海上起重设备钢丝绳选配问题导致的配套设施故障分析

段武超

（中海油服采办共享中心天津分中心，天津 300459）

1 前言

钢丝绳是起重设备的重要结构组成部分，正确选配是起重设备良好安全运转关键环节，如何正确认识、选择和使用，必须科学。钢丝绳选择应考虑配套设施匹配以及整套设施参数性能的完美搭配，如何正确选择、使用维护钢丝绳，这是一个非常重要且值得深入探讨的科学技术课题，需要结合日常使用、维护环境及其特性、实际理论分析，彻底解决使用中存在的安全及技术疑问，使起重设备钢丝绳管理正能够达到安全化和规范化、标准化的目标。

2 起重钢丝绳基本理论

2.1 钢丝绳的分类及描述标识方法

①按照钢丝绳的捻次分：单捻、三捻、多捻。②按照钢丝绳线和绳股中钢丝接触情况又可分：点和角接触、线和点接触、面和点接触。③按照捻向分为左捻、右捻、同向捻、交互捻。④按照绳股断面形状分为普通圆钢丝绳、异形股钢丝绳。

2.2 钢丝绳的绳芯

钢丝绳绳芯分为纤维芯和钢芯：纤维芯一般都是使用各种质量完全符合规定的黄麻、合成纤维或其他质量符合要求的天然聚酯纤维为原材料焊接制成,具有良好耐水性抗防腐、防锈蚀、抗油脂等特性；钢芯通常可以再细分为单独绳芯(IWR)和股芯(IWS)。

2.3 钢丝绳的规格和意义

2.3.1 钢丝绳的规格

钢丝绳的各种规格标记表明的是钢丝绳的规格尺寸、结构、强度等内容。由于各国在生产及使用中习惯不同,故规格表示形式也有所不同。中国钢丝绳规格标记使用代号中国标准代码GB8707-88，等同国际采用代号ISO3578—80《钢丝绳—标记代号》。例如:6×25Fi+FC、6×26SW+IWR、6×16S+IWS、6×19W+FC。

2.3.2 钢丝绳的结构表示方法

Fi：表示绳股排列结构是填充式；S：表示股绳排列成结构是西鲁式；W：表示股绳排列结构是瓦林吞式；WS：表示股中钢丝西、瓦复合式结构；FC：表示纤维芯(合成)；NF：表示剑麻绳芯(天然)；IWRC：表示金属丝股芯；IWSC：表示金属丝绳芯；V：表示锻打钢丝绳。

2.3.3 钢丝绳的捻向表示方法

根据钢丝绳的旋转方向使用两个大的英文字母(Z、S或者R、L)表示，第一个字母表示绳的捻向，第二个字母表示股的捻向，Z和R表示右，S和L表示左。（见下图1）

图1 钢丝绳捻向图示

①ZS和RHRL：右交互捻，股向右捻，丝向左捻；②SZ和LHRL：左交互捻，股向左捻，丝向右捻；③ZZ和RHLL：右同向捻，股和丝均同向捻；④SS和LHLL：左同向捻，股和丝均同向左捻。

2.3.4 钢丝的表层处理分类及其标记代号

①光洁表面：NAT；②A级镀锌处理:ZAA；

③AB级镀锌处理:ZAB；④B级镀锌处理:ZBB。

2.3.5 钢丝绳的抗拉强度

根据钢丝绳破坏拉力的大小,API规范将钢丝绳分为PS、IPS、EIPS、EEIPS四级。

3 钢丝绳故障问题分析

3.1 钢丝绳磨损损坏故障

滑动摩擦和多次刮擦会产生垂直的弧线启动段磨耗,严重影响环钢丝绳的使用寿命。重型关键起重设备经过一定的时间运转，托辊损坏产生滑动摩擦损失或者在滚轮之间产生锉切磨损造成钢丝绳磨损，将钢丝绳滑移切割一段倒绳的主要原理是调整、错开运动钢绳之间相对摩擦位置，避免钢丝绳集中位置磨损。

3.2 断丝损坏故障

钢丝绳断丝损坏是一种超负荷拉力损坏的现象,钢丝绳质量和润滑不足或往复拉力形成钢丝的疲劳损伤会导致钢丝绳的断丝损坏。产生因素如下：钢丝绳的润滑状况、钢丝绳的性能质量影响钢丝绳的断丝状况,钢丝绳易出现疲劳断裂现象与钢丝绳的内部结构,钢丝材质质量有关，钢丝绳结构、钢丝绳的加工精度是直接影响钢丝绳的弯曲韧性和抗疲劳性能的重要因素。冲击载荷形成钢丝绳断丝，钢丝绳芯和钢丝绳弹性组成缓冲冲击损坏的性能,冲击破坏通常发生在钢丝绳突然的强烈的拉力，冲击载荷很容易造成多根断丝造成钢丝绳报废情况。共振断丝,因为机构重力原因，绳索在行进过程中突然起升引起整个系统振动，振动频率随钢丝绳长度的变化而变化，产生固定振动频率，这种振动容易造成钢丝绳疲劳断丝，当断丝积累到一定程度引起钢丝绳断裂。

