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起重钢丝绳失效分析
摘要：在钻机升降系统中，即使工作时间非常短，钢丝绳也会受到很大的损伤。绳索上层钢丝的损坏不是由于材料的疲劳造成的，因此有必要确定绳索损坏的原因。通过对损伤部位的外部检查可知，在工作过程中，钢丝从外绳索的外层逐渐释放。随后，释放的钢丝在通过升降系统时被碾压并开始断裂。为了找出损坏的原因，我们收集了受损绳索的样本以及储备的新绳索的样本。根据损伤的性质，我们决定对新的（尚未使用的）绳索进行力学试验，并且对绳索外层的钢丝绳进行金相测试。通过对新绳索力学试验结果的分析，我们发现绳索已经以其他强度等级制造，这与制造商声明的类别不同。同时还发现那些报告损坏的顶层钢丝是由不同强度等级的钢丝制成的。在绳股的上层中具有低强度和高强度的混合钢丝，这将导致特定（给定）层中的钢丝产生不同的应变，因此具有较低强度的钢丝开始从绳股中释放并变形，这导致了较弱处的断裂得以发展。
关键词：钢丝绳；裂纹；力学试验；金相检查；NDT
1介绍
钢丝绳结合了两种非常有用的特性：高轴向强度和弯曲灵活性。这些性能使钢丝绳成为许多工业应用中不可或缺的承载元件[1]。钢丝绳经常用于载荷传递。与纺织绳（通常是纺织纤维或合成材料）相比，钢丝绳具有强度高、使用寿命长的优点[2]。但是，它也有特殊的结构。钢丝绳常与链条组合使用。链条不仅可以是系泊系统的组成部分，而且还可用作升降系泊组件中的主要张力元件[3]。我们可以利用各种CAD系统来设计钢丝绳[4,5]。
钢丝绳广泛用于港口，船舶和许多工业领域。钢丝绳的安全性与生命安全和设备安全密切相关[6]。绳索的质量和磨损程度对矿用升降机，起重机，电梯和航空运输的安全性和可靠性有很大的影响。
为了在尚未达到更换标准前及时更换绳索或延长安全工作寿命，我们要了解绳索的状况[7]。钢丝绳最常用于滑雪缆车、索道或起重设备等运输工具。在煤矿中，升降机是用于运输煤矿、矿石、原料、人员、设备等的重要运输设备[8]。起升钢丝绳将卷扬机与升降室连接起来，因此其可靠性直接关系到矿山生产和人员生命安全。起升钢丝绳必须承受反复的轴向拉伸载荷和滚筒、导轮上的弯曲拉伸载荷，这将导致钢丝之间的微动磨损，进而导致钢丝的微动损伤、裂纹萌生、扩展和断裂失效[9]。从上述结果可知，我们应注意那些正在使用的钢丝绳，特别是
对其磨损过程、使用寿命和性能监测的研究。这是一个巨大的，仍然是高度热门的话题。Giglio和Manes[2]对钢丝绳承受轴向和弯曲载荷时的寿命进行了预测。作为研究的一部分，他们着重比较用不同的分析公式来估计绳索的内外应力状态。卓别林[10]正在进行钢丝绳失效机理的详细检查。他侧重于三种不同应用中观察到的具体降解机理：一种用于滚筒卷绕机的矿井提升绳，一种用于海上结构的系泊绳以及一种防旋转单坠的海上吊绳。
Zhang等人 [11]研究钢丝绳的弯曲疲劳行为和失效机理。在研究中，他们使用了无损定量检测和人工检测的方法。
Peacute;rier等人[12] 研究拉伸钢丝在氯化钠溶液中微动疲劳，并进行试验以再现螺旋股线经历自由弯曲变形和经受腐蚀的接触状态。他们还研究了[13]水性环境对土木工程用钢丝绳微动磨损行为的影响。
Wang对钢丝绳的失效进行了大量的研究。他研究了在煤矿的提升周期中末端质量对起重绳的微动磨损和疲劳参数的影响[14]。Wang分析了在三种腐蚀介质中煤矿钢丝的微动疲劳损伤[15]。通过能够施加恒定正常接触载荷的微动疲劳试验台，Wang等人[16]研究了应变幅度对钢丝的微动疲劳行为的影响，而这种钢丝处于低周疲劳中。他利用有限元方法研究在钢丝微动疲劳初始阶段微动参数对接触线应力分布的影响[17]。他实现了对起升绳和三层绳股的有限元分析，而这些起升绳和三层绳股主要用于勘探微动疲劳参数和横截面应力分布[18]。
