本上是磨損，如箭頭A所指長弧形凹陷，這種凹陷表面光亮，有條紋，是由摩擦引起。主鋼絲繩內(nèi)股外表面的損傷有磨損和斷裂，如圖2(b)和圖2(a)下，箭頭B所指為內(nèi)股外表面被外股磨損所致的凹陷：箭頭C所指，長弧形凹陷處斷裂，這里內(nèi)股表面普遍可見的損傷，很多根鋼絲都斷成數(shù)段。
吊鉤鋼絲繩內(nèi)股外表面損傷（見圖3）所示，箭頭A指等軸凹陷刻痕，箭頭B指長弧形凹陷，這種凹陷表面條紋，顏色較暗，具有摩擦痕跡特征。
斷裂落地的一段主鋼絲繩，靠近斷裂的部位與遠(yuǎn)離斷裂部位外表相比，前者的損傷嚴(yán)重，后者損傷隨距離斷裂部位越遠(yuǎn)損傷程度越小。同樣，吊鉤繩也是靠近斷口外傷嚴(yán)重，而遠(yuǎn)離斷口外傷輕些。
4．?dāng)嗫诜治?span lang="EN-US">
用手提薄片砂輪機(jī)將主鋼絲繩及吊鉤鋼絲繩共26股的斷口全部割下，清洗干凈后按失效分析程序進(jìn)行研究。
(1)粗視分析(用目視和普通3～5倍放大鏡)
①主鋼絲繩鋼絲斷口形態(tài)有五種類型(如圖4)。
(a)杯狀斷口，有明顯縮頸，它是正應(yīng)力引起的斷裂特征； (b)一定角度的斷口，它是切應(yīng)力(或扭轉(zhuǎn))引起的斷裂特征； (c)平直斷口，但有輕微縮頸，它具有一定的脆斷傾向性(約占外股鋼絲的一半)； (d)劈開+杯狀斷口(約占外股鋼絲8％)，它是縱向疲勞斷口； (e)橫向疲勞斷口，在內(nèi)股的疲勞斷口占內(nèi)股總鋼絲數(shù)量的80％。而且同一根絲兩端都是疲勞斷口的也不少。
②吊鉤鋼絲繩鋼絲斷口形態(tài)有三種類型（如圖5）
(a)杯狀斷口(約占外股鋼絲繩數(shù)量的80％)； (b)呈一定角度的斷口； (c)磨損斷口，磨損呈長弧月牙形+小杯狀斷口。磨損型斷口，外股有31個(gè)，內(nèi)股有2個(gè)。
根據(jù)統(tǒng)計(jì)，類似圖5(c)所示斷口的鋼絲數(shù)量達(dá)到33根，大部分在外股，內(nèi)股只有2根。在鋼絲繩斷裂前，外股84根鋼絲．已有37％的鋼絲都因摩擦而形成長弧月牙形。
(2)斷口的電子顯微鏡(SEM)微觀分析
對(duì)典型的斷口形貌進(jìn)行掃描電子顯微鏡觀察，只列出典型形貌放大圖。圖6為杯狀斷口，以韌窩韌帶為主：圖7為長弧形磨損表面及最后斷裂斷口，也以韌窩為主；圖8為平直有一定縮頸的斷口，微觀顯示解理和準(zhǔn)解理斷裂特征；圖9為疲勞斷裂斷口，疲勞起源于外傷處。
三、主鋼絲繩的結(jié)構(gòu)與受力分析
1．鋼絲繩的結(jié)構(gòu)
18x7+FC鋼絲繩由126根高強(qiáng)鋼絲和有機(jī)繩芯捻制而成。每7根鋼絲捻成一股，126根鋼絲捻成18股，18股分兩層圍繞著繩芯制成繩，內(nèi)層6股，外層12股，如圖10所示。鋼絲是最基本的強(qiáng)度單元。繩芯起支撐和固定繩股的作用，并可儲(chǔ)存潤滑油脂，增加鋼絲繩的撓性。
18×7+FC鋼絲繩是一種交捻繩，由鋼絲捻成股的捻制螺旋方向與由股捻成繩的方向相反。外觀上鋼絲基本順著繩的軸向方向纏繞。這種鋼絲繩的股與繩的扭轉(zhuǎn)趨勢(shì)互相平衡，起吊重物時(shí)不易扭轉(zhuǎn)和松散。但存在股間外層鋼絲接觸不良、易磨損、壽命短、撓性較差等缺點(diǎn)。這種交捻繩外股層的鋼絲，全部處在與鋼絲繩的軸線平行的捻向，如果鋼絲不松散，其外層鋼絲的受力是好的。
2．鋼絲繩的受力
鋼絲繩提升貨物時(shí)主要承受拉力，但要實(shí)施貨物的上下運(yùn)動(dòng)、水平移動(dòng)等，鋼絲繩必須繞過繩輪和卷筒，此時(shí)鋼絲繩將出現(xiàn)附加的壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。在交捻繩中，鋼絲和繩股的自旋方向相反，如果兩者的旋轉(zhuǎn)趨向不能達(dá)到平衡，鋼絲繩在受載時(shí)還會(huì)出現(xiàn)扭矩，鋼絲繩存在扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：鋼絲繩成型過程中還有制造的殘余應(yīng)力。由于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，鋼絲繩的應(yīng)力狀態(tài)是極其復(fù)雜的。德國的M·舍費(fèi)爾等人將鋼絲繩理想化為一束沒有摩擦、平行排列的鋼絲，忽略扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和制造的殘余應(yīng)力，以簡(jiǎn)化模型建立鋼絲繩的應(yīng)力與壽命計(jì)算公式，一節(jié)只列出鋼絲繩的應(yīng)力與壽命計(jì)算結(jié)果。
