某單位的門起重機，要船艙里起吊卷鋼板約3米高度時，主鋼絲繩和吊鉤鋼絲繩都發(fā)生斷裂。起吊的卷鋼板約18.6噸，當時門機額定檔是25～22。在事故了現(xiàn)場了解到，主鋼絲繩斷裂處與吊鉤上防轉(zhuǎn)球沿繩距離約56米；吊鉤鋼絲斷裂在繩卡處。

主鋼絲繩結(jié)構(gòu)為18×7+FC，外徑32毫米，鋼絲類別光面，公稱抗拉強度1672MPa。鋼絲繩的使用壽命與報廢有企業(yè)內(nèi)部標準，該使用單位規(guī)定起重機主鋼絲繩更換時間為7～12個月，更換工作量為25萬噸。為防止意外，有定期檢查制度。該鋼絲繩斷裂前起重累計已達22萬噸，屬老齡化繩，列為加強監(jiān)控使用的對象。

為分析斷裂原因，斷裂鋼絲繩及新鋼絲繩用氣割取樣，在華南理工大學進行檢測、試驗和分析。

二、檢驗與結(jié)果

1．物理-化學檢驗與分析

(1)化學成分分析

分別在斷裂的主鋼絲繩和吊鉤鋼絲繩的內(nèi)股取鋼絲樣，用Dv6E型光電直讀光譜儀(發(fā)射光譜法)進行成分檢驗。結(jié)果表明，斷裂主鋼絲繩鋼絲化學成分符合70優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼成分；斷裂吊鉤鋼絲繩鋼絲化學成分符合75優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼成分。

(2)金相組織與硬度

金相樣品取自斷裂鋼絲繩外股和內(nèi)股的鋼絲，磨制縱向和橫向截面的金相磨面。金相檢查結(jié)果顯示主繩鋼絲的金相組織是索氏體+鐵素體；顯微硬度平均值460H_V100gf附，硬度比一般70鋼的索氏體硬度高，原因是冷拉形變硬化，金相可見冷拉變形組織；鋼材夾雜物2級，在允許范圍內(nèi)。吊鉤鋼絲繩鋼絲的金相組織是索氏體，顯微硬度平均值443H_V100gf，與75優(yōu)質(zhì)碳素鋼相符。

2．強度檢測

從斷裂主鋼絲繩距斷口約3米遠處開始截取三段試樣，每段約1.3米，分別編號為：舊1、舊2和舊3；從倉庫存放新鋼絲繩上截取三段各1.3米長的試樣，分別編號為：新1、新2和新3。六段樣品進行整繩拉斷和拆股鋼絲拉斷兩項試驗。

整繩拉斷的鋼絲繩編號分別為：舊1、舊2、新1和新2共四段；拆股鋼絲拉斷的編號分別為：舊3和新3，分別各取2股。試驗按國家標準GB／T8358-1996《鋼絲繩破斷拉伸試驗方法》進行。

整繩試樣拉斷后的外貌(見圖1)。判據(jù)按國家標準GB／T8918-2006，舊2、新l和新2三段整繩、舊3拆股單根鋼絲的抗拉強度都符合1670級直徑32毫米鋼絲繩的要求。舊1樣品的數(shù)據(jù)無效，因散股影響了數(shù)據(jù)真實性；新3拆股單根面絲抗拉強度不符合1670級要求。

圖1   整繩試樣拉斷后的狀態(tài)

新3拆股有5根面絲的抗拉強度不合格，但有三根接近1 370～1620的上限值(1610、1620、1610三根)，只有二根是顯著低于1620數(shù)值，因此可以認為鋼絲繩的面絲抗拉強度只是偏低。面絲的抗拉強度偏低，在金相組織上反映有鐵素體存在。此外，舊鋼絲比新鋼絲的抗拉強度高，因使用中有形變硬化。

斷口：拆股單根鋼絲拉伸斷口，杯狀斷口約占90%，45%角度斷口約占10％。整條繩拉伸斷口(也就是每根鋼絲的斷口)除少數(shù)幾根外，主要是韌性的杯狀斷口。

3．鋼絲繩外觀檢查

主鋼絲繩外表損傷見圖2(a)上，外股損傷基本上是磨損，如箭頭A所指長弧形凹陷，這種凹陷表面光亮，有條紋，是由摩擦引起。主鋼絲繩內(nèi)股外表面的損傷有磨損和斷裂，如圖2(b)和圖2(a)下，箭頭B所指為內(nèi)股外表面被外股磨損所致的凹陷：箭頭C所指，長弧形凹陷處斷裂，這里內(nèi)股表面普遍可見的損傷，很多根鋼絲都斷成數(shù)段。

吊鉤鋼絲繩內(nèi)股外表面損傷（見圖3）所示，箭頭A指等軸凹陷刻痕，箭頭B指長弧形凹陷，這種凹陷表面條紋，顏色較暗，具有摩擦痕跡特征。

斷裂落地的一段主鋼絲繩，靠近斷裂的部位與遠離斷裂部位外表相比，前者的損傷嚴重，后者損傷隨距離斷裂部位越遠損傷程度越小。同樣，吊鉤繩也是靠近斷口外傷嚴重，而遠離斷口外傷輕些。  

