港口橋吊用鋼絲繩斷絲原因探討

劉金殿 姚治軍

摘 要：我國港口的國際碼頭上經(jīng)常有使用一段時(shí)間的橋吊鋼絲繩之后會(huì)出現(xiàn)斷絲。原來設(shè)計(jì)鋼絲繩的壽命是能夠承載十萬只集裝箱，但是現(xiàn)實(shí)操作之中裝載量在六萬只的集裝箱時(shí)候就已經(jīng)有鋼絲繩斷裂的情況了，這直接影響的港口運(yùn)輸?shù)男?；故而集裝箱橋吊鋼絲繩對(duì)于港口的安全以及效率起到非常重要的作用。首先是針對(duì)鋼絲繩的取樣試驗(yàn)進(jìn)行斷絲的原因分析；其次是一般情況而言分析鋼絲繩主要的兩種原因，最后以此類推對(duì)港口橋吊用鋼絲繩斷絲的原因進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：港口；鋼絲繩；斷絲；疲勞

疲勞斷絲和電接觸的斷絲是鋼絲繩斷絲的主要原因，這是因?yàn)橹圃旃に囈约颁摬牡馁|(zhì)量不同而決定的，并且這些原因?qū)е碌臄嘟z現(xiàn)象都有可能發(fā)生在在鋼絲繩中橫截面的任何部位。

1港口用鋼絲繩的斷裂檢測

1.1鋼絲繩斷絲的情況和檢測方法

就企業(yè)使用的港口用鋼絲繩的斷絲情況，中科院金屬研究所特地對(duì)其進(jìn)行檢測試圖找出相關(guān)的原因。拆除失效鋼絲繩的樣品得知鋼絲繩的相鄰股的相互擠壓是非常的嚴(yán)重，還有在相互接觸的鋼絲表面上有不輕的雙坑形狀的壓痕。力學(xué)的性能監(jiān)測主要是對(duì)鋼絲繩的內(nèi)部，主要考慮到表面損傷嚴(yán)重的鋼絲，然后測得的值和標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比，找出哪些合格的以及性能較差的因素出來。

檢驗(yàn)鋼絲繩質(zhì)量；首先是檢查外觀，從鋼絲繩斷裂的情況來分析，六處斷裂處都在兩根股繩上，其中戶型窄帶內(nèi)大概有寬度為十五毫米的五處，外層斷絲的端口都是脆性平齊的形狀；其次監(jiān)測力學(xué)性能，拆股失效的鋼絲繩并觀察表面的損傷以及缺陷，但是事故造成的鋼絲表面有嚴(yán)重的損傷，力學(xué)性能監(jiān)測可以通過內(nèi)層的鋼絲以不同組分來進(jìn)行檢測，這樣才能獲取破斷拉力以及抗拉強(qiáng)度等隨著不同鋼絲直徑而變化的數(shù)據(jù)。具體的實(shí)驗(yàn)過程省略，結(jié)論可以得到鋼絲彎曲、拉伸以及扭轉(zhuǎn)的性能影響受到內(nèi)層鋼絲的條狀擠壓痕跡原因不是很大；原始鋼絲的力學(xué)性能判斷是拆除鋼絲之后的檢測方式；雙坑形狀的壓痕是鋼絲軸線和外層的鋼絲表面有三十度夾角導(dǎo)致的擠壓痕跡，這樣的受損對(duì)力學(xué)性能影響是非常大的；力學(xué)性能監(jiān)測的意義在于分析外層鋼絲的斷絲端口情況，才能夠?qū)︿摻z繩失效的原因進(jìn)行評(píng)估。

1.2鋼絲繩斷裂的檢測分析

鋼絲繩斷裂的分析要從四個(gè)方面來著手，首先是微觀特征和斷絲表面特征；斷絲的樣品特征有兩類可分，三根外層細(xì)斷絲以及三根外層粗?jǐn)嘟z的不同特征進(jìn)行觀察、分析和獲得結(jié)論；兩個(gè)斷絲的斷口樣品是一粗一細(xì)的，但是縱向的表面有磨損以及不同程度的擠壓，呈現(xiàn)的痕跡各不相同，有條形螺旋狀的，也有雙坑形狀的壓痕。最后，分析斷絲的疲勞方式以及顯微組織方式，從受力和借助工具的辦法對(duì)斷絲進(jìn)行分析。

