無接頭繩圈破斷性能影響關鍵因素研究

黃山田，劉 超，孟維超，張學福，沈 清，馮 健

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.天津市圣鑫泰鋼繩索具制造有限公司，天津 300453）

0 引言

隨著海上浮吊船吊重能力越來越大，結構物設計重量也水漲船高，目前國內已經能夠造出擁有12000 噸起重能力的浮吊船“振華30”。為了能夠滿足數千噸結構物的吊裝要求，吊裝索具的直徑也變的更粗，對吊裝索具的質量要求也更加嚴格。而無接頭繩圈是海上大型結構物吊裝施工中極為重要的工具，如果出現質量問題，輕則結構物吊裝工期延遲，重則損傷浮吊和被吊物。由于無接頭繩圈生產工藝的難度不高，國內已有許多索具廠家都能夠生產，在天車和叉車等機械的簡單配合下，通?？梢詫崿F人工的手動編織。人工編織的無接頭繩圈容易造成捻距不均勻、松緊程度不一致等情況，如果缺乏有效的質量管理，無接頭繩圈的破斷性能就會出現較大的偏差。

為獲得影響無接頭繩圈破斷性能關鍵因素，海洋石油工程股份有限公司（以下簡稱“海油工程”）與天津市圣鑫泰鋼繩索具制造有限公司（以下簡稱“圣鑫泰”）聯合，通過試驗，研究無接頭繩圈捻距、防腐、疲勞等參數對無接頭繩圈破斷力的影響。本文介紹了無接頭繩圈的結構及使用要求，給出了無接頭繩圈破斷性能試驗的設計方案，并根據試驗結果分析了無接頭繩圈編織、使用、儲存狀況對破斷性能的影響。

1 無接頭繩圈結構及使用要求

無接頭繩圈（見圖1）以1 根鋼絲繩（也稱為“單元繩”）為原料，通過特殊工藝編織纏繞加工而成的一種環形索具。無接頭繩圈區別于其他類型索具，在相同直徑下具有柔軟性好、強度高的顯著特點，被泛應用于大型結構物吊裝。

圖1 無接頭繩圈

由于無接頭繩圈的使用環境和特點，長期使用或存放會出現繩圈表面鋼絲磨損、腐蝕、斷絲、繩股變形以及力學性能下降等情況，故其有著嚴格的采辦、使用、維保、存儲和報廢標準。因此，通過真實的試驗研究無接頭繩圈捻距、防腐、疲勞等參數對無接頭繩圈破斷力的影響是非常必要的。

2 無接頭繩圈性能試驗設計

2.1 驗證不同捻距和抽芯對無接頭繩圈破斷性能的影響

設計一組直徑為90mm，公稱長度為8m 的無接頭繩圈，設計另一組直徑為50mm，公稱長度為6m的無接頭繩圈，每組都編制成4 種不同捻距（捻距倍數分別為7、8、9、10）。然后對繩圈進行靜態拉力試驗（以預定的載荷，對索具或其有代表性的試樣進行拉力試驗，考核索具的靜態力學指標性能）和破斷拉力試驗（以規定的方法，對索具試樣進行拉力試驗，考核索具斷裂時的靜態力學性能）。無接頭繩圈破斷試驗的索具清單及對比處理如表1所示。

表1 無接頭繩圈破斷試驗清單

2.2 驗證不同購置年份和使用次數對無接頭繩圈破斷性能的影響

選擇不同購置年限、不同使用次數的無接頭繩圈，從中取原絲進行鹽霧試驗、彎曲、扭轉、強度和破斷拉力試驗等，研究原絲力學性能的變化情況，再分析對索具整體的影響情況。

海油工程是國內最早使用無接頭繩圈進行結構物海上吊裝的公司，擁有龐大的無接頭繩圈存儲場地，目前庫存有600 余根，最早一批購買的無接頭繩圈已經近15 年，使用次數最多的無接頭繩圈已被用于13 個不同項目，這不包含單個項目內部的連續使用次數。擬進行的無接頭繩圈拆股試驗共選擇12根索具，拆股試驗索具清單如表2所示。

表2 無接頭繩圈拆股試驗索具清單

對其吊點彎曲段和繩圈未作為吊點使用的直線段分別截斷和取絲，并送獨立的第三方公正檢驗機構。試驗內容包括：360°扭轉試驗、180°彎曲試驗、單絲破斷拉力、鹽霧試驗。拆股試驗線材清單見表3。

表3 拆股試驗線材清單

3 無接頭繩圈性能試驗

3.1 無接頭繩圈破斷試驗

3.1.1 無接頭繩圈破斷試驗要求

無接頭繩圈破斷試驗參照國標（GB/T 8358-2014）《鋼絲繩 實際破斷拉力測定方法》進行試驗[1]，試驗室要求具有中國合格評定國家認可委員會（CNAS）認證的試驗室證書。本試驗使用的是圣鑫泰的DYWP-25000電液伺服臥式拉力試驗機，最大拉力值為25000kN，有效拉伸長度45米。拉力精度和位移（變形）測量精度均優于1%。

