王斌斌, 王玉明, 張志勤

(首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司, 唐山 063200)

港口門(mén)機(jī)“山”字形吊鉤螺桿斷裂原因分析

王斌斌, 王玉明, 張志勤

(首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司, 唐山 063200)

某公司碼頭門(mén)機(jī)使用的DG20鋼吊鉤使用不到1 a(年)即于螺桿處發(fā)生徑向斷裂，采用化學(xué)成分分析、宏觀分析、掃描電鏡分析、金相檢驗(yàn)等方法對(duì)吊鉤螺桿斷裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：吊鉤螺桿斷裂屬于單向彎曲疲勞斷裂,斷裂起源于螺紋根部的微裂紋；現(xiàn)場(chǎng)操作不當(dāng)使吊鉤螺桿在螺紋根部產(chǎn)生嚴(yán)重的單向應(yīng)力集中，促使該處萌生微裂紋并不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂失效。

門(mén)機(jī)吊鉤；螺桿；單向彎曲疲勞斷裂；微裂紋；應(yīng)力集中

門(mén)機(jī)廣泛用于港口、碼頭的貨物裝卸過(guò)程，吊鉤與吊鉤螺母、推力軸承、吊鉤橫梁、吊鉤拉板等組成吊鉤組，是起重機(jī)上廣泛使用的取物裝置，吊鉤的頭部具有直柄并開(kāi)有螺紋，通過(guò)螺紋與吊鉤螺母和吊鉤橫梁連接[1]，其主鉤鉤體脫落事故的發(fā)生不可避免地會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡[2-3]。2015年，某公司在碼頭裝船作業(yè)時(shí)，門(mén)機(jī)“山”字形吊鉤發(fā)生了瞬間斷裂，斷裂位于吊鉤螺桿尾部，靠近吊鉤頸部，如圖1所示。從檢驗(yàn)角度看，斷裂位于吊鉤桿部橫截面突然變小的鉤頸退刀槽處，即吊鉤承受拉應(yīng)力最大、強(qiáng)度最弱的位置[4]。該吊鉤材料為DG20鋼，采用鍛后正火工藝熱處理，投入使用不到1 a(年)。此次吊鉤斷裂事故給該公司造成了較大損失，為消除安全隱患，避免類似事故的再發(fā)生，筆者對(duì)斷裂吊鉤進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

圖1 吊鉤斷裂位置及起吊時(shí)鋼卷之間軸向撞擊示意圖Fig.1 Schematic diagram of fracture locatin of the hook and axial impact between two steel coils when lifting

1 理化檢驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分分析

對(duì)斷裂吊鉤螺桿部位進(jìn)行取樣，采用輝光光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可見(jiàn)，門(mén)機(jī)吊鉤的化學(xué)成分基本符合GB/T 10051.1-2010《起重吊鉤 第1部分：力學(xué)性能、起重量、應(yīng)力及材料》對(duì)DG20鋼成分的技術(shù)要求，只有錳元素含量稍微偏高。

1.2 宏觀分析

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)，在吊起鋼卷裝船作業(yè)時(shí)，為了將前一鋼卷盡量靠里放置，會(huì)有一個(gè)鋼卷軸向?qū)α硪讳摼磔S向的撞擊環(huán)節(jié)，正好在“山”字形吊鉤的兩側(cè)方向上，如圖1所示。

表1 門(mén)機(jī)吊鉤的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the portal slewing crane hook (mass fraction) %

斷裂后的門(mén)機(jī)吊鉤宏觀形貌如圖2所示。

圖2 斷裂門(mén)機(jī)吊鉤及斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the fractured portal slewing crane hook and the fractures:a) the fractured ε-shape hook; b) the fracture of the screw; c) the fracture left in the nut