港口用的鋼絲繩作為特殊使用而要求特別嚴(yán)格，鋼絲繩中的抗疲勞的性能就是首要考慮的，然后還要要求鋼絲繩中的防腐蝕功能，最后要對(duì)使用壽命的要求也是不容忽視的，也就是鋼絲繩的疲勞壽命在考慮的范圍之內(nèi)。鋼絲繩也會(huì)遵從材料中疲勞過程的幾個(gè)階段（無裂紋階段到裂紋萌生階段、裂紋擴(kuò)展階段），每個(gè)階段中的時(shí)間會(huì)根據(jù)鋼絲繩中的綜合性能來決定。單根的鋼絲繩中的表面以及整體抗疲勞的性能就會(huì)直接對(duì)無裂紋階段的壽命長短有影響，裂紋萌生階段的出現(xiàn)由鋼絲繩的表面質(zhì)量來決定。

2鋼絲繩斷絲的案例分析

2.1鋼絲繩在滑輪的應(yīng)用

他山之石可以攻玉，參考起重鋼絲繩的失效形式，我們可以從多方面去參考港口吊用鋼絲繩的預(yù)防斷絲的方法，鋼絲繩為了適應(yīng)不同領(lǐng)域的使用而有不同的、規(guī)格，起重吊裝領(lǐng)域是其廣泛應(yīng)用的；鋼絲繩在主要場合應(yīng)用之中還需要對(duì)其試驗(yàn)相關(guān)的疲勞以及伸長等參數(shù)，抗拉強(qiáng)度是鋼絲繩的主要性能指標(biāo)而被行業(yè)內(nèi)視為檢測標(biāo)準(zhǔn)。彈簧鋼作為鋼絲繩的原材料，特別是廣泛應(yīng)用的碳素彈簧鋼。鋼絲繩有相似的基本結(jié)構(gòu)，但是總是用不同直徑的一股以不同粗細(xì)的多股絞和而成的。面接觸的鋼絲繩的形成是通過多根鋼絲變成鋼絲股之后的擠壓拉拔，讓鋼絲繩的外面的圓鋼絲形成扇形的組合即可。鋼絲繩和繩具以及滑輪組成滑輪系統(tǒng)之后就會(huì)承受不同的交變載荷，比如間歇彎曲、拉伸或者拉直、間歇滾壓以及摩擦等不同的壓力形式；所以，過載斷裂的失效形式是鋼絲繩中的表現(xiàn)，主要是表現(xiàn)在鋼絲繩的斷裂以及表面磨損的疲勞失效。

2.2鋼絲的磨損面斷裂

滑輪起重形式用的鋼絲繩的不同股接觸鋼絲受到磨損之后有紡錘形狀的對(duì)稱磨損面；磨損的紡錘面中央有斷裂的地方，平齊的橫向方向，一股鋼絲繩上斷了鋼絲，這就是宏觀的情況；

如果用掃描電鏡，斷口的電鏡的低倍全貌主要體現(xiàn)在鋼絲軸線和斷口的垂直，沒有明顯的變形；但是斷口的中心區(qū)域位置有起伏不斷的縱向的裂紋，而且磨損面的對(duì)稱側(cè)面有較粗糙的斷口，這是被稱作瞬斷區(qū)。電鏡觀察沒有斷裂的磨損面，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有橫向的裂紋在磨損的中間位置直到貫穿到表面，裂紋的表面已經(jīng)被拉開了。中間區(qū)域的磨損面挺平整，兩側(cè)是片狀呈現(xiàn)，不過有些已經(jīng)有拉傷且剝離的痕跡了。最后也可以用金相分析，再次就不詳細(xì)敘述了。

