露天門吊鋼絲繩的安全失效及對策

1、露天門吊鋼絲繩的安全失效及對策探討中鐵十一局集團橋梁有限公司 劉輝勝摘 要主要探討重慶軌道交通制梁項目部承擔的混凝土PC梁預制工程現(xiàn)場使用的門吊處于跨度大、作業(yè)頻繁、工作強度高、日曬雨淋環(huán)境惡劣的情況下，門吊鋼絲繩可能發(fā)生的安全失效現(xiàn)象及對策，對預防起重作業(yè)過程中重大事故的發(fā)生，確保安全生產(chǎn)，起到一定的借鑒和指導作用。關鍵詞 PC梁預制 門吊 鋼絲繩 安全生產(chǎn)1 工程概況重慶軌道交通制梁項目部承擔重慶軌道交通三號線一期PC梁預制工程，梁體最大重量60t，項目部在露天存梁場配置2臺跨度為35米的門式起重機進行梁體吊裝發(fā)運工作，門吊設計起重能力為40t，最大起升高度為9m,門吊鋼絲繩型號為6

2、15;19+FC,設計存梁、吊裝、發(fā)運能力90榀/月。梁場所處位置地勢低洼，空氣濕度大且對金屬物具有較強侵蝕性。2 鋼絲繩安全失效現(xiàn)象主要形式及對策門吊鋼絲繩在使用過程中均會出現(xiàn)不同程度的安全失效現(xiàn)象，不同程度的影響到安全生產(chǎn)正常進行，主要形式有：磨損、疲勞、銹蝕、變形、咬繩、過載等，必須采取相應對策，預防起重作業(yè)過程中重大事故的發(fā)生。2.1 磨損磨損是鋼絲繩最常見的損傷方式。鋼絲繩在操作使用時與其它部件接觸并有相對運動，產(chǎn)生摩擦，在機械的、物理的和化學的綜合作用下，鋼絲繩的表面不斷被磨損。磨損一般分為外部磨損、內部磨損和變形磨損三種情況。2.1.1 外部磨損鋼絲繩在使用過程中其外周與滑輪槽、

3、卷筒壁、鉤頭等部件表面接觸而引起的磨損屬于外部磨損。鋼絲繩發(fā)生外部磨損后繩徑將變細，外周表面的細鋼絲被磨平。鋼絲繩使用磨損情況，可用游標卡尺檢查測量。鋼絲繩的外部磨損使承受載荷的鋼絲截面積減小，鋼絲繩的破斷載荷也相應降低。在鋼絲繩的全長范圍內， 應盡可能地做到均勻磨損。如起重機鋼絲繩在使用中期換頭，一般可延長鋼絲繩使用壽命30%40%，可以在起重作業(yè)安全得到科學有效保證的前提下，合理降低運行成本。2.1.2 變形磨損由于振動、碰撞造成的鋼絲繩表面磨損，叫做變形磨損，變形磨損是一種局部磨損現(xiàn)象。如卷筒表面的鋼絲繩受到其它物體的撞擊，起重機起升鋼絲繩相互打纏，或者由于滑輪與卷筒中心偏斜而產(chǎn)生的咬繩

4、現(xiàn)象，都會使鋼絲繩產(chǎn)生變形磨損。如把磨損后的表面細鋼絲剖開，從外表看，鋼絲寬度擴展，雖鋼絲繩截面積減小不多，但局部擠壓處的鋼絲表面材質硬化了，極易斷絲。2.1.3 內部磨損在使用過程中，鋼絲繩經(jīng)過卷筒或滑輪時所承受的全部負荷壓在鋼絲繩的一側，各根細鋼絲的曲率半徑不可能完全相同，同時，由于鋼絲繩的彎曲，鋼絲繩內部各根細鋼絲相互產(chǎn)生作用力并且產(chǎn)生滑移，這時，股與股之間接觸應力增大，相鄰股間的鋼絲產(chǎn)生局部壓痕深凹。當反復循環(huán)拉伸彎曲時，在深凹處產(chǎn)生應力集中而被折斷，構成了內部磨損.通常細鋼絲表面的壓力與鋼絲繩的壓力成正比，在張力相同情況下，由于受壓面積不同，單位面積承受的壓力也不同。從細鋼絲表面受壓

