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。在事故了現場了解到，主鋼絲繩斷裂處與吊鉤上防轉球沿繩距離約56米；吊鉤鋼絲斷裂在繩卡處。
主鋼絲繩結構為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內部標準，該使用單位規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股取鋼絲樣，用Dv6E型光電直讀光譜儀(發射光譜法)進行成分檢驗。結果表明，斷裂主鋼絲繩鋼絲化學成分符合70優質碳素結構鋼成分；斷裂吊鉤鋼絲繩鋼絲化學成分符合75優質碳素結構鋼成分。
(2)金相組織與硬度
金相樣品取自斷裂鋼絲繩外股和內股的鋼絲，磨制縱向和橫向截面的金相磨面。金相檢查結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460HV100gf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。吊鉤鋼絲繩鋼絲的金相組織是索氏體，顯微硬度平均值443HV100gf，與75優質碳素鋼相符。
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樣品的數據無效，因散股影響了數據真實性；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
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，這里內股表面普遍可見的損傷，很多根鋼絲都斷成數段。
吊鉤鋼絲繩內股外表面損傷（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)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，在內股的疲勞斷口占內股總鋼絲數量的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有三種類型（如圖5）
(a)杯狀斷口(約占外股鋼絲繩數量的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，內股有2個。
根據統計，類似圖5(c)所示斷口的鋼絲數量達到33根，大部分在外股，內股只有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、主鋼絲繩的結構與受力分析
1．鋼絲繩的結構
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趨勢互相平衡，起吊重物時不易扭轉和松散。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，如果兩者的旋轉趨向不能達到平衡，鋼絲繩在受載時還會出現扭矩，鋼絲繩存在扭轉應力：鋼絲繩成型過程中還有制造的殘余應力。由于復雜的結構，鋼絲繩的應力狀態是極其復雜的。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，一節只列出鋼絲繩的應力與壽命計算結果。
3．鋼絲繩的應力與壽命計算
(1)鋼絲繩無損傷時，鋼絲繩內外股整體受力，折算應力σvi：815.7(N/mm2)≤0.8σB=0.8×1670=1336(N/mm2)
(2)鋼絲繩內外股松動，因內股鋼絲長度小于外股鋼絲長度，只有內股受力，折算應力σvi=1216.5(N/mm2)≤0.8σB =0.8×1670=1336(N/mm2)，過高的內股應力，使疲勞壽命降低，因而內股鋼絲先斷。
(3)鋼絲繩內股斷裂后，只有外股受力，外股鋼絲應力增大，其折算應σvi=914.7(N/mm2)≤0.8σB =1336(N/mm2),當受到沖擊載荷時容易發生斷裂。
把上述假設三階段的鋼絲繩應力與壽命計算結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 (1)主鋼絲繩鋼絲的化學成分在70優質碳素結構鋼范圍，金相組織是索氏體+鐵素體，其強度和韌性不如單一的索氏體：拆股面絲抗拉強度偏低，其原因是金相組織中含有鐵素體相：整繩抗拉強度符合1760級要求。因此可以認為主鋼絲繩的材質無顯著的缺陷。 (2)1 8×7+FC鋼絲繩是最典型的不旋轉結構鋼絲繩，有其不可克服的缺點：對于多層繩股的鋼絲繩，其斷股大多數發生在內層繩，不易發現；鋼絲繩服役時內外層繩股接觸的表面相互滑動摩擦，磨損大；內外層股在服役時難于保證內外層鋼絲均勻承載，內層繩股的負重大，易失效。 (3)根據對主鋼絲繩鋼絲的斷口分析，內股鋼絲80％呈現粉碎性疲勞斷裂(低周疲勞)。鋼絲的外表面損傷會增加疲勞裂紋產生的傾向，主鋼絲繩內股鋼絲疲勞裂紋的起源幾乎都在鋼絲外表面受損傷之處。主鋼絲繩外股的大部分鋼絲斷口都比較平整，但有一定的縮頸。宏觀上比較平整的斷口，在掃描電鏡下顯示解理和準解理斷裂特征，表現出一定脆斷傾向性。脆斷傾向性較大可能受兩個因素影響，一是材料有一定的脆性，二是變形速度大。 (4)靠近卷揚機的繩輪和取力器滑輪的位置有待商榷，兩滑輪的距離很短；取力器滑輪直徑又偏小，其與鋼絲繩直徑比值偏低，使鋼絲繩的雙向彎曲角度增大，加速了疲勞。 (5)吊鉤鋼絲繩的化學成分符合75優質碳素結構鋼范圍，金相組織是索氏體。外層繩股有37％鋼絲在斷裂前磨損明顯，整繩強度已有下降，當主鋼絲繩斷裂的瞬間，吊鉤鋼絲繩受到沖擊而斷裂。 2．結論 (1)主鋼絲繩斷裂是疲勞斷裂。疲勞主要發生于經常在靠近卷揚機的繩輪與取力器滑輪之間負載運行的繩段的內股。1 8×7+FC鋼絲繩的結構、繩輪與取力器滑輪之間的距離、取力器滑輪直徑等因素對疲勞壽命有影響。 (2)吊鉤鋼絲繩在斷裂前已有磨損，整繩強度已有下降，當主鋼絲繩斷裂后，吊鉤鋼絲繩受到沖擊而斷裂。 五、建議 1．研究、選用新型結構的鋼絲繩。 2．加強定期檢查、監督鋼絲繩的損傷程度，特別是選用先進儀器檢查內股鋼絲的定量損傷程度。 3．對門機的結構，如取力器滑輪合理的直徑、與繩輪的距離等作進一步的研究。 (作者單位：劉正義、廖景娛、許華忠華南理工大學：洪文健廣州市承壓設備檢測研究院)