結(jié)論有幾點(diǎn)，第一，鋼絲繩的表面鋼絲如果有磨損面的斷裂就稱作疲勞斷裂，疲勞的開裂主要是和磨損表面的二次淬火的材料有關(guān)，并不是因?yàn)槟p后的有效應(yīng)力增大了的緣故。碳素鋼經(jīng)過高溫淬火之后的組織硬度更高，但韌性不夠；在工作的時(shí)候受到表面摩擦的剪切應(yīng)力和彎曲拉直的沖擊力相互作用，會(huì)在磨損面的較差力疊加處有疲勞源的產(chǎn)生。第二，鋼絲的表面在高溫中有金屬流變之后會(huì)發(fā)生層狀剝離；整體的磨損主要是因?yàn)橐徊糠值慕饘俸推ヅ浜玫幕喢嫒诤虾?。在工作的過程中被拉開以及剝離導(dǎo)致的。第三，電鏡中有看到鋼絲表面的磨損，主要體現(xiàn)在拉傷的磨損；金相分析，磨損區(qū)受到的熱量可能來自高應(yīng)力下的摩擦熱或者高應(yīng)力的下表層金屬的變熱。對(duì)磨損層下面較厚的淬火層和基體間過渡區(qū)甚至很窄，這樣的表面體現(xiàn)說明在短時(shí)間中磨損區(qū)承受的很大的熱量，該熱量已經(jīng)足夠熔化表層的金屬了；第四，鋼絲繩應(yīng)用在滑輪系統(tǒng)中產(chǎn)生的滾動(dòng)摩擦，二次淬火區(qū)很難形成在鋼絲繩表面，根據(jù)較厚的表面二次淬火帶來判斷，滑輪系統(tǒng)加速且有載荷運(yùn)動(dòng)時(shí)候，鋼絲繩和滑輪就不會(huì)同步協(xié)作而是產(chǎn)生劇烈的滑動(dòng)摩擦。所以，在高載荷中的快速滑動(dòng)對(duì)于鋼絲繩的壽命會(huì)有很直接的影響，應(yīng)該盡量避免滑輪系統(tǒng)有這樣的活動(dòng)。

3分析港口橋吊用鋼絲繩斷絲的原因

港口的橋吊鋼絲繩工作過程之中會(huì)有不少位置有斷絲的情況發(fā)生，需要通過不同的方法對(duì)斷絲的情況進(jìn)行研究以及分析。分析的方法有幾種，化學(xué)成分分析以及力學(xué)性能檢測、斷口的分析、金相檢測、顯微硬度的測試等方法對(duì)其進(jìn)行分析。

3.1力學(xué)陛能檢測以及分析化學(xué)成分

對(duì)沒有使用的鋼絲繩部位進(jìn)行取樣來進(jìn)行力學(xué)性能的檢測，要求要符合1770Mpa的要求才可以，但是實(shí)際測試到的單位絲抗拉強(qiáng)度是1900Mpa。然后再對(duì)鋼絲繩上的斷絲進(jìn)行樣品的提取，并進(jìn)行化學(xué)成分的分析；分別對(duì)鋼絲繩的碳、錳、硅、硫、磷等成分進(jìn)行成分的測試，然后和質(zhì)保書的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

經(jīng)過分析，鋼絲繩的斷絲經(jīng)過力學(xué)性能以及化學(xué)成分的分析都是符合JISG 3525-1998和供貨的要求的；鋼絲繩的鋼材通過不高的夾雜物級(jí)別來判斷其冶煉鋼絲繩的時(shí)候的鋼材質(zhì)量上是屬于合格的。

3.2斷口的分析

拆解鋼絲繩之后發(fā)現(xiàn)鋼絲繩的外表面全部是斷絲的情況，而且斷絲的斷口以及外側(cè)的表面情況都屬于磨損痕跡的情況，并且還有變形扭曲等斷絲情況；斷口是平齊的，說明沒有出現(xiàn)縮頸情況；還有的就是拆解之后發(fā)現(xiàn)鋼絲繩心的部位含油量不多，銹跡以及干燥情況可想而知。也還可以通過掃描電鏡觀察斷口的情況。情況都是斷口附近的外表面中會(huì)有不少長度為微米級(jí)別且深淺不同的損傷溝槽，具體情況就不一一敘述了。