Wang还检验了位移振幅对钢丝微动疲劳行为的影响[19]，这种钢丝处于两种循环应变水平下的低周疲劳中。
Wang等人[20]提出了绳索张力的模拟模型，以检验在提升过程中绳索张力和张力振幅在各种运动参数中的作用。此外，利用能够施加恒定正常接触负载的微动疲劳试验台，他还研究了应变幅度对低周疲劳下钢丝微动疲劳行为的影响[21]。
Torkar和Arzensi[22]对一台起重机的多股钢丝绳断裂进行了失效分析。Elata等人[23]研究了有独立绳芯的钢丝绳的机械性能。在他们之后的工作中，Shen等人[24]在自制微动磨损装置上进行了微动磨损试验，以研究在增加摩擦的润滑脂条件下钢丝的微动磨损行为。
结果表明，微动状态依赖于位移振幅和法向载荷。Tittel等人[25]研究了拉丝角度大小对拉丝和成束过程的影响。Plasek和Tittel [26]研究了钢丝绳的摩擦系数。Liskova等人[27]评估了钢丝质量对拉拔钢丝机械性能的影响。在检查钢丝绳性能时，检查方法也很重要。漏磁（MFL）方法在金属部件的无损评估（NDE）中的应用已有数十年的历史[28]。漏磁（MFL）技术被广泛用于非侵入式检测和表征钢丝绳缺陷[29]。Taylor等人[30]将频率分析应用于声发射信号，它是由由钢丝绳和从钢丝绳取下的单根钢丝故障引起的。Christen等人[28]在斜拉索中对缺陷
使用三维定位。用于电磁测试的商用仪器能够突出小缺陷，但它们仅提供对其位置的粗略估计。
Vallan [31]描述了影响缺陷位置测量的不确定度贡献的分析。该系统用于商业仪器的电磁测试，它由激光检测器，数字采集系统和个人电脑组成。Gu和Chu [32]应用了一种新的检测钢丝绳缺陷的技术。他们开发了单芯和单绕组磁通门传感器。Chen和Xu [33]研究了一种多绳提升钢丝绳张力的在线监测系统，该系统用于实时监测多绳提升钢丝绳的张力，从而计算出实际提升载荷和张力差。Wei and jianxin[34]使用由磁通门传感器制成的传感器来测试钢丝绳缺陷。Cao等人[35]采用新型电磁方法进行钢丝绳局部缺陷检测。大多数电磁测试仪器都会给出一维轴向漏磁信号，却失去了缺陷的周向分布。通过霍尔传感器阵列检测原型获取钢丝绳的二维漏磁信号，Vallan和Molinari [36]描述了基于摄像机和离线处理算法的测量系统。相机获取运行绳索的图像序列; 然后图像处理算法提取绳索轮廓，并测量绳索之间的距离以及测试期间绳索覆盖的整个距离。Radovanovic等人[37]根据国际标准规定，使用磁性检测方法对系统进行全面的钢丝绳状态监测。Stroffek和Lesso [38]提出了测量钢丝绳杨氏模量的声学方法。
2材料与方法
起升钢丝绳属于活动钢丝绳。因此，他们在工作时必须符合最严格的安全标准。这就是为什么他们要定期进行预防性检查，以便检查其受损并评估其运行可靠性的原因。钢丝绳的损坏主要是由提升槽弯曲、磨损、腐蚀、变形，接触擦伤或动载荷拉伸和弯曲等引起的。
为了评估提升绳的状况，根据现有专业文献、标准和研究结果提出了几种方法和步骤，通常可分为机械型，冶金型和非破坏型（表1）。
在评估过程开始时，对绳索进行无损检查是合适的，这方便绘制和量化损伤程度和等级。理想情况下，绳索在运行过程中要进行无损检测，并且一旦将绳索安装到升降系统中，就立即执行初始测试。这消除了绳索在制造和安装过程中出现的任何缺陷。
通过对整个钢丝绳或单根钢丝进行拉伸试验，可以对整个钢丝绳进行绳索的力学试验。为了评估钢丝绳的损伤，有必要采用力学试验来评估单根钢丝，其中经常使用拉伸试验和钢丝直径测量，以确定用于制造钢丝绳的钢丝的强度。从力学试验类别中进行的其他测试包括通过交变弯曲和扭转进行的测试，其主要目的是验证用于制造绳索的钢丝的机械性能。
