無接頭繩圈破斷性能影響關(guān)鍵因素研究

黃山田，劉 超，孟維超，張學(xué)福，沈 清，馮 健

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.天津市圣鑫泰鋼繩索具制造有限公司，天津 300453）

0 引言

隨著海上浮吊船吊重能力越來越大，結(jié)構(gòu)物設(shè)計重量也水漲船高，目前國內(nèi)已經(jīng)能夠造出擁有12000 噸起重能力的浮吊船“振華30”。為了能夠滿足數(shù)千噸結(jié)構(gòu)物的吊裝要求，吊裝索具的直徑也變的更粗，對吊裝索具的質(zhì)量要求也更加嚴(yán)格。而無接頭繩圈是海上大型結(jié)構(gòu)物吊裝施工中極為重要的工具，如果出現(xiàn)質(zhì)量問題，輕則結(jié)構(gòu)物吊裝工期延遲，重則損傷浮吊和被吊物。由于無接頭繩圈生產(chǎn)工藝的難度不高，國內(nèi)已有許多索具廠家都能夠生產(chǎn)，在天車和叉車等機(jī)械的簡單配合下，通?？梢詫崿F(xiàn)人工的手動編織。人工編織的無接頭繩圈容易造成捻距不均勻、松緊程度不一致等情況，如果缺乏有效的質(zhì)量管理，無接頭繩圈的破斷性能就會出現(xiàn)較大的偏差。

為獲得影響無接頭繩圈破斷性能關(guān)鍵因素，海洋石油工程股份有限公司（以下簡稱“海油工程”）與天津市圣鑫泰鋼繩索具制造有限公司（以下簡稱“圣鑫泰”）聯(lián)合，通過試驗，研究無接頭繩圈捻距、防腐、疲勞等參數(shù)對無接頭繩圈破斷力的影響。本文介紹了無接頭繩圈的結(jié)構(gòu)及使用要求，給出了無接頭繩圈破斷性能試驗的設(shè)計方案，并根據(jù)試驗結(jié)果分析了無接頭繩圈編織、使用、儲存狀況對破斷性能的影響。

1 無接頭繩圈結(jié)構(gòu)及使用要求

無接頭繩圈（見圖1）以1 根鋼絲繩（也稱為“單元繩”）為原料，通過特殊工藝編織纏繞加工而成的一種環(huán)形索具。無接頭繩圈區(qū)別于其他類型索具，在相同直徑下具有柔軟性好、強(qiáng)度高的顯著特點，被泛應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)物吊裝。

圖1 無接頭繩圈

由于無接頭繩圈的使用環(huán)境和特點，長期使用或存放會出現(xiàn)繩圈表面鋼絲磨損、腐蝕、斷絲、繩股變形以及力學(xué)性能下降等情況，故其有著嚴(yán)格的采辦、使用、維保、存儲和報廢標(biāo)準(zhǔn)。因此，通過真實的試驗研究無接頭繩圈捻距、防腐、疲勞等參數(shù)對無接頭繩圈破斷力的影響是非常必要的。

2 無接頭繩圈性能試驗設(shè)計

2.1 驗證不同捻距和抽芯對無接頭繩圈破斷性能的影響

設(shè)計一組直徑為90mm，公稱長度為8m 的無接頭繩圈，設(shè)計另一組直徑為50mm，公稱長度為6m的無接頭繩圈，每組都編制成4 種不同捻距（捻距倍數(shù)分別為7、8、9、10）。然后對繩圈進(jìn)行靜態(tài)拉力試驗（以預(yù)定的載荷，對索具或其有代表性的試樣進(jìn)行拉力試驗，考核索具的靜態(tài)力學(xué)指標(biāo)性能）和破斷拉力試驗（以規(guī)定的方法，對索具試樣進(jìn)行拉力試驗，考核索具斷裂時的靜態(tài)力學(xué)性能）。無接頭繩圈破斷試驗的索具清單及對比處理如表1所示。