5、磨損來看，采用線接觸鋼絲繩比采用點接觸鋼絲繩有利，采用面接觸鋼絲繩比采用線接觸鋼絲繩更有利。此外，鋼絲繩的彎曲程度、運動速度，對鋼絲繩的內部磨損均有影響。因此，選擇線接觸或者面接觸類型的鋼絲繩是減少內部磨損的有效途徑。2.2 疲勞鋼絲繩在使用過程中主要承受彎曲疲勞和拉伸、扭曲、振動引起的疲勞。2.2.1 彎曲疲勞鋼絲繩循環(huán)往復通過滑輪或卷筒，處于反復不斷彎曲的工作狀況，使鋼絲產(chǎn)生疲勞，韌性下降，最終導致斷絲。而疲勞斷絲出現(xiàn)在股的彎曲程度最厲害的一側外層鋼絲上。通常情況下，疲勞斷絲的出現(xiàn)意味著鋼絲繩已經(jīng)接近正常使用周期的后期，應有計劃的做好更換鋼絲繩的準備工作。實踐表明，鋼絲繩的彎曲疲勞壽命與D

6、/d比值（即卷筒直徑D與鋼絲繩直徑d的比值）、安全系數(shù)和鋼絲繩結構均有密切的關系，選型時應因符合相關標準要求，達到安全、高效、經(jīng)濟之目的。2.2.2 拉伸、扭曲和振動引起的疲勞起重機鋼絲繩在起動和制動的始末，捆扎鋼絲繩在承受載荷的前后，變化的拉伸應力會引起金屬疲勞。此外，鋼絲繩經(jīng)常受到扭曲和振動也會產(chǎn)生疲勞。疲勞失效的原理是在變應力的作用下，細鋼絲表面首先由于各種滑移形成初始裂紋，然后裂紋尖端在切應力的作用下反復塑性變形，使裂紋擴展直至斷裂。其疲勞引起的斷絲一般斷口平齊，多半出現(xiàn)在表層鋼絲上，具有規(guī)律。2.2.3 防止鋼絲繩疲勞失效的對策1) 在條件許可的情況下，應盡可能使卷筒和滑輪的直徑加大

7、。2) 在安排滑輪布局時，應盡量避免使鋼絲繩反向彎曲。3) 結合工程施工具體情況，進行方案優(yōu)化設計，具備條件時，盡可能選擇結構好的鋼絲繩，如WS，TX型等線接觸鋼絲繩。使用這些鋼絲繩能成倍地提高使用壽命。2.3 銹蝕露天門吊長期在室外使用作業(yè)，鋼絲繩因日曬雨淋容易銹蝕，尤其是在有害氣體與惡劣環(huán)境下使用的鋼絲繩，因腐蝕造成的受損和失效現(xiàn)象就更嚴重。因腐蝕而受損的鋼絲繩表面存在氧親和性的差異， 使表面的某一局部金屬成為陽極，另一鄰近的局部金屬成為陰極，形成了大量的小電池。在小電池的作用下，表面便形成很多圓形腐蝕坑，并逐步加深。這些坑就成了應力集中點、疲勞裂紋的源泉。與此同時，腐蝕使鋼絲繩的截面積減

8、小、彈性和承受沖擊的能力降低。2.3.1 防止鋼絲繩銹蝕損傷失效的方法防止鋼絲繩銹蝕損傷的方法有兩種：一是勤涂油。對于經(jīng)常處于運動狀態(tài)的鋼絲繩涂油是必不可少的。新鋼絲繩麻芯一般含有12%15%的油脂，而報廢的鋼絲繩在損耗最大的部位僅含2.4%的油脂，在同一根鋼絲繩的繩端，即使沒有經(jīng)過滑輪也仍含有12.7%14.5% 的油脂。實踐表明，涂油鋼絲繩在后期發(fā)生的斷絲約為不涂油的半數(shù)。一根鋼絲繩最初的含油量只能維持壽命的40%，其后如不加油則斷絲急劇增加；二是對使用環(huán)境惡劣、相對運動較少的鋼絲繩可選擇鍍鋅、鍍鋁等特種鋼絲繩。這些鋼絲繩暴露在大氣中的鍍鋅或鍍鋁表面會形成氫氧化鋅和氫氧化鋁薄膜，能有效地防

9、止鋼絲繩的腐蝕。2.4 變形在施工中，很多斷繩事故是因為鋼絲繩事先受到過變形損傷而沒有引起人們足夠重視，結果釀成大禍。鋼絲繩變形主要有：外傷、壓潰、扭結、咬繩、過載。2.4.1 外傷在操作過程中，鋼絲繩與其它設備不正常的接觸容易造成外傷。最明顯的外傷是鋼絲繩在滑輪里滑槽，在卷筒上跳出擋板，結果常常使幾十米乃至數(shù)百米的鋼絲繩因為局部軋壞而報廢.防止鋼絲繩外傷的關鍵在于完善起重機設備?；啈O置可靠的防滑槽擋圈，擋圈與滑輪外圈的間隙不大于鋼絲繩直徑的1/5。卷筒上的鋼絲繩不能松弛太多，以防繩圈跳出擋板在纏緊時軋壞。2.4.2 壓潰鋼絲繩在卷筒上卷亂后容易產(chǎn)生壓潰現(xiàn)象。鋼絲繩在卷筒上卷亂時，相互傾軋

