刘金殿 姚治军

摘 要：我国港口的国际码头上经常有使用一段时间的桥吊钢丝绳之后会出现断丝。原来设计钢丝绳的寿命是能够承载十万只集装箱，但是现实操作之中装载量在六万只的集装箱时候就已经有钢丝绳断裂的情况了，这直接影响的港口运输的效率；故而集装箱桥吊钢丝绳对于港口的安全以及效率起到非常重要的作用。首先是针对钢丝绳的取样试验进行断丝的原因分析；其次是一般情况而言分析钢丝绳主要的两种原因，最后以此类推对港口桥吊用钢丝绳断丝的原因进行探讨。

关键词：港口；钢丝绳；断丝；疲劳

疲劳断丝和电接触的断丝是钢丝绳断丝的主要原因，这是因为制造工艺以及钢材的质量不同而决定的，并且这些原因导致的断丝现象都有可能发生在在钢丝绳中横截面的任何部位。

1港口用钢丝绳的断裂检测

1.1钢丝绳断丝的情况和检测方法

就企业使用的港口用钢丝绳的断丝情况，中科院金属研究所特地对其进行检测试图找出相关的原因。拆除失效钢丝绳的样品得知钢丝绳的相邻股的相互挤压是非常的严重，还有在相互接触的钢丝表面上有不轻的双坑形状的压痕。力学的性能监测主要是对钢丝绳的内部，主要考虑到表面损伤严重的钢丝，然后测得的值和标准值对比，找出哪些合格的以及性能较差的因素出来。

检验钢丝绳质量；首先是检查外观，从钢丝绳断裂的情况来分析，六处断裂处都在两根股绳上，其中户型窄带内大概有宽度为十五毫米的五处，外层断丝的端口都是脆性平齐的形状；其次监测力学性能，拆股失效的钢丝绳并观察表面的损伤以及缺陷，但是事故造成的钢丝表面有严重的损伤，力学性能监测可以通过内层的钢丝以不同组分来进行检测，这样才能获取破断拉力以及抗拉强度等随着不同钢丝直径而变化的数据。具体的实验过程省略，结论可以得到钢丝弯曲、拉伸以及扭转的性能影响受到内层钢丝的条状挤压痕迹原因不是很大；原始钢丝的力学性能判断是拆除钢丝之后的检测方式；双坑形状的压痕是钢丝轴线和外层的钢丝表面有三十度夹角导致的挤压痕迹，这样的受损对力学性能影响是非常大的；力学性能监测的意义在于分析外层钢丝的断丝端口情况，才能够对钢丝绳失效的原因进行评估。

1.2钢丝绳断裂的检测分析

钢丝绳断裂的分析要从四个方面来着手，首先是微观特征和断丝表面特征；断丝的样品特征有两类可分，三根外层细断丝以及三根外层粗断丝的不同特征进行观察、分析和获得结论；两个断丝的断口样品是一粗一细的，但是纵向的表面有磨损以及不同程度的挤压，呈现的痕迹各不相同，有条形螺旋状的，也有双坑形状的压痕。最后，分析断丝的疲劳方式以及显微组织方式，从受力和借助工具的办法对断丝进行分析。

港口用的钢丝绳作为特殊使用而要求特别严格，钢丝绳中的抗疲劳的性能就是首要考虑的，然后还要要求钢丝绳中的防腐蚀功能，最后要对使用寿命的要求也是不容忽视的，也就是钢丝绳的疲劳寿命在考虑的范围之内。钢丝绳也会遵从材料中疲劳过程的几个阶段（无裂纹阶段到裂纹萌生阶段、裂纹扩展阶段），每个阶段中的时间会根据钢丝绳中的综合性能来决定。单根的钢丝绳中的表面以及整体抗疲劳的性能就会直接对无裂纹阶段的寿命长短有影响，裂纹萌生阶段的出现由钢丝绳的表面质量来决定。