3.1.2 無接頭繩圈破斷試驗結果：

無接頭繩圈破斷試驗在海油工程和圣鑫泰共同見證下完成，并對每次試驗結果進行記錄，試驗結果記錄見表4。圖2為編號SXT 210123-2的無接頭繩圈拉力試驗現場。

圖2 編號SXT 210123-2的無接頭繩圈拉力試驗

表4 無接頭繩圈破斷試驗記錄表

3.2 無接頭繩圈鋼絲拆股試驗

3.2.1 無接頭繩圈鋼絲拆股試驗要求

試驗室要求具有CNAS認可的試驗室證書。本試驗由南通市產品質量監督檢驗所的國家鋼絲繩產品質量監督檢驗中心完成。無接頭繩圈鋼絲拆股試驗要求參照規范如表5所示[2-5]。

表5 鋼絲拆股試驗要求參照規范

3.2.2 無接頭繩圈鋼絲拆股試驗結果

由于無接頭繩圈鋼絲拆股試驗結果過多，課題組對試驗結果進行歸納和總結，如圖3所示。

圖3 無接頭繩圈鋼絲拆股試驗結果統計表

4 無接頭繩圈試驗結果分析

4.1 無接頭繩圈破斷試驗結果分析

（1）同捻距對無接頭繩圈的破斷拉力值的影響：11組驗證試驗的無接頭繩圈破斷數值都滿足標準最小破斷力的要求；標準捻距的破斷數值是最大的，但破斷數值與捻距不構成規律的線性反比例關系。但為了獲得更高的破斷數值依然要選擇標準捻距（6～7.5倍繩徑）。

（2）抽芯對無接頭繩圈的破斷拉力值的影響：根據目前的試驗結果，破斷數值依然都滿足標準最小破斷力的要求。但從破斷的試驗結果觀察兩組數值反應，一定長度的抽芯與破斷數值大小沒有因果關系。

（3）疲勞對無接頭繩圈的破斷拉力值的影響：疲勞靜載試驗后，無接頭繩圈的破斷值發生了10%以上的下降。可見使用頻率對破斷力的影響還是比較大的，但破斷數值還是保持超出標準最小值的情況。每次對試驗后的繩芯位置情況進行觀察，均未發生變化，也就是有限條件強度下的疲勞使用對芯繩位置不構成影響，只影響最終破斷結果。

4.2 無接頭繩圈鋼絲拆股試驗結果分析

（1）不同存放時間對鋼絲性能的影響（1～40組試驗結果分析）：需剔除偏離項（GW1607004-1 和GW1607004-2 所屬索具試驗前性能較差，6 組數據異常偏離，應予以舍棄）。購置時間超過8 年的鋼絲繩繩圈，鋼絲拉力試驗結果不合格率達到75.8%（33 組總樣本，27 組不合格），說明存放年限主要影響鋼絲的拉力性能（單次試驗最高不合格率最高100%）。

（2）不同使用次數對鋼絲性能的影響（41～80組試驗結果分析）：選擇參與實驗的索具購置時間均超過8 年，鋼絲拉力試驗結果不合格率較高，也印證了不同存放時間對鋼絲性能影響的結論。對比鋼絲彎曲試驗和扭轉試驗兩組數據后，可以發現扭轉試驗結果不合格率較高，達到72.5%（40 組總樣本，29組不合格），而彎曲試驗結果不合格率僅為20%（40組總樣本，8組不合格），說明不同使用次數主要影響鋼絲的扭轉性能（單次試驗不合格率最高100%）。

鋼絲拆股試驗結果表明，存放年限直接影響鋼絲拉力性能，使用次數影響鋼絲扭轉性能。當作為索具最基本結構的鋼絲性能降低后，進而影響無接頭繩圈的整體破斷拉力。

5 結語

本文根據無接頭繩圈破斷性能試驗情況，分析了出各環節對繩圈破斷性能的影響因素，并獲得了關鍵參數，為無接頭繩圈使用、維護、存儲與報廢提供了指導和參考。

（1）使用相同單元繩編織的無接頭繩圈，自身破斷性能只受編織旋轉損失系數影響，與捻距大小和抽芯長短關系不大。但捻距過大的索具結構緊實度不足，易發生股繩松散的情況；而抽芯達到一定長度后，無接頭繩圈股繩會塌陷，造成繩圈結構變形；同時捻距過大和抽芯過長會造成無接頭繩圈股繩之間受力不均，降低繩圈的破斷性能。為提高無接頭繩圈的整體破斷性能，可以使用穩定高效的編織機械來編織無接頭繩圈，使用機械編織的繩圈整體緊湊、捻距均勻，可有效消除人工編織造成的不確定因素。

（2）多次使用或購置時間較長的無接頭繩圈，其破斷性能會有一定程度下降。多次使用的無接頭繩圈，鋼絲扭轉性能降低較多；購置時間較長的無接頭繩圈，鋼絲拉力性能降低較多。對于無法驗證整體破斷性能的無接頭繩圈，為提高使用的安全性，需要經過嚴格的外觀檢驗和靜態拉力試驗。