10、，在操作時會發(fā)出“軋吱軋吱”的聲響。由壓潰造成的鋼絲繩損傷會在局部迅速出現(xiàn)斷絲與壓扁的痕跡。防止鋼絲繩壓潰的措施是應按設計規(guī)范選擇滑輪與卷筒的偏角，必要時可在起升機構中設置排繩器或者壓繩裝置，防止鋼絲繩出現(xiàn)卷亂現(xiàn)象。2.4.3 扭結鋼絲繩在局部扭曲后產(chǎn)生的永久變形叫做鋼絲繩扭結。扭曲的方向與鋼絲繩旋向一致的稱為正扭結，反之稱為負扭結。普通鋼絲繩帶有自轉性，如果繩股的端部不加捆扎便施加張力，則繩股會向倒捻方向旋轉，這是造成鋼絲繩扭結的內在因素。鋼絲繩在扭結后，經(jīng)過多次起吊受載，也只有局部繩芯外露，一般沒有斷絲現(xiàn)象。但有試驗表明，鋼絲繩在扭結損傷后強度將顯著降低。正扭結的強度只有原強度的60%80

11、%，負扭結的強度還不到原強度的50%，嚴重時強度將降低到只有原來的10%20%。防止鋼絲繩扭結可采取以下措施：1）在重要的起重設備上選用不旋轉鋼絲繩。2）在鋼絲繩的自由端設置轉子（也稱防轉裝置）。3）加強操作人員工作責任心，發(fā)現(xiàn)扭結跡象立即停止操作，釋放還原。2.4.4 咬繩鋼絲繩咬繩損傷現(xiàn)象一般發(fā)生在多層卷繞的起重機卷筒上，有槽雙層卷繞的起重卷筒更甚。 第一層鋼絲繩沿卷筒繩槽排滿后，第二層鋼絲繩與空擋方向呈角，鋼絲繩能平順地落在下層鋼絲繩的空擋內，但過了卷筒與滑輪的中心線，繞入的鋼絲繩向有繩圈的鄰槽方向偏斜角，該角隨著鋼絲繩軸向移動而增大。于是繞入的鋼絲繩不再能整圈有規(guī)律地卷繞在下層鋼絲繩空

12、擋，而是每卷繞一周就有一個跨越點，可稱為節(jié)點。在節(jié)點處，繞入的鋼絲繩不再對下層鋼絲繩產(chǎn)生壓力，而是首先對已被卷繞在卷筒上的鄰圈產(chǎn)生壓力。在鋼絲繩繞過節(jié)點的瞬間，由張力產(chǎn)生的壓力先全部作用在相鄰鋼絲繩表面，一般當角不大時，受壓面積也很小，鋼絲繩常常很快從相鄰鋼絲繩的表面擦過，落入位置。但由于鋼絲繩都是由很細的鋼絲繞成的，在壓力作用下，絲與絲之間既容易相互嵌入，又必定產(chǎn)生滑移，產(chǎn)生了剪切運動。 多層卷繞卷筒要徹底消除咬繩現(xiàn)象是困難的，但能采取一些措施減少由于咬繩引起的不良影響。例如：一、根據(jù)整根鋼絲繩在卷筒上的受載情況采用變截面卷筒；二、根據(jù)卷筒的前若干圈鋼絲繩不經(jīng)常使用而又不能缺少的特點，把這若

13、干圈鋼絲繩存在卷筒的一側卷繞幾層，而把工作頻繁的重載受力區(qū)段單層卷繞，這樣既消除了咬繩現(xiàn)象，又極大地改善鋼絲繩的接觸狀況；三、采用變截面卷筒，延長鋼絲繩的使用壽命；四、對多層卷繞的鋼絲繩采取定期截頭的方法，即先把新鋼絲繩有意識地放長23圈的長度，以后按情況定期從繩端截去半圈，實質上是不斷地移動節(jié)點，避免鋼絲繩在節(jié)點處損傷過快。2.4.5 過載鋼絲繩隨著載荷的增加會有微量的伸長，當載荷超過彈性極限時，鋼絲繩就可能斷裂失效。 通常把鋼絲繩承受的靜載荷控制在破斷載荷的1/101/5，叫作安全負荷。安全負荷表示的是鋼絲繩允許承受的額定靜負荷。但鋼絲繩實際上往往處于運動狀態(tài)，鋼絲繩在工作時除了要承受貨物