對(duì)吊鉤螺桿斷口進(jìn)行取樣，在切取掃描電鏡(SEM)試樣前，先對(duì)斷口進(jìn)行標(biāo)記，如圖3所示。

圖3 斷口宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of the fracture

為了方便，將“山”字形吊鉤的兩側(cè)分別命名為A側(cè)和B側(cè)。從圖3可以直觀地看出，斷面大部分區(qū)域較光滑，約占整個(gè)斷面的90%，且存在明顯的海灘狀條紋[5]，由此可以判斷吊鉤螺桿斷裂屬于疲勞斷裂，該區(qū)域?yàn)槠诹鸭y擴(kuò)展區(qū)。海灘狀條紋收斂于A側(cè)邊部，說(shuō)明該處為疲勞裂紋源，斷面的另一側(cè)區(qū)域表面較粗糙，有明顯的金屬光澤，約占整個(gè)斷面的10%，該區(qū)域?yàn)樽罱K瞬斷區(qū)。

對(duì)螺桿的螺紋邊緣進(jìn)行測(cè)量，斷裂后螺紋底部寬度與正常螺紋底部寬度相同，說(shuō)明斷裂源在螺紋根部，如圖4所示。

圖4 螺紋底部寬度測(cè)量Fig.4 Width measurement of the thread bottom

由于在起吊作業(yè)時(shí)，吊鉤螺桿A側(cè)和B側(cè)在空中旋轉(zhuǎn)交替，兩側(cè)均可以與鋼卷發(fā)生碰撞，仔細(xì)觀察在B側(cè)第一道螺紋的根部發(fā)現(xiàn)了微裂紋，進(jìn)一步證明了斷裂源位于螺紋根部，如圖5所示。

圖5 B側(cè)螺紋根部微裂紋形貌Fig.5 Micro crack morphology at B-side thread root

1.3 掃描電鏡分析

對(duì)斷口疲勞裂紋源附近、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)分別取樣進(jìn)行掃描電鏡斷口微觀形貌觀察，如圖6所示。

從圖6a)可以看出，疲勞裂紋源區(qū)有明顯的疲勞擠壓磨損痕跡；疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)明顯的疲勞輝紋，見(jiàn)圖6b)；瞬斷區(qū)河流花樣[6]明顯，為穿晶解理斷裂。

圖6 斷口不同區(qū)域SEM形貌Fig.6 SEM morphology of different regions of the fracture:a) crack source region; b) expansion region; c) transient fracture region

1.4 金相檢驗(yàn)

在吊鉤螺桿斷口附近分別取橫向和縱向剖面試樣進(jìn)行金相分析。從圖7可以看出，斷口附近顯微組織為珠光體+鐵素體。B側(cè)第一道螺紋的根部微裂紋截面處經(jīng)金相檢驗(yàn)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)大型夾雜物，裂紋附近也沒(méi)有組織異常情況，如圖8所示。

圖7 斷口附近顯微組織形貌Fig.7 Microstructure morphology near the frature:a) transversal structure; b) longitudinal structure

圖8 微裂紋截面顯微組織形貌Fig.8 Microstructure morphology of the micro crack section

2 分析與討論

根據(jù)化學(xué)成分分析結(jié)果，吊鉤螺桿材料基本符合標(biāo)準(zhǔn)要求，除了錳元素含量稍微偏高；金相分析結(jié)果顯示吊鉤螺桿顯微組織為鐵素體+珠光體，屬于正常組織形態(tài)；可見(jiàn)吊鉤螺桿材質(zhì)不是造成其斷裂的原因，同時(shí)在微裂紋截面上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)大型夾雜物，說(shuō)明吊鉤螺桿斷裂亦與夾雜物的誘因無(wú)關(guān)。