2钢丝绳断丝的案例分析

2.1钢丝绳在滑轮的应用

他山之石可以攻玉，参考起重钢丝绳的失效形式，我们可以从多方面去参考港口吊用钢丝绳的预防断丝的方法，钢丝绳为了适应不同领域的使用而有不同的、规格，起重吊装领域是其广泛应用的；钢丝绳在主要场合应用之中还需要对其试验相关的疲劳以及伸长等参数，抗拉强度是钢丝绳的主要性能指标而被行业内视为检测标准。弹簧钢作为钢丝绳的原材料，特别是广泛应用的碳素弹簧钢。钢丝绳有相似的基本结构，但是总是用不同直径的一股以不同粗细的多股绞和而成的。面接触的钢丝绳的形成是通过多根钢丝变成钢丝股之后的挤压拉拔，让钢丝绳的外面的圆钢丝形成扇形的组合即可。钢丝绳和绳具以及滑轮组成滑轮系统之后就会承受不同的交变载荷，比如间歇弯曲、拉伸或者拉直、间歇滚压以及摩擦等不同的压力形式；所以，过载断裂的失效形式是钢丝绳中的表现，主要是表现在钢丝绳的断裂以及表面磨损的疲勞失效。

2.2钢丝的磨损面断裂

滑轮起重形式用的钢丝绳的不同股接触钢丝受到磨损之后有纺锤形状的对称磨损面；磨损的纺锤面中央有断裂的地方，平齐的横向方向，一股钢丝绳上断了钢丝，这就是宏观的情况；

如果用扫描电镜，断口的电镜的低倍全貌主要体现在钢丝轴线和断口的垂直，没有明显的变形；但是断口的中心区域位置有起伏不断的纵向的裂纹，而且磨损面的对称侧面有较粗糙的断口，这是被称作瞬断区。电镜观察没有断裂的磨损面，发现已经有横向的裂纹在磨损的中间位置直到贯穿到表面，裂纹的表面已经被拉开了。中间区域的磨损面挺平整，两侧是片状呈现，不过有些已经有拉伤且剥离的痕迹了。最后也可以用金相分析，再次就不详细叙述了。

结论有几点，第一，钢丝绳的表面钢丝如果有磨损面的断裂就称作疲劳断裂，疲劳的开裂主要是和磨损表面的二次淬火的材料有关，并不是因为磨损后的有效应力增大了的缘故。碳素钢经过高温淬火之后的组织硬度更高，但韧性不够；在工作的时候受到表面摩擦的剪切应力和弯曲拉直的冲击力相互作用，会在磨损面的较差力叠加处有疲劳源的产生。第二，钢丝的表面在高温中有金属流变之后会发生层状剥离；整体的磨损主要是因为一部分的金属和匹配好的滑轮面融合后。在工作的过程中被拉开以及剥离导致的。第三，电镜中有看到钢丝表面的磨损，主要体现在拉伤的磨损；金相分析，磨损区受到的热量可能来自高应力下的摩擦热或者高应力的下表层金属的变热。对磨损层下面较厚的淬火层和基体间过渡区甚至很窄，这样的表面体现说明在短时间中磨损区承受的很大的热量，该热量已经足够熔化表层的金属了；第四，钢丝绳应用在滑轮系统中产生的滚动摩擦，二次淬火区很难形成在钢丝绳表面，根据较厚的表面二次淬火带来判断，滑轮系统加速且有载荷运动时候，钢丝绳和滑轮就不会同步协作而是产生剧烈的滑动摩擦。所以，在高载荷中的快速滑动对于钢丝绳的寿命会有很直接的影响，应该尽量避免滑轮系统有这样的活动。

3分析港口桥吊用钢丝绳断丝的原因

港口的桥吊钢丝绳工作过程之中会有不少位置有断丝的情况发生，需要通过不同的方法对断丝的情况进行研究以及分析。分析的方法有几种，化学成分分析以及力学性能检测、断口的分析、金相检测、显微硬度的测试等方法对其进行分析。