3.3 拉伸损坏故障

钢丝绳生产制作是通过的冷拔和硬化增加钢丝绳的耐磨性和强度，设备长时间运转使钢丝绳被表面磨损和超负荷拉伸，使钢丝绳的直径变小、塑性变大，抗疲劳性能降低，加速了钢丝绳损坏。突然而猛烈的冲击力，突然的卡顿或刹车很容易使钢丝绳冲击拉伸损坏，严重的拉拔和扭力原因导致钢丝绳拉伸变形报废,由于疲劳和冲击造成钢丝拉伸断裂。

3.4 钢丝绳旋转或扭转损坏

不同部位钢丝绳对旋转要求标准不同。起重货物旋转容易造成安全风险，导致钢丝绳提前损坏，一端自由的钢丝绳如果没有旋转接头，容易造成钢丝散股损坏，多股钢丝绳起升如果对钢丝绳防扭转性能选择错误，容易造成钢丝绳相互扭缠，造成钢丝绳相互缠绕拉动损坏。因此，不同部位钢丝绳的防扭转和旋转应有合理的扭转性能。

4 滚筒损坏故障分析

正常的疲劳磨损：滚筒轴承长期转动都可能会产生疲劳性的磨损，合理的润滑保养可保障轴承处于良好的运转状况。否则，容易导致轴承异常磨损、摩擦力增大产生轴承高温，造成设备运转振动现象，引起整个起升系统冲击载荷,引起不同部位的加速损坏。滚筒绳槽设置不合理，造成钢丝绳排布不顺畅，长期设备运转后，常常导致滚筒绳槽加速磨损，滚筒侧边被损坏。此外，钢丝绳选择配套错误往往也是造成滚筒损伤的重要原因，钢丝绳与滚筒不匹配引起钢丝绳缠绳排列时对绳槽和滚筒侧边过度啃食，加速了滚筒的损坏。

5 滚筒选配和导绳轮设置不合理导致的问题

钢丝绳选用首要考虑的是安全系数问题，但结构与滚筒匹配是关键因素。光面的滚筒容易导致钢丝绳压扁和爬绳，引起钢丝绳挤压或者扭曲变形。带绳槽的滚筒，如果钢丝绳选择与槽的直径、形状和倾斜方向不匹配，同样容易导致排绳混乱引起钢丝绳挤压损坏。滚筒的直径设置也应该符合钢丝绳的直径，否则容易造成钢丝绳扭曲弯折变形。滚筒上的卷绳辅助装置（如：钢丝绳滚筒安装楔形块或者绳端装置）选择不合理也容易导致钢丝绳排绳混乱，造成钢丝绳加速损坏。此外，滚筒绳槽材质选择用不合理，容易造成钢丝绳与滚筒摩擦产生过大的阻力，引起钢丝绳加速磨损或者滚筒过度啃食问题。

钢丝绳的捻向与滚筒旋转方向匹配性，是钢丝绳选择的基本要求。滚筒的旋向有左旋和右旋区分，交互捻钢丝绳适用于不同旋转方向的滚筒。只有一层钢丝绳缠绕防打扭钢丝绳，必须对应匹配滚筒，否则会造成钢丝绳变形损坏；如果钢丝绳数层缠绕，缠绳方向需要按照滚筒绳槽方向安装，以便为下一层打好基础。

左交互捻、右交互捻钢丝绳与左旋右旋滚筒随意匹配，左捻、右捻两种需要严格与滚筒旋转方向匹配，正确匹配才能保障钢丝绳的安全正确使用。具体原则应该是钢丝绳在滚筒上缠绕时应使钢丝绳紧捻而不是松捻。捻向与旋向的匹配关系参考左右手定则，伸出右手，拇指指向绳头固定端，手背朝上表示上出绳，手背朝下表示下出绳，面向提升方向，若为左手，则为左捻绳，若为右手则为右捻绳。

导绳轮的设置位置适当可以支撑钢丝绳悬垂位置，辅助滚筒排绳整齐和方向偏转，在变幅滚筒钢丝绳上设置的导绳轮长期受到大负荷作用力，导绳轮的直径往往对钢丝绳的弯折扭曲影响较大，导绳轮的材质对钢丝绳的表面摩擦损伤影响较大。钢丝绳在滚筒上多层时，通过导绳轮在滚筒端部缠绳与滚筒垂直缠绳夹角不应过大，避免造成缠绳时爬绳造成混乱，角度过大容易造成导绳轮偏磨加速，钢丝绳扭曲变形问题。