表1 無接頭繩圈破斷試驗清單

2.2 驗證不同購置年份和使用次數(shù)對無接頭繩圈破斷性能的影響

選擇不同購置年限、不同使用次數(shù)的無接頭繩圈，從中取原絲進(jìn)行鹽霧試驗、彎曲、扭轉(zhuǎn)、強(qiáng)度和破斷拉力試驗等，研究原絲力學(xué)性能的變化情況，再分析對索具整體的影響情況。

海油工程是國內(nèi)最早使用無接頭繩圈進(jìn)行結(jié)構(gòu)物海上吊裝的公司，擁有龐大的無接頭繩圈存儲場地，目前庫存有600 余根，最早一批購買的無接頭繩圈已經(jīng)近15 年，使用次數(shù)最多的無接頭繩圈已被用于13 個不同項目，這不包含單個項目內(nèi)部的連續(xù)使用次數(shù)。擬進(jìn)行的無接頭繩圈拆股試驗共選擇12根索具，拆股試驗索具清單如表2所示。

表2 無接頭繩圈拆股試驗索具清單

對其吊點彎曲段和繩圈未作為吊點使用的直線段分別截斷和取絲，并送獨立的第三方公正檢驗機(jī)構(gòu)。試驗內(nèi)容包括：360°扭轉(zhuǎn)試驗、180°彎曲試驗、單絲破斷拉力、鹽霧試驗。拆股試驗線材清單見表3。

表3 拆股試驗線材清單

3 無接頭繩圈性能試驗

3.1 無接頭繩圈破斷試驗

3.1.1 無接頭繩圈破斷試驗要求

無接頭繩圈破斷試驗參照國標(biāo)（GB/T 8358-2014）《鋼絲繩 實際破斷拉力測定方法》進(jìn)行試驗[1]，試驗室要求具有中國合格評定國家認(rèn)可委員會（CNAS）認(rèn)證的試驗室證書。本試驗使用的是圣鑫泰的DYWP-25000電液伺服臥式拉力試驗機(jī)，最大拉力值為25000kN，有效拉伸長度45米。拉力精度和位移（變形）測量精度均優(yōu)于1%。

3.1.2 無接頭繩圈破斷試驗結(jié)果：

無接頭繩圈破斷試驗在海油工程和圣鑫泰共同見證下完成，并對每次試驗結(jié)果進(jìn)行記錄，試驗結(jié)果記錄見表4。圖2為編號SXT 210123-2的無接頭繩圈拉力試驗現(xiàn)場。

圖2 編號SXT 210123-2的無接頭繩圈拉力試驗

表4 無接頭繩圈破斷試驗記錄表

3.2 無接頭繩圈鋼絲拆股試驗

3.2.1 無接頭繩圈鋼絲拆股試驗要求

試驗室要求具有CNAS認(rèn)可的試驗室證書。本試驗由南通市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所的國家鋼絲繩產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心完成。無接頭繩圈鋼絲拆股試驗要求參照規(guī)范如表5所示[2-5]。

表5 鋼絲拆股試驗要求參照規(guī)范

3.2.2 無接頭繩圈鋼絲拆股試驗結(jié)果

由于無接頭繩圈鋼絲拆股試驗結(jié)果過多，課題組對試驗結(jié)果進(jìn)行歸納和總結(jié)，如圖3所示。

圖3 無接頭繩圈鋼絲拆股試驗結(jié)果統(tǒng)計表

4 無接頭繩圈試驗結(jié)果分析

4.1 無接頭繩圈破斷試驗結(jié)果分析

（1）同捻距對無接頭繩圈的破斷拉力值的影響：11組驗證試驗的無接頭繩圈破斷數(shù)值都滿足標(biāo)準(zhǔn)最小破斷力的要求；標(biāo)準(zhǔn)捻距的破斷數(shù)值是最大的，但破斷數(shù)值與捻距不構(gòu)成規(guī)律的線性反比例關(guān)系。但為了獲得更高的破斷數(shù)值依然要選擇標(biāo)準(zhǔn)捻距（6～7.5倍繩徑）。

