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工程失效分析45（2014）96 – 105
吊装钢丝绳的失效分析
Pavel Peterka , Jozef Krescaron;aacute;k , Stanislav Kropuch , Gabriel Fedorko , Vieroslav Molnar ,
Marek Vojtko
文章信息
文章历史：
2013.11.20被接受
2014.06.17收到修订
2014.06.25被录用
2014.07.09发表到网上
关键词
钢丝绳 裂缝 机械试验 金相检查 无损检测
摘要
吊装平台上的一个钢丝绳在一个很短的操作过程中被明显损坏。钢丝绳顶层的钢丝损坏。这种损坏明显不是因为材料疲劳造成的，因此有必要确定钢丝绳损坏的原因。通过观察就可以看出，在刚刚的操作中有一个钢丝从外层的外绳股断开，随后断开的钢丝在通过提升系统时被轧制。他们停下工作，为了找出损坏的原因，他们拿损坏的绳子，以及从储备的新绳子的样品进行对比。根据损坏的性质，我们决定进行新的力学性能测试（而不是以前用过的老办法）。对绳索和从外层的钢丝绳进行金相试验。新绳机械测试结果的分析，揭示了这一事实，这条绳子是用其他的绳子的标准制造的，和制造商所说的不同。还发现，钢丝绳的顶部层损坏是因为使用了不同标准的的钢丝。具有低强度和高强度的混合钢丝的钢丝绳在特定的（给定）的环境下不同的拉紧程度造成的。因此，具有较低的强度的钢丝绳就会从股中断裂和变形。从而导致了损坏的地方断裂的发展。
1.简介
钢丝绳具两个非常有用的特性：抗弯轴向强度高和灵活性比较强。这些属性使钢丝绳成必不可少的载荷传递元件，用于许多工业应用中[1]。钢丝绳经常用于负载的传输。与纺织绳索（一般使用纺织纤维或合成材料）相比，钢丝绳具有更大的强度和更长的使用寿命这两个优点[2]。然而也有特别的结构的绳索结合使用的链。用于升高或降低吊装件[3]。我们可以使用各种CAD系统设计钢丝绳[4,5]。钢丝绳被广泛使用在港口，船舶和在许多工业视场。钢丝绳的安全与人员生命安全和设备安全密切相关[6]。绳索的质量保证了安全和采矿吊机，起重机，电梯和航空运输的可靠性。
知道绳索的使用条件，以及何时更换绳子或在它们没有报废之前如何延长安全使用时间是非常重要的[7]。
关于交通工具的钢丝绳则最常见与滑雪缆车，索道和起重设备。或者是升降煤矿中一个用于运输煤炭、矿石、材料、人员、设备等东西的重要的运输设备[8]。提升钢丝绳是用来连接与提升事物，因此其可靠性是直接关系到矿山生产和人员生命安全。起吊钢丝绳已承受反复轴向拉力载荷和滑轮处的弯折拉伸载荷，从而导致钢线材之间的微动磨损，然后使微动钢丝的损伤，裂纹的萌生、扩展和断裂失效[9]。从上述的结果中我们可以发现，我们应该特别注意那些过度使用的钢丝。特别包括其磨损进程的研究，提高在其使用寿命和性能监控。这是一个巨大的，也仍然是值得高度关注的问题。Giglio and Manes [2] 检查那些经受轴向和弯曲载荷钢丝绳来预测其使用寿命。作为其研究的一部分，它们通过比较集中在不同的分析面上的不同来预估绳子的内部和外部导线应力的状态。Chaplin [10] 正在致力于对钢丝绳的失效机理进行更详细的检查。一个矿井提升机和鼓复卷机工作时的钢丝绳，系泊绳结构和抗旋海上起重机上的钢丝绳。
张等。[11]研究了钢丝绳的弯曲疲劳性能和失效机制问题。在他们的研究用于无损定量检测。
Peacute;rier等。[12]涉及于氯化钠溶液提交微动疲劳拉伸钢丝的研究。实验测试进行重现螺旋股线接触的条件进行自由弯曲变形，并进行腐蚀。同一作者研究了[13]对微动水环境土木工程电缆用钢丝的行为..