通過對(duì)斷口的宏觀情況檢查和電鏡微觀的觀察，可以分析，鋼絲外表面的損傷以及磨損處都會(huì)導(dǎo)致鋼絲繩的開裂，有些位置的磨損會(huì)非常的嚴(yán)重，并且斷口的面積占原來面積的40%。其他大部分的斷面平整的情況基本可以判斷斷面上會(huì)有疲勞輝紋的特征以及二次裂紋的情況，此種情況就是疲勞斷裂的性質(zhì)。另外，韌性斷裂屬于負(fù)荷過大導(dǎo)致的，鋼絲繩斷裂情況只有個(gè)別斷口屬于這個(gè)；這是因?yàn)殇摻z繩表面的磨損減小了橫截面積，所以導(dǎo)致變大了的應(yīng)力后有過載斷裂的情況發(fā)生。最后，港口橋吊中的鋼絲會(huì)經(jīng)常處在海洋的環(huán)境之中，大氣中也會(huì)存在一些氯離子導(dǎo)致鋼絲繩會(huì)發(fā)生腐蝕的情況。鋼絲繩的部分?jǐn)嗔押痛朔N情況有關(guān)，腐蝕的痕跡也加速了鋼絲繩斷口中的疲勞。

3.3金相檢測和顯微硬度的測試

對(duì)鋼絲縱向取出金相試樣，鑲嵌之后磨拋放到光學(xué)顯微鏡下面進(jìn)行觀察工作。鋼絲繩斷口附近的有級(jí)別不高的夾雜物，斷口軸向有幾乎平行狀的橫向裂紋分布在鋼絲表面。這種橫向裂紋有兩種形式較為典型，一種是表面中互相平行分布的裂紋導(dǎo)致，一種是磨損之后受到擠壓，從底部到軸心處進(jìn)行擴(kuò)展的裂紋；通過光學(xué)顯微鏡的仔細(xì)觀察，模向截面里的斷口處以及附近都有磨損，只是程度不一而已；甚至還有變形以及失圓的現(xiàn)象出現(xiàn)，磨損的情況有時(shí)候可以占到截面直徑的四分之一。隨后利用顯微硬度計(jì)對(duì)斷口附近的樣品進(jìn)行硬度測試，通過載荷以及時(shí)間加載然后換算程洛氏硬度，為了后續(xù)分析工作的良好開展。結(jié)果可見啊，鋼絲繩斷口截面有不少的軟點(diǎn)，變形的梭狀的鐵素體相的確認(rèn)也可以通過和顯微組織進(jìn)行對(duì)比得知。

較多的互相平行的橫向裂紋處在斷絲附近的表面上，微震疲勞的特點(diǎn)是這種裂紋具備的。港口橋吊的鋼絲繩在操作過程中的起吊、移動(dòng)以及剎車停頓中都會(huì)有一定頻率的微小震動(dòng)；時(shí)間一長，就會(huì)出現(xiàn)微振疲勞的裂紋，這也是通過塑性變形層面以及鋼絲繩的損傷表面、流變層這些部位而形成的，此種裂紋會(huì)相對(duì)正常鋼絲中出現(xiàn)的摩擦和變形等更為常見。

4結(jié)語

綜上所述，港口橋吊用的鋼絲繩斷絲的原因已清楚，此種鋼絲繩的斷絲被稱作疲勞斷裂，其中早期疲勞斷裂是罪魁禍?zhǔn)?，這才回引發(fā)后續(xù)一系列的疲勞斷裂，最終導(dǎo)致鋼絲繩斷絲的情況發(fā)生。主要原因不但鐵位素存在冶煉鋼絲繩的鋼絲材料里面，而且在鋼絲繩工作期間不斷有摩擦以及磨損等表面損失等作用。從源頭抓住鋼絲繩斷絲的辦法，也是延長鋼絲繩的使用壽命。

參考文獻(xiàn)

[1]高興勇.鋼絲繩斷繩分析[J].超重運(yùn)輸機(jī)械，2005 （09）：35-37.

[2]巴發(fā)海，李玲，陸洲.港口橋吊用鋼絲繩斷絲原因分析[J].機(jī)械工程材料，2009，33 （12）90-93

[3]尹濤，呂英臣，尹萬全.港口用鋼絲繩斷裂失效分析[J].金屬制品，2008 （02）：20-25.

[4]任頌贊，陳德華，于暉.鋼絲繩斷裂的兩類起因[J].熱處理，2004 （03）：40-43，