港口門機“山”字形吊鉤螺桿斷裂原因分析

王斌斌, 王玉明, 張志勤

(首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司, 唐山 063200)

港口門機“山”字形吊鉤螺桿斷裂原因分析

王斌斌, 王玉明, 張志勤

(首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司, 唐山 063200)

某公司碼頭門機使用的DG20鋼吊鉤使用不到1 a(年)即于螺桿處發生徑向斷裂，采用化學成分分析、宏觀分析、掃描電鏡分析、金相檢驗等方法對吊鉤螺桿斷裂原因進行了分析。結果表明：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；現場操作不當使吊鉤螺桿在螺紋根部產生嚴重的單向應力集中，促使該處萌生微裂紋并不斷擴展，最終導致斷裂失效。

門機吊鉤；螺桿；單向彎曲疲勞斷裂；微裂紋；應力集中

門機廣泛用于港口、碼頭的貨物裝卸過程，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，是起重機上廣泛使用的取物裝置，吊鉤的頭部具有直柄并開有螺紋，通過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生不可避免地會造成重大經濟損失甚至人員傷亡[2-3]。2015年，某公司在碼頭裝船作業時，門機“山”字形吊鉤發生了瞬間斷裂，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，即吊鉤承受拉應力最大、強度最弱的位置[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生，筆者對斷裂吊鉤進行了檢驗和分析。

圖1 吊鉤斷裂位置及起吊時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

1.1 化學成分分析

對斷裂吊鉤螺桿部位進行取樣，采用輝光光譜儀進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可見，門機吊鉤的化學成分基本符合GB/T 10051.1-2010《起重吊鉤 第1部分：力學性能、起重量、應力及材料》對DG20鋼成分的技術要求，只有錳元素含量稍微偏高。

1.2 宏觀分析

經現場核實，在吊起鋼卷裝船作業時，為了將前一鋼卷盡量靠里放置，會有一個鋼卷軸向對另一鋼卷軸向的撞擊環節，正好在“山”字形吊鉤的兩側方向上，如圖1所示。

表1 門機吊鉤的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of the portal slewing crane hook (mass fraction) %

斷裂后的門機吊鉤宏觀形貌如圖2所示。

圖2 斷裂門機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

對吊鉤螺桿斷口進行取樣，在切取掃描電鏡(SEM)試樣前，先對斷口進行標記，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”字形吊鉤的兩側分別命名為A側和B側。從圖3可以直觀地看出，斷面大部分區域較光滑，約占整個斷面的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，該區域為疲勞裂紋擴展區。海灘狀條紋收斂于A側邊部，說明該處為疲勞裂紋源，斷面的另一側區域表面較粗糙，有明顯的金屬光澤，約占整個斷面的10%，該區域為最終瞬斷區。

對螺桿的螺紋邊緣進行測量，斷裂后螺紋底部寬度與正常螺紋底部寬度相同，說明斷裂源在螺紋根部，如圖4所示。

圖4 螺紋底部寬度測量Fig.4 Width measurement of the thread bottom

由于在起吊作業時，吊鉤螺桿A側和B側在空中旋轉交替，兩側均可以與鋼卷發生碰撞，仔細觀察在B側第一道螺紋的根部發現了微裂紋，進一步證明了斷裂源位于螺紋根部，如圖5所示。

圖5 B側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

對斷口疲勞裂紋源附近、疲勞裂紋擴展區和瞬斷區分別取樣進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，疲勞裂紋源區有明顯的疲勞擠壓磨損痕跡；疲勞裂紋擴展區可見明顯的疲勞輝紋，見圖6b)；瞬斷區河流花樣[6]明顯，為穿晶解理斷裂。

圖6 斷口不同區域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

在吊鉤螺桿斷口附近分別取橫向和縱向剖面試樣進行金相分析。從圖7可以看出，斷口附近顯微組織為珠光體+鐵素體。B側第一道螺紋的根部微裂紋截面處經金相檢驗沒有發現大型夾雜物，裂紋附近也沒有組織異常情況，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

根據化學成分分析結果，吊鉤螺桿材料基本符合標準要求，除了錳元素含量稍微偏高；金相分析結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；可見吊鉤螺桿材質不是造成其斷裂的原因，同時在微裂紋截面上沒有發現大型夾雜物，說明吊鉤螺桿斷裂亦與夾雜物的誘因無關。

從斷口宏觀形貌來看，門機吊鉤螺桿的斷裂屬應力集中造成的單向彎曲疲勞斷裂。裂紋源到擴展區中心范圍的疲勞弧線已經呈現鐵銹紅色澤，說明該過程經歷了長時間的作用，與新鮮斷口形成鮮明的對比，在斷裂前疲勞裂紋已經擴展，疲勞裂紋源位于疲勞弧線收斂的邊緣，具體位置在“山”字形一側的螺紋根部，與最終瞬斷區在斷口上呈對稱分布。結合現場實際使用情況，在吊裝運轉過程中，吊鉤螺桿主要承受拉伸應力，螺紋根部需要承受較大應力，且是間斷性的，可以認為是低周疲勞應力，另外吊裝轉運過程都會有一個傾斜，產生彎曲應力，尤其是螺紋與螺母交界的位置應力會更加集中，且為了擺放整齊，在裝船時吊裝鋼卷之間會經常性地發生碰撞，更是在與螺母交界的螺紋根部產生了較大的單向應力集中。螺紋根部不斷經受疲勞產生疲勞裂紋，疲勞裂紋不斷擴展，當吊鉤螺桿剩余截面不足以承重時便會發生最終斷裂。

3 結論及建議

吊鉤螺桿斷裂屬于應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期的不當操作造成在斷裂處產生較大的應力集中，在交變的彎曲應力作用下最終造成疲勞斷裂。

鑒于以上分析，建議如下：①在起升貨物的過程中，必須要緩慢起升貨物，不能啟動太快，避免產生沖擊載荷；②經常檢查吊鉤各部位，檢查和維護吊鉤組的結構部件，如發現問題及時處理；③嚴格執行操作要求，避免不規范操作，尤其是起吊重物時應盡量避免橫向撞擊。

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

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

[3] 付欣.港口門機回轉支承裝置的故障分析及預防對策[J].科技與創新,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-物理分冊,2004,40(3):138-141.

[5] 李文成.機械裝備失效分析[M].北京:冶金工業出版社,2008.

[6] 姜錫山,趙晗.鋼鐵顯微斷口速查手冊[M].北京:機械工業出版社,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，主要從事理化檢驗工作，10480259@qq.com

TH213.4

B

1001-4012(2017)06-0442-03