（2）抽芯對無接頭繩圈的破斷拉力值的影響：根據(jù)目前的試驗結(jié)果，破斷數(shù)值依然都滿足標(biāo)準(zhǔn)最小破斷力的要求。但從破斷的試驗結(jié)果觀察兩組數(shù)值反應(yīng)，一定長度的抽芯與破斷數(shù)值大小沒有因果關(guān)系。

（3）疲勞對無接頭繩圈的破斷拉力值的影響：疲勞靜載試驗后，無接頭繩圈的破斷值發(fā)生了10%以上的下降?？梢娛褂妙l率對破斷力的影響還是比較大的，但破斷數(shù)值還是保持超出標(biāo)準(zhǔn)最小值的情況。每次對試驗后的繩芯位置情況進(jìn)行觀察，均未發(fā)生變化，也就是有限條件強(qiáng)度下的疲勞使用對芯繩位置不構(gòu)成影響，只影響最終破斷結(jié)果。

4.2 無接頭繩圈鋼絲拆股試驗結(jié)果分析

（1）不同存放時間對鋼絲性能的影響（1～40組試驗結(jié)果分析）：需剔除偏離項（GW1607004-1 和GW1607004-2 所屬索具試驗前性能較差，6 組數(shù)據(jù)異常偏離，應(yīng)予以舍棄）。購置時間超過8 年的鋼絲繩繩圈，鋼絲拉力試驗結(jié)果不合格率達(dá)到75.8%（33 組總樣本，27 組不合格），說明存放年限主要影響鋼絲的拉力性能（單次試驗最高不合格率最高100%）。

（2）不同使用次數(shù)對鋼絲性能的影響（41～80組試驗結(jié)果分析）：選擇參與實驗的索具購置時間均超過8 年，鋼絲拉力試驗結(jié)果不合格率較高，也印證了不同存放時間對鋼絲性能影響的結(jié)論。對比鋼絲彎曲試驗和扭轉(zhuǎn)試驗兩組數(shù)據(jù)后，可以發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)試驗結(jié)果不合格率較高，達(dá)到72.5%（40 組總樣本，29組不合格），而彎曲試驗結(jié)果不合格率僅為20%（40組總樣本，8組不合格），說明不同使用次數(shù)主要影響鋼絲的扭轉(zhuǎn)性能（單次試驗不合格率最高100%）。

鋼絲拆股試驗結(jié)果表明，存放年限直接影響鋼絲拉力性能，使用次數(shù)影響鋼絲扭轉(zhuǎn)性能。當(dāng)作為索具最基本結(jié)構(gòu)的鋼絲性能降低后，進(jìn)而影響無接頭繩圈的整體破斷拉力。

5 結(jié)語

本文根據(jù)無接頭繩圈破斷性能試驗情況，分析了出各環(huán)節(jié)對繩圈破斷性能的影響因素，并獲得了關(guān)鍵參數(shù)，為無接頭繩圈使用、維護(hù)、存儲與報廢提供了指導(dǎo)和參考。

（1）使用相同單元繩編織的無接頭繩圈，自身破斷性能只受編織旋轉(zhuǎn)損失系數(shù)影響，與捻距大小和抽芯長短關(guān)系不大。但捻距過大的索具結(jié)構(gòu)緊實度不足，易發(fā)生股繩松散的情況；而抽芯達(dá)到一定長度后，無接頭繩圈股繩會塌陷，造成繩圈結(jié)構(gòu)變形；同時捻距過大和抽芯過長會造成無接頭繩圈股繩之間受力不均，降低繩圈的破斷性能。為提高無接頭繩圈的整體破斷性能，可以使用穩(wěn)定高效的編織機(jī)械來編織無接頭繩圈，使用機(jī)械編織的繩圈整體緊湊、捻距均勻，可有效消除人工編織造成的不確定因素。

（2）多次使用或購置時間較長的無接頭繩圈，其破斷性能會有一定程度下降。多次使用的無接頭繩圈，鋼絲扭轉(zhuǎn)性能降低較多；購置時間較長的無接頭繩圈，鋼絲拉力性能降低較多。對于無法驗證整體破斷性能的無接頭繩圈，為提高使用的安全性，需要經(jīng)過嚴(yán)格的外觀檢驗和靜態(tài)拉力試驗。