王某进行了大量的提升绳索失效的研究。他研究了微动终端质量的效果，以及一个提升绳索的疲劳参数在一个提升周期期间。[14] 王分析了在三腐蚀性介质中的微动疲劳损伤[15]煤矿钢丝。王等人。[16]通过采用微动疲劳试验台研究了共振-应变振幅的效果，这是能够应用在低周疲劳钢丝疲劳行为恒正常的接触载荷。他通过研究微动参数对接触导线应力分布的影响过程中，使用有限元法初步进行了钢丝的微动疲劳分析[17]。他意识到了无限节点分析一个提升绳索和三层链上的横截面的微动疲劳参数和应力分布的探索[18]。
调查位移幅值对低周疲劳钢丝的微动疲劳行为的两个循环应变的影响水平，王[19]。
王等人。[20]提出了一种绳索拉力的仿真模型来研究在绳子起吊过程中的张力和紧张幅度的各种运动学参数。此外，他还研究了通过使用微动疲劳试验台这是能够施加恒定在低循环疲劳钢丝的疲劳性能与微动-应变振幅的影响[21]。
Torkar and Arzensi[22] 从起重机进行了多股钢丝断绳的故障分析，Elata等。[23] 处理了钢丝绳的与一个独立的钢丝绳芯的在他们以后的工作中的机械性能，Shen等。[24] 执行对自制微动磨损钻机微动磨损试验来研究微动钢丝磨损行为增加润滑脂的条件。
结果表明，微动环境都依赖于位移幅值和正常负荷。Tittel等。[25] 研究了拉丝拉丝模的角度尺寸和聚束处理的效果。Plasek and Tittel[26] 研究了钢丝绳的摩擦比。Liskova等[27] 评估在机器上的线材质量对拉制线材的特性的影响。检查在钢丝绳性能的研究上也非常重要。磁应用通量泄漏（MFL）方法，以金属部件的无损评价（NDE）已经知道了几十年[28]。磁通量泄漏（MFL）技术广泛地用于非侵入检测和表征钢丝绳缺陷[29] 。Taylor等。 [30] 施加频率分析，以从钢丝绳的失效所产生的声发射信号从绳索取各个线材。Christen等。[28] 在缺陷使用三维定位斜拉索。电磁测试商用仪器能够发现小缺陷，但他们只提供他们的位置的粗略估计。
Vallan[31] 描述影响缺陷位置的测量不确定度分析。该系统被设计为与商业仪器被用于电磁测试，它是由一种基于激光的检测器，由一个数字采集系统和个人计算机组成。Gu and Chu [32] 应用了新技术用于检测线绳缺陷。他们开发的单核和单线圈的传感器。Chen and Xu [33] 研究了多绳股的提升钢丝绳张力的在线监测系统，该系统用于监视多钢丝绳提升钢丝绳在实际的张力时间，从而计算真正的提升载荷和张力差。Cao等[35]钢丝的局部缺陷的检查中使用的新电磁法。大多数的电磁检测仪器提供一维轴向磁通量泄漏信号丢失缺陷的圆周分布。钢丝绳的二维磁漏信号要通过检查原型与霍尔传感器阵列获得的。Vallan and Molinari[36] 描述基于视频摄像机上的测量系统和处理算法。Radovanovic等。[37]为系统提供按规定国际标准的钢丝绳状态全程监控检查。Stroffek and Lesso[38]对于杨氏模量钢丝绳的测量方法的建议。
2.材料和方法
卷扬机钢丝绳属于移动的绳索。因此，他们必须在符合最严格的安全标准在它们工作时。这就是为什么他们正在经受，周期性间隔的预防检查，以检查他们的破坏的原因，评估其运行的可靠性。其损坏主要的因素是由弯曲，磨损，腐蚀等造成的，其本质就是因为变形负荷，摩擦损伤或动态载荷拉伸。