3.1力学陛能检测以及分析化学成分

对没有使用的钢丝绳部位进行取样来进行力学性能的检测，要求要符合1770Mpa的要求才可以，但是实际测试到的单位丝抗拉强度是1900Mpa。然后再对钢丝绳上的断丝进行样品的提取，并进行化学成分的分析；分别对钢丝绳的碳、锰、硅、硫、磷等成分进行成分的测试，然后和质保书的数据进行对比。

经过分析，钢丝绳的断丝经过力学性能以及化学成分的分析都是符合JISG 3525-1998和供货的要求的；钢丝绳的钢材通过不高的夹杂物级别来判断其冶炼钢丝绳的时候的钢材质量上是属于合格的。

3.2断口的分析

拆解钢丝绳之后发现钢丝绳的外表面全部是断丝的情况，而且断丝的断口以及外侧的表面情况都属于磨损痕迹的情况，并且还有变形扭曲等断丝情况；断口是平齐的，说明没有出现缩颈情况；还有的就是拆解之后发现钢丝绳心的部位含油量不多，锈迹以及干燥情况可想而知。也还可以通过扫描电镜观察断口的情况。情况都是断口附近的外表面中会有不少长度为微米级别且深浅不同的损伤沟槽，具体情况就不一一叙述了。

通过对断口的宏观情况检查和电镜微观的观察，可以分析，钢丝外表面的损伤以及磨损处都会导致钢丝绳的开裂，有些位置的磨损会非常的严重，并且断口的面积占原来面积的40%。其他大部分的断面平整的情况基本可以判断断面上会有疲劳辉纹的特征以及二次裂纹的情况，此种情况就是疲劳断裂的性质。另外，韧性断裂属于负荷过大导致的，钢丝绳断裂情况只有个别断口属于这个；这是因为钢丝绳表面的磨损减小了横截面积，所以导致变大了的应力后有过载断裂的情况发生。最后，港口桥吊中的钢丝会经常处在海洋的环境之中，大气中也会存在一些氯离子导致钢丝绳会发生腐蚀的情况。钢丝绳的部分断裂和此种情况有关，腐蚀的痕迹也加速了钢丝绳断口中的疲劳。

3.3金相检测和显微硬度的测试

对钢丝纵向取出金相试样，镶嵌之后磨抛放到光学显微镜下面进行观察工作。钢丝绳断口附近的有级别不高的夹杂物，断口轴向有几乎平行状的横向裂纹分布在钢丝表面。这种横向裂纹有两种形式较为典型，一种是表面中互相平行分布的裂纹导致，一种是磨损之后受到挤压，从底部到轴心处进行扩展的裂纹；通过光学显微镜的仔细观察，模向截面里的断口处以及附近都有磨损，只是程度不一而已；甚至还有变形以及失圆的现象出现，磨损的情况有时候可以占到截面直径的四分之一。随后利用显微硬度计对断口附近的样品进行硬度测试，通过载荷以及时间加载然后换算程洛氏硬度，为了后续分析工作的良好开展。结果可见啊，钢丝绳断口截面有不少的软点，变形的梭状的铁素体相的确认也可以通过和显微组織进行对比得知。

较多的互相平行的横向裂纹处在断丝附近的表面上，微震疲劳的特点是这种裂纹具备的。港口桥吊的钢丝绳在操作过程中的起吊、移动以及刹车停顿中都会有一定频率的微小震动；时间一长，就会出现微振疲劳的裂纹，这也是通过塑性变形层面以及钢丝绳的损伤表面、流变层这些部位而形成的，此种裂纹会相对正常钢丝中出现的摩擦和变形等更为常见。

4结语

综上所述，港口桥吊用的钢丝绳断丝的原因已清楚，此种钢丝绳的断丝被称作疲劳断裂，其中早期疲劳断裂是罪魁祸首，这才回引发后续一系列的疲劳断裂，最终导致钢丝绳断丝的情况发生。主要原因不但铁位素存在冶炼钢丝绳的钢丝材料里面，而且在钢丝绳工作期间不断有摩擦以及磨损等表面损失等作用。从源头抓住钢丝绳断丝的办法，也是延长钢丝绳的使用寿命。

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