14、、吊物、自重等靜載荷外，還要受到因加速度和沖擊引起的動載荷，因彎曲引起的附加載荷，因摩擦引起的阻力載荷等等。由此可見，當除了靜載荷以外的其它載荷增多時，實際的安全系數(shù)就降低了，鋼絲繩往往由此而引起過載。因過載而破斷的鋼絲繩，其斷口呈松散狀，6股的鋼絲繩斷口位置大多數(shù)不在一起，繩芯外露，這是鋼絲繩因過載而斷裂的特征。過載的鋼絲繩即使不發(fā)生斷裂事故，也會大大地縮短使用壽命。防止鋼絲繩過載可以采取以下對策：（1）正確選用安全系數(shù)，力求減少靜載荷以外的其他載荷對鋼絲繩的影響。如彎曲載荷 可以通過加大滑輪和卷筒直徑來減小，動載荷可以通過提高起重機司機的操作水平、改進起重機性能來減少，摩擦阻力可以通過調整

15、滑輪槽的形狀及補充潤滑油來減少等等。（2）嚴格遵守安全操作規(guī)程，杜絕人為的超負荷現(xiàn)象。（3）在起重機上安裝負荷指示器、或超負荷限制器、或報警器，消除過載現(xiàn)象。從露天門吊鋼絲繩上述6種基本損傷失效類型來看，鋼絲繩的損傷失效一般是有規(guī)律的，關鍵在于我們如何去進一步認識這些規(guī)律，做出正確的判斷，從而采取有效的預防對策，在作業(yè)安全得到科學有效保證的前提下，盡量延長鋼絲繩的使用壽命。3 鋼絲繩的失效判斷及報廢鋼絲繩的各種損壞和失效一般都要表現(xiàn)在斷絲上，斷絲的數(shù)目往往是判斷鋼絲繩是否報廢的重要依據(jù)。斷絲的原因有拉斷、扭轉、疲勞、磨損和銹蝕等。在檢查斷絲數(shù)時，還應綜合考慮斷絲的部位、局部聚集程度和斷絲的增長

16、趨勢，以及該鋼絲繩所處的作業(yè)環(huán)境及失效后導致后果的嚴重程度等因素。 鋼絲繩在任何一段節(jié)距(指每股鋼絲繩纏繞一周的軸向距離)內的斷絲數(shù)達到表1中的數(shù)值時應報廢。如果鋼絲繩銹蝕或磨損時，應將表1中斷絲數(shù)按表2折減，并按折減后的斷絲數(shù)作為判斷報廢的依據(jù)。表1 鋼絲繩失效報廢斷絲數(shù) 鋼絲繩斷絲數(shù) 安全系數(shù)鋼絲繩結構繩6×9繩6×37一個節(jié)距中的斷絲數(shù)交互捻同向捻交互捻同向捻612622116-7147261371683015表2 銹蝕或磨損的折減系數(shù)表表面磨損或銹蝕量（%）1015202530-4040折減系數(shù)（%）8575706 0500當有以下情況時，鋼絲繩應該報廢(1）當外層

17、鋼絲磨損達40%，應予報廢；(2) 磨損引起鋼絲繩相對于基本直徑減小達7%，即使未發(fā)現(xiàn)斷絲，也應立即報廢；(3)鋼絲繩出現(xiàn)可用肉眼觀察到的外部鋼絲的腐蝕，當表面出現(xiàn)腐蝕深坑，鋼絲相當松弛，應立即報廢；(4) 存在任何內部腐蝕的跡象，經(jīng)過對鋼絲繩內部檢驗，確認有嚴重的內部腐蝕，應立即報廢；(5) 繩端部及其附近出現(xiàn)斷絲，如果繩長允許，即使數(shù)量少，也應將斷絲部位切去重新安裝，否則應報廢；(6) 斷絲的局部聚集程度高，例如聚集在小于一個節(jié)距的繩長內，或集中在任一繩股里，即使斷絲數(shù)比報廢標準規(guī)定的數(shù)量低，也應予以報廢；(7) 斷絲出現(xiàn)增長趨勢，應給予充分注意，加強檢查并記錄斷絲增長情況，辨明規(guī)律，確定報廢日期；(8) 當鋼