起重機(jī)鋼絲繩斷裂失效分析

供稿|馬惠珠, 李宗奇, 蔡 磊, 張國(guó)珍/MA Hui-zhu, LI Zong-qi, CAI Lei, ZHANG Guo-zhen

前 言

鋼絲繩作為塔式起重機(jī)重要的零部件，因其強(qiáng)度高、彈性大、纏繞性好、無(wú)噪音、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn)，常用于承載重力，但其屬于易損件，常因使用過程對(duì)鋼絲繩檢查、更換不及時(shí)發(fā)生鋼絲繩斷裂，造成重大事故。某建筑工地一臺(tái)塔式起重機(jī)就因起升鋼絲繩斷裂，致使掛鉤和重物墜落，砸中地面作業(yè)人員，造成2死3傷事故。

鋼絲繩斷裂失效分析

因資料管理不善，對(duì)鋼絲繩生產(chǎn)廠家、鋼絲繩規(guī)格型號(hào)、公稱抗拉強(qiáng)度級(jí)別、使用年限、斷裂前鋼絲繩受力程度等情況均無(wú)從了解。關(guān)于鋼絲繩的基本信息只能通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)截取的鋼絲繩樣品進(jìn)行檢測(cè)分析獲得。

鋼絲繩結(jié)構(gòu)分析

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)截取的鋼絲繩進(jìn)行取樣拆股分析，該鋼絲繩由纖維繩芯和6個(gè)圓股組成，每股外層絲18根，中心絲外捻制3層鋼絲，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，可以確定事故現(xiàn)場(chǎng)斷裂的鋼絲繩結(jié)構(gòu)為6×37 + FC，屬于一般用途鋼絲繩。

圖1 鋼絲繩結(jié)構(gòu)

鋼絲繩材質(zhì)分析

對(duì)鋼絲繩取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，其組成鋼絲主要成分含量見表1，其化學(xué)成分均符合GB/T 699-1999中65號(hào)鋼的要求，滿足YB/T 434-2009《制繩用鋼絲》規(guī)定的原料鋼牌號(hào)要求。

表1 鋼絲繩化學(xué)成份(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

鋼絲繩表觀分析

圖2為事故現(xiàn)場(chǎng)斷裂的鋼絲繩表觀照片。從鋼絲繩表觀形貌發(fā)現(xiàn)鋼絲繩發(fā)生嚴(yán)重變形，產(chǎn)生凸起不平，斷口參差不齊，鋼絲繩表觀附有大量污染物，部分鋼絲表面發(fā)生銹蝕，局部區(qū)域磨損嚴(yán)重，存在部分鋼絲斷絲現(xiàn)象。

圖2 鋼絲繩表觀照片

鋼絲銹蝕和磨損分析

圖3和圖4分別為鋼絲繩銹蝕情況分布圖和磨損情況分布圖。鋼絲繩中93%的鋼絲發(fā)生了不同程度的銹蝕，尤其是各股外層鋼絲均發(fā)生了嚴(yán)重銹蝕，其中還有2根鋼絲因銹蝕發(fā)生了斷裂。鋼絲繩中各股外層鋼絲都有不同程度的磨損，其中有10根鋼絲出現(xiàn)磨損斷裂。

圖3 鋼絲繩銹蝕分布圖

圖4 鋼絲繩磨損分布圖

鋼絲繩斷口分析

對(duì)斷裂鋼絲繩斷口進(jìn)行超聲波清洗，觀察斷口形貌，其斷口形式有三種：(1)斷面平整，無(wú)頸縮，斷面上附有大量氧化物，斷口附近鋼絲表面銹蝕嚴(yán)重，見圖5，這種斷口是由于銹蝕原因造成，并已形成一段時(shí)間，占總斷口形式的30%；(2)斷面變形，頸縮明顯，斷頭呈錐形，斷面上無(wú)氧化物存在，見圖6，這種斷口是由于拉伸造成，是新形成的斷口，占總斷口形式的50%；(3)斷口兩側(cè)呈斜茬，斷面扁平，斷口附近的鋼絲表面磨損明顯，斷面上無(wú)氧化物存在，見圖7，這種斷口是由于磨損造成，是新形成的斷口，占總斷口形式的20%。

圖5 鋼絲銹蝕

圖6 鋼絲拉伸斷口形貌

圖7 鋼絲磨損斷口形貌

鋼絲力學(xué)性能分析

隨機(jī)選取銹蝕和磨損狀況分別為0級(jí)、1級(jí)、2級(jí)的鋼絲各20根進(jìn)行抗拉強(qiáng)度檢測(cè)，結(jié)果見表2。未發(fā)生銹蝕和磨損的鋼絲滿足一般用途鋼絲繩的要求，輕微銹蝕和輕微磨損對(duì)鋼絲抗拉強(qiáng)度影響不大，嚴(yán)重銹蝕和嚴(yán)重磨損則會(huì)大大降低鋼絲抗拉強(qiáng)度，與未發(fā)生銹蝕和磨損的鋼絲相比，其抗拉強(qiáng)度分別下降了11.0%和 23.2%。

鋼絲繩斷裂原因分析

綜合鋼絲繩的各項(xiàng)檢測(cè)分析，該鋼絲繩斷裂的主要原因?yàn)椋?/p>

(1)鋼絲繩選用不當(dāng)。塔式起重機(jī)的起升鋼絲繩應(yīng)滿足GB 8918—2006《重要用途鋼絲繩》的要求，而該起重機(jī)采用了結(jié)構(gòu)形式為6×37 + FC的鋼絲繩，只能達(dá)到一般用途鋼絲繩的要求。

(2)使用過程中對(duì)鋼絲繩保養(yǎng)維護(hù)和檢查不到位。事故現(xiàn)場(chǎng)截取的鋼絲繩銹蝕和磨損嚴(yán)重，在鋼絲繩發(fā)生拉伸斷裂前，已有部分鋼絲發(fā)生銹蝕斷裂和磨損斷裂，大大降低了鋼絲繩的承載能力。如果相關(guān)人員重視對(duì)鋼絲繩的日常和定期檢查，就可及時(shí)報(bào)廢和更換鋼絲繩。

建 議

起升鋼絲繩作為起重機(jī)的重要受力部件，對(duì)鋼絲繩技術(shù)要求高，在使用過程中應(yīng)嚴(yán)格采用起重機(jī)相關(guān)規(guī)范要求和起重機(jī)制造商指定結(jié)構(gòu)和最小破斷拉力的鋼絲繩。

在鋼絲繩的使用過程中，由于銹蝕和表面磨損等原因，鋼絲繩的拉力會(huì)逐漸減小，應(yīng)加強(qiáng)鋼絲繩使用過程中的維護(hù)和保養(yǎng)，如定期給鋼絲繩涂敷潤(rùn)滑油，不僅可以有效防止鋼絲繩銹蝕，還可以減少鋼絲繩內(nèi)外磨損，提高其使用壽命。

起重機(jī)鋼絲繩屬于易損件，鋼絲繩在使用過程中不僅承載重力，還會(huì)經(jīng)受反復(fù)彎曲、擠壓、摩擦，部分鋼絲先發(fā)生斷絲，隨著繼續(xù)使用，斷絲數(shù)量不斷增加。在起重機(jī)使用過程中，應(yīng)加強(qiáng)鋼絲繩的日常檢查和定期檢查，并保存檢查記錄。根據(jù)檢查記錄推算鋼絲繩報(bào)廢日期，在鋼絲繩失效前及時(shí)進(jìn)行更換，避免發(fā)生鋼絲繩斷裂事故。