從斷口宏觀形貌來(lái)看，門(mén)機(jī)吊鉤螺桿的斷裂屬應(yīng)力集中造成的單向彎曲疲勞斷裂。裂紋源到擴(kuò)展區(qū)中心范圍的疲勞弧線已經(jīng)呈現(xiàn)鐵銹紅色澤，說(shuō)明該過(guò)程經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的作用，與新鮮斷口形成鮮明的對(duì)比，在斷裂前疲勞裂紋已經(jīng)擴(kuò)展，疲勞裂紋源位于疲勞弧線收斂的邊緣，具體位置在“山”字形一側(cè)的螺紋根部，與最終瞬斷區(qū)在斷口上呈對(duì)稱分布。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況，在吊裝運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，吊鉤螺桿主要承受拉伸應(yīng)力，螺紋根部需要承受較大應(yīng)力，且是間斷性的，可以認(rèn)為是低周疲勞應(yīng)力，另外吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程都會(huì)有一個(gè)傾斜，產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，尤其是螺紋與螺母交界的位置應(yīng)力會(huì)更加集中，且為了擺放整齊，在裝船時(shí)吊裝鋼卷之間會(huì)經(jīng)常性地發(fā)生碰撞，更是在與螺母交界的螺紋根部產(chǎn)生了較大的單向應(yīng)力集中。螺紋根部不斷經(jīng)受疲勞產(chǎn)生疲勞裂紋，疲勞裂紋不斷擴(kuò)展，當(dāng)?shù)蹉^螺桿剩余截面不足以承重時(shí)便會(huì)發(fā)生最終斷裂。

3 結(jié)論及建議

吊鉤螺桿斷裂屬于應(yīng)力集中造成的單向彎曲疲勞斷裂；吊鉤螺桿斷裂的主要原因是長(zhǎng)期的不當(dāng)操作造成在斷裂處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，在交變的彎曲應(yīng)力作用下最終造成疲勞斷裂。

鑒于以上分析，建議如下：①在起升貨物的過(guò)程中，必須要緩慢起升貨物，不能啟動(dòng)太快，避免產(chǎn)生沖擊載荷；②經(jīng)常檢查吊鉤各部位，檢查和維護(hù)吊鉤組的結(jié)構(gòu)部件，如發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理；③嚴(yán)格執(zhí)行操作要求，避免不規(guī)范操作，尤其是起吊重物時(shí)應(yīng)盡量避免橫向撞擊。

[1] 曾會(huì)書(shū),王真.10 t吊鉤斷裂原因分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2011,47(7):444-446,450.

[2] 李娟,吳劍勇,田華,等.港口門(mén)機(jī)用鋼絲繩斷裂原因分析[J].金屬熱處理,2015,40(z1):29-33.

[3] 付欣.港口門(mén)機(jī)回轉(zhuǎn)支承裝置的故障分析及預(yù)防對(duì)策[J].科技與創(chuàng)新,2015(5):135-135,138.

[4] 唐建群,張禮敬,鞏建鳴,等.吊鉤斷裂原因分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2004,40(3):138-141.

[5] 李文成.機(jī)械裝備失效分析[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2008.

[6] 姜錫山,趙晗.鋼鐵顯微斷口速查手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

Reasons Analysis on Fracture of the ε-Shape Hook Screw
of a Portal Slewing Crane

WANG Binbin, WANG Yuming, ZHANG Zhiqin

(Shougang Jingtang United Iron&Steel Co., Ltd., Tangshan 063200, China)

The radial fracture of DG20 steel hook screw of a portal slewing crane happened after less than one year service on the wharf in a company. The fracture reasons of the hook screw were analyzed by means of chemical composition analysis, macro analysis, SEM analysis, metallographic examination, etc. The results show that the fracture of the hook screw was one-way bending fatigue fracture, and the fracture originated from the micro cracks at the root of the thread. Improper operation at the site resulted in serious unidirectional stress concentration at the thread root of the hook screw, which caused the crack initiation and continuous expansion and finally resulted in the fracture failure.

portal slewing crane hook; screw; one-way bending fatigue fracture; micro crack; stress concentration

2016-06-30

王斌斌(1982-)，男，工程師，碩士，主要從事理化檢驗(yàn)工作，10480259@qq.com

TH213.4

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1001-4012(2017)06-0442-03