6 滑轮损坏故障分析

6.1 滑轮的疲劳寿命造成的损坏

滑轮的疲劳损坏主要原因有：①长期循环使用滑轮疲劳造成损坏；②轮槽表层淬火层和钢丝材料循环作用下，一旦整个轮槽和钢丝材料出现有摩擦压痕，增加摩擦疲劳力量，从而致使不断滑动产生沉重摩擦，增加轮槽内部不均匀磨损，影响滑轮的均匀受力；③钢丝研磨后的淬火层的材质性能变化。

6.2 滑轮压痕失效损坏

对于滑轮槽，经过连续磨削，当压痕循环受压磨损,达到一定水平后，会造成滑轮压痕失效。主要因素如下：①压痕间隙的产生和膨胀。轮槽对钢丝绳的转动作用刚开始时,轮槽上的表面上就会出现有一定的塑性变形和滑移形成压痕，当转动滑轮连续高速转动时,凹槽上就会出现压痕金属疲劳，导致金属软化或塑性硬化,导致其在轮槽上的平面塑性变形，产生塑性滑移。②轮槽使用中的磨损补偿。轮槽磨损机构处理是一个非常复杂反复的机械作用过程，运载重物的工作过程中，吊装瞬间由于物体本身会上下摆动容易导致正在吊装中的滑轮轮槽中的钢丝绳上下螺旋摆动,这种相互摩擦进一步的改善轮槽磨损，如果磨损远超补偿的速度将导致滑轮失效。

7 钢丝绳排布错乱故障分析

钢丝绳在特定情况下,需要有特定的排布方式,才能使整体的排布有序，设备整体安全运行。排布错乱造成的原因较多，常见的原因有：①钢丝绳滚筒通常应该有适当的张紧力以保障钢丝绳的排布整齐，通常在起重吊钩配有合适重量的吊钩配重锤，以便空钩时钢丝绳整齐排布。②钢丝绳因它本身具有强度高、重量轻、韧性好、运行平稳、运动速度快等特点，突然制动刹车，引起钢丝绳抖动导致钢丝绳跳出绳槽，钢丝绳剐蹭损坏，或者引起排绳错乱，造成钢丝绳局部挤压变形，甚至断丝、断股损坏。③钢丝绳在高速绕过转动受力大的滑轮和转动滚筒时，在外丝转动较大角度或反复转动弯曲挤压时，钢丝绳变形瞬间不能恢复造成钢丝绳排布混乱，受力巨大时导致钢丝绳断裂事故。

8 钢丝绳管理建议

钢丝绳是起重设备的关键核心承力部件，规范选用和安装钢丝绳是起重设备平稳运行，钢丝绳长久、安全良好使用的关键因素。

8.1 起重设备钢丝绳管理问题和建议

设备管理人员对起重设备钢丝绳的规范、标准理论知识掌握不足，在钢丝绳订购过程中往往存在钢丝绳类型、规格选用不匹配，影响了吊车钢丝绳及配套设施的使用寿命。起重设备钢丝绳在安装更换过程中，不规范的操作方法和程序，导致钢丝绳使用中松股或变形，加速钢丝绳的损坏。钢丝绳的直径选用和滚筒尺寸不匹配，容易导致钢丝绳排绳不整齐，产生上下层钢丝绳挤压，排绳不规范产生爬升的问题，加速钢丝绳的损坏，影响吊车的平稳运行，为作业增加了严重的安全隐患。

8.2 起重设备钢丝绳的选购，质量把控要求

8.2.1 钢丝绳的证书要求

证书编号、生产厂家、钢丝绳名称或描述、最小破断拉力、证书签发日期、钢丝绳的数量及工程长度。

8.2.2 钢丝绳的选购参数信息要求

数量和长度、公称直径、钢丝绳类型和结构形式、绳芯类型、钢丝绳性能级别、执行标准、端部处理要求或接头形式要求、捻向和类型、预变形、润滑、特殊的要求、运输包装要求、最小破断拉力、表面镀层或非镀层的使用位置。

9 结语

综上所述，钢丝绳的选配，应该作为起重设备管理的关键环节。同时，在起重设备的故障分析问题上，对于日常运转产生的钢丝绳的磨损，断丝，损坏滑轮以及钢丝绳排布问题都是需要解决的重要问题，相信这些问题进行分析解决后，可以为海上起重设备的安全高效运转奠定基础。