去评估提升钢丝绳的几种方法和程序依赖于可用的专业文献，它们可以在一般分为机械的，冶金的和无损的（表格1）。
在评估过程开始时让绳子进行适当的无损检测，以映射和量化钢丝绳损坏的规模和危害程度。理想情况下，绳正在经受所述非破坏性检查的操作和在初始测试期间一旦绳索被设置成升降系统立即执行，可以消除钢丝绳在制造和安装过程中出现的任何缺陷。
绳的机械测试可以在绳索由整个绳的或个别的拉伸试验来进行整体的测试。为了评估绳子的受损程度通过应用机械试验评估个体绳线是非常有用的，其中拉伸试验和丝直径测量通常以确定线的强度，用于构造绳。从机械测试类的其他测试包括弯曲交替进行的测试和扭转时，主要目的是为了验证用于制造绳线的机械性能。
适当完成绳线与金相实验的机械试验，在对其中的一步的过程中评估。我们的目标是通过光学显微镜的手段，在光学显微镜中分析选择并损坏绳线，再通过扫描型电子显微镜来确定损坏程度，如果可能的话，确定钢丝表面的损伤程度可以更详细地了解各个线材的性质用于制造绳的微观结构分析。
所有绳线，即两个，绳索股和绳芯的丝以及外层的线材，必须通过评估过程。试验前绳索必须被休息，清洗和在全氯乙烯脱脂，因为这是机械测试目的。金相测试需要在绳线的额外清洁超声波浴。本文旨在描述在真实的条件，并在使用一段时间以后确定被操作的提升钢丝绳的评价和损坏的原因。
3.理论/计算
在钢丝绳被部署到逐步恶化的过程。日常的维护和遵守规定的操作条件允许的磨损和维护它的过程在可接受的范围内，以确保其最大寿命。因此，基于所述绳索提升来监控这个结构在钻井平台的提升机制的绳索使用（图1）。其主要目的是在连续的步骤中来拉新绳从供给卷轴到升降系统中，但这一操作将一直使绳索处于磨损状态。
因此不可能对所有种类钻机应用该操作，尤其不适合在不足采用该操作的那些井地面工程。所以可以指出，在操作中绳索可能会一直处于疲劳断裂，腐蚀和在较短或较长的期间磨损。
在操作过程中，疲劳断裂的绳索的数量在不断增加。但是，仍可以执行其功能，不过虽然它的操作仍是安全的但绳索必须除去，只有当疲劳破损的程度，磨损，或腐蚀达到一个极限值，这降低绳子的负载能力使之低于一定的安全余量。评估绳索的可靠性时应该将逐渐减少其负载能力的特性考虑在内。
为了更好地理解所有的损坏过程中的钢丝绳或在其表面上发生的情况，有必要继续这方面的研究。
用所学到的知识去丰富现有的信息基础，因此促进更先进的诊断和检测方法，使制造商和这一类钢丝绳的运营商去使用。
4.结果
提升钢丝绳在即将完成127吨公里后进行试验。不一会到达使用期限的绳子开始显现出的扭曲，从绳子股导线的开始断裂脱离。脱离的绳线在通过升降系统时变形，随后当变形到达一定程度后，压碎的电线断了。 伤害到绳索仅表现在外部绳层的外部护套的钢丝（图2）。目视就会发现绳出现损坏的众多巢到各个线材的外部绳股线的外层上（图3）。绳被轴承腐蚀的迹象和磨损可以看出操作的结果，钢丝绳股线的顶层在通过提升系统时研磨和压缩磨损。
绳索操作员应该有一个常规的绳索非破坏性检查的方法。对于这些类型的起重机绳索它是一个标准的程序，绳索在三个月的时间间隔或完成一定数量的吨-公里后定期检查。操作员移除连接后，对绳子的变形或其他指标进行检查。但是它不可能真正的对绳索进行非破坏性的检查以及测量到的绳子损坏的程度。
