塔式起重機(jī)鋼絲繩斷裂分析

張 杰，吳繼權(quán)，邱康勇

(深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院，廣東 深圳 518029)

塔式起重機(jī)鋼絲繩斷裂分析

張 杰，吳繼權(quán)，邱康勇

(深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院，廣東 深圳 518029)

通過(guò)宏觀檢查并結(jié)合體式顯微鏡SM、直讀光譜儀OES、金相顯微鏡OM、掃描電子顯微鏡SEM等檢測(cè)分析儀器，對(duì)一條斷裂的塔式起重機(jī)鋼絲繩進(jìn)行失效分析。結(jié)果表明：鋼絲繩上存在大量陳舊斷口，同時(shí)在鋼絲繩上發(fā)現(xiàn)了不同程度的擠壓磨損。這些損傷的存在造成整條鋼絲繩的承載力嚴(yán)重下降，在使用過(guò)程中，剩余鋼絲不足以承受所加載荷，最終發(fā)生斷裂。建議在以后的起吊作業(yè)過(guò)程中，定期對(duì)鋼絲繩進(jìn)行檢查，及時(shí)更換不滿足使用要求的鋼絲繩；鋼絲繩使用過(guò)程中采取合理的潤(rùn)滑方法進(jìn)行維護(hù)；鋼絲繩在保存或者轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，應(yīng)避免損傷。

斷裂；鋼絲繩；陳舊斷口；擠壓磨損

0 引言

起吊鋼絲繩是由多根鋼絲捻成股，再以繩芯為中心，由一定數(shù)量股捻繞成螺旋狀的繩，由于其強(qiáng)度高、自重輕、承載能力大、纏繞性好、無(wú)噪音、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn)，作為提升機(jī)構(gòu)設(shè)備中的重要零部件，廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、石油、化工、建筑、航空、機(jī)械等行業(yè)[1-3]。但鋼絲繩屬于易損部件，在實(shí)際使用過(guò)程中，每年都會(huì)發(fā)生多起由于鋼絲繩突然斷裂造成的事故[4-5]。

2016年5月末，深圳市某建設(shè)工地上的一塔式起重機(jī)鋼絲繩在使用時(shí)間不到2年，突然發(fā)生斷裂。該鋼絲繩材質(zhì)為65鋼，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為35W×7，直徑為13 mm，長(zhǎng)度為1 070 m。為查明鋼絲繩斷裂失效原因，避免類似事故的再發(fā)生，本研究對(duì)其進(jìn)行失效分析。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 宏觀檢查

對(duì)斷裂的鋼絲繩進(jìn)行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)鋼絲繩外表面存在多處變形損傷。鋼絲繩宏觀照片見圖1。

在靠近鋼絲繩斷口位置進(jìn)行取樣、拆股分析，該鋼絲繩由35股鋼絲繩組成，每股由7根鋼絲組成，即整個(gè)鋼絲繩由245根細(xì)鋼絲捻繞而成。鋼絲繩的結(jié)構(gòu)示意圖[6]如圖2所示。根據(jù)鋼絲繩的結(jié)構(gòu)，將鋼絲繩由外到內(nèi)的順序分為外圈、次外圈、內(nèi)圈等3個(gè)部分。其中：鋼絲繩外圈共有16股，次外圈共有12股，內(nèi)圈共7股(6股包著1股鋼芯)。

圖1 鋼絲繩宏觀形貌Fig.1 Macroscopic appearance of wire rope

圖2 鋼絲繩結(jié)構(gòu)示意圖[6]Fig.2 Schematic diagram of wire rope

按外圈、次外圈及內(nèi)圈的順序，將每股鋼絲繩中的每根鋼絲經(jīng)無(wú)水乙醇清洗后置于體式顯微鏡下，觀察斷口宏觀形貌：其中部分鋼絲斷口顏色發(fā)黑、發(fā)暗，斷口上有嚴(yán)重銹蝕，呈陳舊斷口特征(圖3a)；其他鋼絲斷口顏色發(fā)青、發(fā)亮，斷口上無(wú)銹蝕或者輕微銹蝕，呈新鮮斷口特征(圖3b)。在所有斷口中，斷口斷面形狀不一，在此以斷口斷面形狀為出發(fā)點(diǎn)，將鋼絲繩斷口主要分為斜面斷口、頸縮斷口兩大類，分別見圖3c、圖3d。其中斜面斷口與部分頸縮斷口表面存有擠壓磨損損傷，對(duì)所有的斷口進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的結(jié)果見表1。由表1可知：鋼絲繩斷裂前已存在大量斷絲現(xiàn)象。