3．鋼絲繩的應(yīng)力與壽命計(jì)算
(1)鋼絲繩無損傷時(shí)，鋼絲繩內(nèi)外股整體受力，折算應(yīng)力σvi：815.7(N/mm2)≤0.8σB=0.8×1670=1336(N/mm2)
(2)鋼絲繩內(nèi)外股松動(dòng)，因內(nèi)股鋼絲長度小于外股鋼絲長度，只有內(nèi)股受力，折算應(yīng)力σvi=1216.5(N/mm2)≤0.8σB =0.8×1670=1336(N/mm2)，過高的內(nèi)股應(yīng)力，使疲勞壽命降低，因而內(nèi)股鋼絲先斷。
(3)鋼絲繩內(nèi)股斷裂后，只有外股受力，外股鋼絲應(yīng)力增大，其折算應(yīng)σvi=914.7(N/mm2)≤0.8σB =1336(N/mm2),當(dāng)受到?jīng)_擊載荷時(shí)容易發(fā)生斷裂。
把上述假設(shè)三階段的鋼絲繩應(yīng)力與壽命計(jì)算結(jié)果匯總于下表作對(duì)比。
4．繩輪布置分析
圖11 繩輪與取力器布置圖
1、綜合分析 (1)主鋼絲繩鋼絲的化學(xué)成分在70優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼范圍，金相組織是索氏體+鐵素體，其強(qiáng)度和韌性不如單一的索氏體：拆股面絲抗拉強(qiáng)度偏低，其原因是金相組織中含有鐵素體相：整繩抗拉強(qiáng)度符合1760級(jí)要求。因此可以認(rèn)為主鋼絲繩的材質(zhì)無顯著的缺陷。 (2)1 8×7+FC鋼絲繩是最典型的不旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)鋼絲繩，有其不可克服的缺點(diǎn)：對(duì)于多層繩股的鋼絲繩，其斷股大多數(shù)發(fā)生在內(nèi)層繩，不易發(fā)現(xiàn)；鋼絲繩服役時(shí)內(nèi)外層繩股接觸的表面相互滑動(dòng)摩擦，磨損大；內(nèi)外層股在服役時(shí)難于保證內(nèi)外層鋼絲均勻承載，內(nèi)層繩股的負(fù)重大，易失效。 (3)根據(jù)對(duì)主鋼絲繩鋼絲的斷口分析，內(nèi)股鋼絲80％呈現(xiàn)粉碎性疲勞斷裂(低周疲勞)。鋼絲的外表面損傷會(huì)增加疲勞裂紋產(chǎn)生的傾向，主鋼絲繩內(nèi)股鋼絲疲勞裂紋的起源幾乎都在鋼絲外表面受損傷之處。主鋼絲繩外股的大部分鋼絲斷口都比較平整，但有一定的縮頸。宏觀上比較平整的斷口，在掃描電鏡下顯示解理和準(zhǔn)解理斷裂特征，表現(xiàn)出一定脆斷傾向性。脆斷傾向性較大可能受兩個(gè)因素影響，一是材料有一定的脆性，二是變形速度大。 (4)靠近卷揚(yáng)機(jī)的繩輪和取力器滑輪的位置有待商榷，兩滑輪的距離很短；取力器滑輪直徑又偏小，其與鋼絲繩直徑比值偏低，使鋼絲繩的雙向彎曲角度增大，加速了疲勞。 (5)吊鉤鋼絲繩的化學(xué)成分符合75優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼范圍，金相組織是索氏體。外層繩股有37％鋼絲在斷裂前磨損明顯，整繩強(qiáng)度已有下降，當(dāng)主鋼絲繩斷裂的瞬間，吊鉤鋼絲繩受到?jīng)_擊而斷裂。 2．結(jié)論 (1)主鋼絲繩斷裂是疲勞斷裂。疲勞主要發(fā)生于經(jīng)常在靠近卷揚(yáng)機(jī)的繩輪與取力器滑輪之間負(fù)載運(yùn)行的繩段的內(nèi)股。1 8×7+FC鋼絲繩的結(jié)構(gòu)、繩輪與取力器滑輪之間的距離、取力器滑輪直徑等因素對(duì)疲勞壽命有影響。 (2)吊鉤鋼絲繩在斷裂前已有磨損，整繩強(qiáng)度已有下降，當(dāng)主鋼絲繩斷裂后，吊鉤鋼絲繩受到?jīng)_擊而斷裂。 五、建議 1．研究、選用新型結(jié)構(gòu)的鋼絲繩。 2．加強(qiáng)定期檢查、監(jiān)督鋼絲繩的損傷程度，特別是選用先進(jìn)儀器檢查內(nèi)股鋼絲的定量損傷程度。 3．對(duì)門機(jī)的結(jié)構(gòu)，如取力器滑輪合理的直徑、與繩輪的距離等作進(jìn)一步的研究。 (作者單位：劉正義、廖景娛、許華忠華南理工大學(xué)：洪文健廣州市承壓設(shè)備檢測(cè)研究院)