在进一步评估过程中用金相实验完成绳索的力学试验是合适的，其目的是通过光学显微镜分析选定和损坏的钢丝绳，利用光学显微镜和扫描电子显微镜确定其流行程度，并在可能的情况下仔细地确定钢丝表面损伤的性质，详细地分析用于制造绳索的单根钢丝的微观结构。
所有的绳索钢丝，即绳索外层的钢丝和绳芯的钢丝都必须通过评估过程。由于力学试验目的，在测试之前必须将绳索的单根钢丝释放，清理干净并在全氯乙烯中脱脂。金相检测需要在超声波浴中对绳索进行额外清洗。本文旨在描述实际条件下工作的起升绳索的评估，并确定短时间使用后损坏的原因。
3理论/计算
自使用以后，钢丝绳就开始逐渐损坏。适当的维护和符合规定的工作条件可以调节磨损过程，并将其维持在可接受的范围内，从而确保其最长的使用寿命。因此，将监测绳索起升工况的系统应用于钻机起升机构的绳索中（图1），其主要目的是连续地将新的绳索从供应卷筒拉入升降系统中相对较小的部分，这将确保绳索始终均匀磨损。
1 –绞盘的电缆卷筒；
图1.钻机升降系统图
2 –冠块；
3 –自由块；
4 –绳死端的传感器（传感器）；
5 –储备鼓；
6 –静态（死绳末端）；
7 –探伤仪信号放大器；
8 –探伤仪；
9 –评估装置；
10–测量绳索长度的装置；
11–连接电缆；
A –静态（绳子的死角）；
B –拉力绳分支。
无法将这种操作应用于所有钻机，特别是不适用于在井下进行地下修复的钻机。一般而言，可以指出的是，绳索在工作中的特点是它们都会在或短或长的时间内出现疲劳断裂、腐蚀和磨损。
在工作过程中，绳索疲劳断裂的数量在不断增加，但它仍然可以发挥其作用，并且其操作仍然安全。只有当疲劳破坏、磨损或腐蚀的程度达到极限值时才能拆除绳索，这将其承载能力降低到一定的安全范围以下。评估绳索的可工作性，必须考虑其承载能力的局部降低。
为了更好地理解钢丝绳或其表面上发生的各种降解过程，有必要进行这方面的研究。
所获得的知识可以丰富现有的信息库，从而促进新的先进诊断和检测方法的开发，并且将被这类钢丝绳的制造商和运营者使用。
研究钢丝绳损伤的全部努力是为了缩短诊断方法应用所需的时间，提高其可靠性并降低其在技术、能源和财务方面的苛刻特性。
拔出和运行钻柱时的绳索：
(1)
其中：A是拔出和运行钻杆时的绳索损耗（kJ）；
h钻孔深度（m）；
qtE泥浆中钻杆线性质量（kg▪m-1）；
L钻杆长度（m）；
MK提升系统重量（kg）；
l钻铤的长度（m）；
qZE泥浆中钻铤的线性质量（kg▪m-1）；
g是重力加速度（m▪s-2）。
钻孔时的绳索：
(2)
其中：AV是钻井时的绳索损耗（kJ）；
AK是最终钻孔深度的每个循环的工作量（kJ）；
AP是初始钻孔深度的每个循环的工作量（kJ）；
AK和AP是由公式（1）求取。
取心时的绳索：
(3)
其中：AJ是取心时的绳索损耗（kJ）。
在钻井时的绳索：
(4)
其中：AR是钻孔扩孔时的绳索损耗（kJ）。
套在钻孔上的绳索：
(5)
其中：AZ是套管井眼中的绳索损耗（kJ）；
qPE泥浆中套管的线性质量（kg▪m-1）；
Lp套管长度（m）；
hq套管深度（m）；
g是重力加速度（m▪s-2）。
在运行和拔出钻柱时，绳索执行最大部分的工作。总工作是个别工作操作的总和。在达到推荐的可交付成果之后，在牵引计算时，新绳索从供应卷轴上拉出一点点，这大大增加了其服务期限; 否则它将整个被替换掉。牵引工作（尽管受到监控）常常导致绳索局部磨损过度。
4结果
在完成127吨公里数后，对钻机的起升钢丝绳进行试验。在很短的使用时间内，绳子开始出现变形，从绳股上释放钢丝。释放的钢丝在通过升降系统时发生变形，随后已经变形、磨损和破碎的钢丝断裂。绳索的损坏仅表现在外绳层的外部护套线上（图2）。对绳索的外部检查发现，外绳索外层上的单根钢丝有许多损伤（图3）。网并没有规
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