圖3 鋼絲繩斷口宏觀形貌Fig.3 Macroscopic appearance of wire rope’s fracture surfaces表1 鋼絲繩斷口類型統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Statistical results for fracture surface types of wire rope

LocationFreshfracturesurfacesTensionfracturesurfacesTensionfracturesurfaces(Squeezingwear)ShearfracturesurfacesOldfracturesurfacesTensionfracturesurfacesTensionfracturesurfaces(Squeezingwear)ShearfracturesurfacesOuterring52277170Secondaryouterring623103123Innerring49711018Total155415842111

1.2 成分檢驗(yàn)

截取鋼絲繩樣品，解散分開，清潔表面污垢后，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析。鋼絲繩鋼絲的化學(xué)成分分析結(jié)果見表2，分析結(jié)果符合GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》[7]對(duì)65鋼的技術(shù)要求。

表2 鋼絲繩化學(xué)成分分析結(jié)果 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 2 Results of chemical composition analysis of wire rop (mass fraction /%)

1.3 金相檢驗(yàn)

截取鋼絲繩橫截面試樣，經(jīng)鑲嵌、打磨及拋光后，用4%硝酸酒精溶液浸蝕。鋼絲繩橫截面金相組織見圖4。內(nèi)圈、外圈鋼絲表面局部受到不同程度的擠壓、磨損等損傷；鋼絲金相組織均為細(xì)小、均勻的回火索氏體，內(nèi)圈、外圈鋼絲組織無(wú)明顯差異。

1.4 硬度測(cè)試

在斷裂鋼絲繩上截取橫截面試樣，經(jīng)鑲嵌、打磨及拋光后，進(jìn)行顯微硬度測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見表3。由表3可知，鋼絲繩內(nèi)外圈硬度無(wú)明顯差異。

表3 硬度測(cè)試結(jié)果Table 3 Results of hardness test (HV0.5)

1.5 斷口微觀檢驗(yàn)

經(jīng)體式顯微鏡初步分析后，分別從外圈、次外圈、內(nèi)圈挑選出1股 (共6根鋼絲)具有代表性斷裂形貌特征的鋼絲繩斷口，經(jīng)清洗干凈、干燥后，置于掃描電鏡下作進(jìn)一步分析。

1) 外圈鋼絲繩斷口。

外圈鋼絲繩斷口在掃描電鏡下的斷口形貌見圖5。其中，圖5a為該股鋼絲繩斷口在掃描電鏡下的整體形貌，圖5b、圖5c為該股鋼絲繩中單根鋼絲斷口整體形貌。圖5d為單根鋼絲斷口局部形貌。鋼絲斷口附近受到不同程度的磨損、擠壓等損傷，斷口形狀有的呈單剪切狀，有的呈雙剪切狀；鋼絲斷面局部放大可見變形拉長(zhǎng)的韌窩。

2)次外圈鋼絲繩斷口。

次外圈鋼絲繩斷口在掃描電鏡下的斷口形貌見圖6。其中：圖6a為該股鋼絲繩斷口在掃描電鏡下的整體形貌，斷口多為剪切斷口；圖6b為該股鋼絲繩中單根鋼絲斷口低倍形貌，斷口上附有一層較厚的覆蓋物。能譜分析知該覆蓋物主要為氧化物，能譜分析結(jié)果見圖7。

圖5 外圈鋼絲繩的斷口形貌Fig.5 Appearance of fracture surfaces in the outer ring

3)內(nèi)圈鋼絲斷口。

內(nèi)圈鋼絲繩斷口在掃描電鏡下的斷口形貌見圖8。其中，圖8a為整股鋼絲繩斷口形貌，斷口以正斷斷口為主。圖8b、圖8c為單根鋼絲斷口整體形貌，斷口有明顯縮頸現(xiàn)象，斷頭呈錐形，為典型的拉伸斷裂形貌[8]。圖8d為單根鋼絲中心部位的放大形貌，斷口表面均可見大量的等軸韌窩，且韌窩周圍伴生二次裂紋。

圖6 次外圈鋼絲繩的斷口形貌Fig.6 Appearance of fracture surfaces in the secondary outer ring

圖7 次外圈鋼絲繩能譜分析結(jié)果Fig.7 Results of energy spectrum analysis on fracture surface in the secondary outer ring

