分享：海洋环境下钢丝绳断裂原因

• 胡文新, 
 
• 杨会齐, 
 
• 李光瑾

• 苏州华碧微科检测技术有限公司，苏州 215024

在海洋环境下进行海洋工程施工及吊装作业时，工程人员需要使用多种结构的钢丝绳，这些钢丝绳主要用于海洋工程系泊、深海钻井施工、海洋绞机等方面[1-2]。在作业过程中，钢丝绳不仅承受复杂的应力及磨损作用，还受到来自海洋及大气环境的腐蚀，特别是来自氯元素的腐蚀[3]，磨损及腐蚀加速了钢丝绳的断裂，缩短了钢丝绳的使用寿命。 

某海洋船舶在作业过程中发生钢丝绳断裂现象，该钢丝绳主要用于海底作业，事故前承重约8 t，钢丝绳全长约10 km，约有一半的钢丝绳丢失，钢丝绳在运行至牵引绞车处发生断裂。笔者采用一系列理化检验方法分析了钢丝绳断裂的原因，以防止类似事故再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

钢丝绳试样长度约为6 m，表面有镀锌层，内置钢芯，钢丝绳公称直径为18 mm，公称抗拉强度为1 960 Mpa，最小破断力为229 kN。钢丝绳宏观形貌如图1所示。该钢丝绳由35股钢丝捻制而成，每股有7根钢丝，共有245根钢丝，其中大丝直径为1 mm，共有203根，小丝直径为0.7 mm，共有42根。钢丝绳内侧有较多的润滑油脂，绳股表面有大量的白色粉体，为钢丝绳的镀锌层，镀锌层已疏松受损。钢丝绳断口参差不齐，呈松散状，断口钢丝存在磨损掉粉现象，断口附近的绳股分离错开，并有弯曲变形现象。钢丝绳其他部位钢丝捻制规则、整齐紧密，且能观察到大量的锈迹。 

图  1  钢丝绳宏观形貌

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.2   尺寸测量

使用游标卡尺对钢丝绳试样断口的直径进行测量，一共测量了245根钢丝，实际测量得到的钢丝直径如表1所示。由表1可知：钢丝直径存在不同程度的减小，其中大多数钢丝直径为0.85~0.90 mm，截面损失率超过10%。 

Table  1.  钢丝绳钢丝实际直径测量结果

直径/mm	数量/根	占比/%
0.50~0.60	15	6.1
0.60~0.70	27	11.0
0.70~0.80	10	4.1
0.80~0.85	40	16.3
0.85~0.90	71	29.0
0.90~0.95	25	10.2
0.95~1.00	57	23.3

下载: 导出CSV 

| 显示表格

1.3   金相检验

在钢丝绳试样中抽取部分钢丝，分别制取纵向截面和横向截面金相试样，将试样置于光学显微镜下观察，结果如图2所示。由图2可知：钢丝纵截面显微组织为回火索氏体＋少量珠光体，沿钢丝长度方向呈细长纤维状。 

图  2  钢丝绳纵截面微观形貌

下载: 全尺寸图片 幻灯片

在钢丝显微组织中未见异常夹杂物，基体组织为回火索氏体＋少量珠光体，未见淬火组织，符合GB/T 4354—2008《优质碳素钢热轧盘条》的要求。 

1.4   破断力试验

依据GB/T 8358—2014《钢丝绳 实际破断拉力测定方法》，用电子万能试验机对钢丝绳试样进行破断力试验，得到钢丝绳的最小破断力分别为232，244，235 kN。该钢丝绳的最小破断力满足GB 8918—2006《重要用途钢丝绳》的要求。 

1.5   扫描电镜（SEM）和能谱分析

对钢丝绳的所有钢丝进行断口检查，钢丝试样共有245根，其中5根断口磨损较为严重，对240根钢丝断口进行分析，发现其中剪切断口有62个，杯锥状断口有178个。 

在钢丝断口处截取试样，将试样置于扫描电镜下观察，结果如图3所示。由图3可知：钢丝剪切断口整体呈倾斜状，表面有覆盖物[见图3（a）]，微观形貌呈现出有方向性的韧窝[见图3（b）]；杯椎断口处有明显颈缩特征[见图3（c）]，断口微观形貌表现为等轴韧窝[见图3（d）]。 

图  3  钢丝绳断口试样SEM形貌

下载: 全尺寸图片 幻灯片

从钢丝剪切断口中可以观察到钢丝表面损伤严重，断口形状不规则，部分钢丝截面尺寸损失严重，断口及断口附近的钢丝存在大量挤压变形和凹坑。牵引绞车处的钢丝绳承受的压力及磨损较严重，钢丝绳表面的挤压变形和凹坑处成为起裂源区，在工作应力的作用下，裂纹沿截面方向加速扩展，该部分绳股先断。在杯锥状断口中，断口发生明显的塑性变形，断口呈规则的颈缩状态，起裂源位于断口中心区域，该部分的断口发生过载拉伸断裂，该股钢丝后断。 