4．斷口分析

用手提薄片砂輪機將主鋼絲繩及吊鉤鋼絲繩共26股的斷口全部割下，清洗干凈后按失效分析程序進行研究。

(1)粗視分析(用目視和普通3～5倍放大鏡)

①主鋼絲繩鋼絲斷口形態(tài)有五種類型(如圖4)。 

(a)杯狀斷口，有明顯縮頸，它是正應力引起的斷裂特征；  (b)一定角度的斷口，它是切應力(或扭轉(zhuǎn))引起的斷裂特征；  (c)平直斷口，但有輕微縮頸，它具有一定的脆斷傾向性(約占外股鋼絲的一半)；  (d)劈開+杯狀斷口(約占外股鋼絲8％)，它是縱向疲勞斷口；  (e)橫向疲勞斷口，在內(nèi)股的疲勞斷口占內(nèi)股總鋼絲數(shù)量的80％。而且同一根絲兩端都是疲勞斷口的也不少。

②吊鉤鋼絲繩鋼絲斷口形態(tài)有三種類型（如圖5）

(a)杯狀斷口(約占外股鋼絲繩數(shù)量的80％)；  (b)呈一定角度的斷口；  (c)磨損斷口，磨損呈長弧月牙形+小杯狀斷口。磨損型斷口，外股有31個，內(nèi)股有2個。

根據(jù)統(tǒng)計，類似圖5(c)所示斷口的鋼絲數(shù)量達到33根，大部分在外股，內(nèi)股只有2根。在鋼絲繩斷裂前，外股84根鋼絲．已有37％的鋼絲都因摩擦而形成長弧月牙形。

(2)斷口的電子顯微鏡(SEM)微觀分析  

對典型的斷口形貌進行掃描電子顯微鏡觀察，只列出典型形貌放大圖。圖6為杯狀斷口，以韌窩韌帶為主：圖7為長弧形磨損表面及最后斷裂斷口，也以韌窩為主；圖8為平直有一定縮頸的斷口，微觀顯示解理和準解理斷裂特征；圖9為疲勞斷裂斷口，疲勞起源于外傷處。

三、主鋼絲繩的結(jié)構(gòu)與受力分析

1．鋼絲繩的結(jié)構(gòu)

18x7+FC鋼絲繩由126根高強鋼絲和有機繩芯捻制而成。每7根鋼絲捻成一股，126根鋼絲捻成18股，18股分兩層圍繞著繩芯制成繩，內(nèi)層6股，外層12股，如圖10所示。鋼絲是最基本的強度單元。繩芯起支撐和固定繩股的作用，并可儲存潤滑油脂，增加鋼絲繩的撓性。

18×7+FC鋼絲繩是一種交捻繩，由鋼絲捻成股的捻制螺旋方向與由股捻成繩的方向相反。外觀上鋼絲基本順著繩的軸向方向纏繞。這種鋼絲繩的股與繩的扭轉(zhuǎn)趨勢互相平衡，起吊重物時不易扭轉(zhuǎn)和松散。但存在股間外層鋼絲接觸不良、易磨損、壽命短、撓性較差等缺點。這種交捻繩外股層的鋼絲，全部處在與鋼絲繩的軸線平行的捻向，如果鋼絲不松散，其外層鋼絲的受力是好的。

2．鋼絲繩的受力

鋼絲繩提升貨物時主要承受拉力，但要實施貨物的上下運動、水平移動等，鋼絲繩必須繞過繩輪和卷筒，此時鋼絲繩將出現(xiàn)附加的壓應力和彎曲應力。在交捻繩中，鋼絲和繩股的自旋方向相反，如果兩者的旋轉(zhuǎn)趨向不能達到平衡，鋼絲繩在受載時還會出現(xiàn)扭矩，鋼絲繩存在扭轉(zhuǎn)應力：鋼絲繩成型過程中還有制造的殘余應力。由于復雜的結(jié)構(gòu)，鋼絲繩的應力狀態(tài)是極其復雜的。德國的M·舍費爾等人將鋼絲繩理想化為一束沒有摩擦、平行排列的鋼絲，忽略扭轉(zhuǎn)應力和制造的殘余應力，以簡化模型建立鋼絲繩的應力與壽命計算公式，一節(jié)只列出鋼絲繩的應力與壽命計算結(jié)果。

3．鋼絲繩的應力與壽命計算

(1)鋼絲繩無損傷時，鋼絲繩內(nèi)外股整體受力，折算應力σ_vi：815.7(N/mm²)≤0.8σ_B=0.8×1670=1336(N/mm²)

(2)鋼絲繩內(nèi)外股松動，因內(nèi)股鋼絲長度小于外股鋼絲長度，只有內(nèi)股受力，折算應力σ_vi=1216.5(N/mm²)≤0.8σ_B =0.8×1670=1336(N/mm²)，過高的內(nèi)股應力，使疲勞壽命降低，因而內(nèi)股鋼絲先斷。

(3)鋼絲繩內(nèi)股斷裂后，只有外股受力，外股鋼絲應力增大，其折算應σ_vi=914.7(N/mm²)≤0.8σ_B =1336(N/mm²),當受到?jīng)_擊載荷時容易發(fā)生斷裂。

把上述假設(shè)三階段的鋼絲繩應力與壽命計算結(jié)果匯總于下表作對比。

4．繩輪布置分析

圖11  繩輪與取力器布置圖

1、綜合分析