圖8 內(nèi)圈鋼絲繩的斷口形貌Fig.8 Appearance of fracture surfaces in the inner ring

2 分析與討論

結(jié)合化學(xué)成分分析、金相組織分析與硬度測(cè)試結(jié)果分析表明：斷裂鋼絲繩不存在制造質(zhì)量上的異常缺陷。

宏觀檢驗(yàn)表明：斷裂的鋼絲繩合計(jì)35股共245根鋼絲(圖9)。其中：陳舊斷絲總數(shù)為161根，占總鋼絲數(shù)量的65.7%；新斷鋼絲總數(shù)為84根，占總鋼絲數(shù)量的34.3%。由此可知，鋼絲繩徹底斷裂前已存在大量陳舊斷口。

如圖9所示，鋼絲繩陳舊斷口中，具有完整拉斷斷口的鋼絲數(shù)量為8根，所占比例為5%，擠壓磨損切斷的鋼絲數(shù)量有111根，所占比例為69%，擠壓磨損后拉斷的鋼絲數(shù)量為42根，所占比例為26%；在新斷絲中，具有完整拉斷斷口的鋼絲數(shù)量為15根，所占比例為18%，擠壓磨損切斷的鋼絲數(shù)量有15根，所占比例為18%，擠壓磨損后拉斷的鋼絲數(shù)量位54根，所占比例為64%。由此可知鋼絲的擠壓磨損是造成鋼絲繩損壞的主要原因。

圖9 斷絲統(tǒng)計(jì)Fig.9 Statistical results of fractured wires

結(jié)合電子顯微鏡觀察可知：擠壓磨損切斷斷口中，有的呈單剪切狀，有的呈雙剪切狀，其中大部分可見擠壓磨損弧坑，電鏡下形貌特征為變形拉長(zhǎng)韌窩[9]。電鏡下拉斷斷口中可見大量等軸韌窩。在拉斷斷口中，有的有規(guī)則頸縮，該類斷口起裂源位于斷口中心區(qū)域；有的存在擠壓磨損損傷，損傷處成為裂紋的起裂源，在正應(yīng)力載荷作用下拉斷，該拉斷斷口具有不規(guī)則頸縮。擠壓磨損不僅減少鋼絲的有效面積，同時(shí)易產(chǎn)生裂紋源和局部應(yīng)力集中，使得鋼絲強(qiáng)度降低。大量陳舊斷口及擠壓磨損造成整個(gè)鋼絲的強(qiáng)度降低，從而使得鋼絲繩不足承受所加載荷，導(dǎo)致鋼絲繩斷裂[10]。因此，鋼絲的擠壓磨損是造成鋼絲繩損壞的主要原因，在鋼絲繩多根損壞的情況下，整個(gè)鋼絲繩拉斷的幾率大大增加。

3 改進(jìn)措施

1)定期對(duì)鋼絲繩進(jìn)行檢查，及時(shí)更換不滿足使用要求的鋼絲繩。

2)鋼絲繩使用過(guò)程中采用合理的潤(rùn)滑方法進(jìn)行維護(hù)。

3)鋼絲繩在保存或者轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，應(yīng)避免損傷。

4 結(jié)論

1)鋼絲繩在斷裂前受到不同程度的擠壓磨損，甚至有陳舊斷口存在。

2)擠壓磨損與陳舊斷口的存在造成整條鋼絲繩的承載力嚴(yán)重下降，在使用過(guò)程中，剩余鋼絲不足以承受所加載荷，最終發(fā)生斷裂。

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Fracture Analysis of Wire Rope for Tower Crane

ZHANG Jie，WU Ji-quan，QIU Kang-yong

(ShenzhenInstituteofSpecialEquipmentInspectionandTest,ShenzhenGuangdong518029,China)

By means of macroscopic examination, combined with SM, OES, OM, SEM and so on, the fractured wire rope for tower crane has been analyzed. The results show that there are old fracture surfaces and extrusion wear on the rope, which remarkably degraded the bearing capacity of the wire rope. This means that the remaining normal wires were not enough to withstand the load and the wire rope ultimately fractured. Some suggestions have been put forward, including regularly inspecting wire rope, timely replacing the unqualified out-of-standard wire rope, maintaining the wire rope with a reasonable lubrication method during service, and avoiding any damage of wire rope during the storing and transferring process.

fracture；wire rope；old fracture；extrusion wear

2017年5月1日

2017年6月26日

張杰(1991年-)，男，碩士，工程師,主要從事金屬材料的理化檢驗(yàn)及失效分析等方面研究。

TG142.41

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.04.007

1673-6214(2017)04-0237-06