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)
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。
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。
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
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
3.1.1 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
3.2.1 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
(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。
(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。
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。