由于在第一个周期内由未进行绳子定期无损检测，所以在极限的吨-公里数到达前损坏绳子。绳索只受到初始非破坏性测试（图5），以确定新的绳索的状态。被检查的绳子有没有包含损坏的钢丝和缺陷（电线焊点）。
在带走了绳样品后，对绳破坏的程度通过目测分析。根据钢丝线的损伤的性质，目前还不清楚是不是所有的损害是由疲劳引起的，因此对归档的未使用的绳索的样品进行机械测试。也有人建议用损坏导线进行机械测试，同时也进行金相测量，如有必要，对损坏的电线中的10％进行机械试验。
同时从未使用的归档绳样品绳索中取样并从中提取的特定的电线。所有提取钢丝进行张力，弯曲和扭转的力学实验，同时测量导线的实际直径。
绳股线的上层的各个线材的为了更好地理解强度图以图形方式展示（图6）。与直径1.85毫米的钢丝相比，即导线束的顶层的电线，是恰好这些电线，被显示为损坏的操作绳。由于来自该层直径1.85毫米的钢丝在绳索的顶部层的强度显着的差异，在经过金相和电子显微镜分析，以及改性弯曲试验和硬度测量。绳股线的顶层导线详细金相专家检查出如图所示（图7和8）。显示损坏的电线，强度较低的电线和完好电线，其中具有更高的强度的线具有高度的相同点，主要是依靠贝氏体组织成型。
钢丝的变形是由于的穿过强力和耐磨性的升降系统过程中造成的。 从而弱化线，然后破裂。金相检查的结果表明，在顶层的所有导线具有相同的结构（图7和8）。这意味着，绳索的损害是由导线的高应力是钢丝只能承受较低强度，导线开始从绳子结构释放，变形和断裂（图9a-c和10a到10c）。
5.结论
从上述机械和金相分析的结果中，可以说明该绳经受测试是不满意的质量。绳索是在1960兆帕绳级制，而不是如由制造商声明的绳级1770兆帕。条件下评估所述绳（见表1）并根据这些生产商的声明，即用绳索级1770兆帕的标准来制造是符合的，因为这只是上强度极限。由于上述事实和评估目的使绳子在其被实际制造中升级绳级（绳级1960兆帕）。尽管升级绳不匹配绳子级标准，其中33跟钢丝线脱离，24根钢丝线移位，其中相当大的部分，是在上层，直径为1.85毫米。
机械试验表明，用于制造绳的钢丝线，甚至放置在该线材的顶部层的钢丝线，属于两个不同的绳索等级，绳子级1770兆帕，甚至是绳索级2160兆帕（图6）。
从各绳级的样品中的上层去钢丝线，来进行机械试验和金相测试，如在光学显微镜下放大倍数下观察，光学显微镜和扫描型显微镜所有观察到的钢丝线具有相同的结构和材料。这意味着，在制造过程使用不恰当的钢丝制造，甚至对可能造成金属结构的后续变化的钢丝附加热损伤时被阻止。总之，根据进行机械测试，可以看出，在钢丝绳上层分别制造两种不同等级的绳的线时，它加快了操作绳的损坏（图2和3）。变形和钢丝的断裂是由钢丝在通过升降系统那强力而且耐磨损滑轮时，钢丝绳的股线以及下部绳级的松开，从而降低钢丝绳性能然后破裂（图9和10）。
（以上所有图、表格、均见原文）
致谢：
感谢斯洛伐克共和国教育部的科学授予机构（VEGA）和斯洛伐克Acad-的资助局的支持。授予号VEGA 1/0962/11和VEG
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资料编号：[149993]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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