使用扫描电子显微镜对钢丝表面微观形貌进行观察，结果如图4所示。由图4可知：钢丝的镀锌层粗糙，凹凸不平，并且出现了破损[见图4（a）]，部分区域镀锌层出现了大面积脱落[见图4（b）]，表面磨损较为严重。从钢丝的微观形貌可以看出，钢丝表面镀锌层已出现了大面积脱落，镀锌层对钢丝绳的保护作用失效。 

图  4  钢丝表面SEM形貌

下载: 全尺寸图片 幻灯片

对钢丝试样进行能谱分析，结果如表2~3所示。由表2~3可知：钢丝试样表面主要化学成分为Zn、O、C、Fe等元素，表面附着物主要化学成分为Zn、O、C、Fe、Cl等元素。 

Table  2.  钢丝表面能谱分析结果

项目	质量分数
	C	O	Si	S	Cl	Ca	Fe	Zn
实测值	17.08	16.00	0.40	0.12	0.48	0.19	1.49	64.24

下载: 导出CSV 

| 显示表格

Table  3.  钢丝附着物表面能谱分析结果

项目	质量分数
	C	O	Mg	Al	Si	S	Cl	K	Ca	Fe	Zn
实测值	41.94	28.02	0.37	0.13	0.12	0.34	2.83	0.42	0.21	2.55	23.07

下载: 导出CSV 

| 显示表格

2.   综合分析

以上理化检验结果表明：钢丝绳表面的镀锌层出现了严重的腐蚀破坏，并在钢丝表面的附着物上发现了Cl元素。钢丝绳附着物为钢丝表面的腐蚀产物，这些产物长期停留在海水中的钢丝绳表面，其镀锌层最先被腐蚀，海水中的氯离子穿透能力强，容易被镀锌层表面吸收，加快了钢丝表面的局部腐蚀，导致钢丝形成点蚀和腐蚀凹坑。钢丝表面存在明显的凹坑，减小了钢丝绳的有效承载直径，使钢丝的基体直接与海水接触，形成的腐蚀进一步减小了钢丝绳的直径，从而降低了钢丝绳的有效承载强度。 

长期处于海洋环境中的钢丝绳会受到海水腐蚀的作用，特别是氯元素的作用，腐蚀导致钢丝绳表面镀锌层出现破坏而失去保护基体的作用，表面受损的状态不一。绞车在运行的过程中承受钢丝绳轴向拉应力作用，并在海水介质中发生应力腐蚀，特别是钢丝绳的外层钢丝受应力腐蚀的作用较大，导致钢丝绳外层钢丝缺陷较多，并在外层材料表面萌生微裂纹[4]，降低了钢丝的抗拉强度。由于钢丝绳运行时本身发生挤压和磨损，钢丝绳中的钢丝在腐蚀后更容易发生磨损减薄，故钢丝绳的有效承载截面积不断减小，钢丝绳的承载能力降低。在钢丝绳运行过程中，其表面形成的挤压变形和腐蚀凹坑不仅减小了钢丝的有效承载面积，同时使钢丝产生裂纹源和局部应力集中，从而降低钢丝绳的承载强度。钢丝绳在牵引绞车上不仅受拉应力的作用，还承受来自绞车的剪应力作用，剪应力的方向沿着钢丝绳的径向，由于钢丝绳直径的减小及表面缺陷的增多，钢丝绳局部径向承载能力减弱，且已不能正常承载负荷，从而发生剪切断裂。牵引绞车处的钢丝绳表面缺陷处受剪应力的作用并优先断裂，剩余的钢丝在拉应力的作用下发生过载断裂。 

3.   结语

海洋环境下钢丝绳表面镀锌层出现了腐蚀，钢丝绳有效截面出现了明显减少，局部承载强度降低，钢丝绳在挤压变形和腐蚀凹坑处形成应力集中和裂纹源。在牵引绞车处，部分绳股先被剪断，剩下的绳股被拉断。 

海工装备用钢丝绳在运行的过程中，不仅受到海水腐蚀的作用，并且受到运行挤压和磨损，减小了钢丝绳的有效截面积，降低了钢丝绳的承载强度，挤压变形及腐蚀凹坑处是钢丝绳表面的薄弱环节，最终在剪应力较大时，牵引绞车处的钢丝绳被剪断。