某型翻轉吊具索節裂紋原因分析及工藝改進

王義軍 陳 旭 張志斌 付 強 張 濤

海南省三亞市91515 部隊 三亞 572000

0 引言

起重吊裝作業中，吊索具起到了非常重要的作用，關系到吊裝作業的安全性。翻轉吊具可實現大型圓柱件從水平狀態翻轉為垂直狀態，實現與地面深井對接吊裝件。使用單位在對某批次新品探傷檢查時發現主/副索具的開式索節表面存在裂紋的情況，如圖1 所示。

圖1 吊具裂紋圖

本文針對探傷中出現的裂紋問題，采用故障樹分析法[1]，通過查閱相關技術資料和生產工藝標準，從設計、加工、裝配、使用等方面深入剖析，建立了以索節裂紋為頂事件的故障樹；采用自底向上的方法，結合故障機理分析，對故障樹底事件逐一分析、排查，定位故障原因，為后續翻轉吊具加工提供了改進的措施，有效地解決了索具裂紋的問題[2]。

1 故障樹建立

1.1 翻轉吊具

改型翻轉吊具為專用吊索具，分為主副2 個部分，彼此獨立，2 部分結構相似，尺寸不同。主副吊具主要由長方箱形吊梁、吊耳、叉架、銷軸、拉板、索具、連接耳等組成。

其組成及結構為：主索具組成，φ52 mm×5.3 m 鋼絲繩+ 開式索節52 mm；副索具組成，φ40 mm×13.27 m 鋼絲繩+開式索節40 mm。

索具技術要求：1）鋼絲繩在編結前需進行340 000 N 載荷預拉伸；2）340 000 N 載荷分別作用于2 根索節上，持續30 min，鋼絲繩不允許斷絲以及因接頭處不牢固而產生明顯的變形，卸載后量其伸長量，2 根之差不得超過±5 mm；3）試驗完畢對開式澆鑄接頭和焊縫處進行磁力探傷檢查，不允許有裂紋。

1.2 索具裂紋故障樹建立

故障樹圖是一種性質十分特殊的倒立式樹狀邏輯因果關系圖，主要通過事件符號、邏輯門符號和轉移符號表述故障事件之間的因果關系。故障樹分析法是把要分析的目標作為故障樹的頂事件，以方框符號表示；經分析找出導致頂事件發生的所有直接原因，作為中間事件，以方框符號表示；作為邏輯門輸入信號，將邏輯門輸出信號與頂事件相連接形成因果關系，再跟蹤找出導致每個中間事件發生的所有直接原因作為下一級中間事件，用邏輯門與上一級中間事件連接；以此程序追溯到導致組成系統所有部件故障發生的全部直接原因，作為故障樹的底事件，以圓形符號表示，用邏輯門與上一級中間事件相連接，最終形成倒置的樹狀邏輯圖[3，4]。根據索節生產工藝流程表1 建立圖2 所示索具裂紋故障樹。

表1 索節工藝流程

圖2 開式索節裂紋故障樹

2 故障樹分析

圖2 故障樹中列出了可能造成索具裂紋的原因即底事件X1 ～X9，對開式索節裂紋取樣（1 號、2 號試樣）進行機理分析，結合機理分析結果，對所有底事件進行逐一分析和排查，找到索具裂紋產生的原因。

2.1 設計余量不足

查閱產品技術資料，該翻轉吊具52 mm 開式索節為55 t、使用載荷為27.8 t，40 mm 開式索節設計載荷為34 t、使用載荷為17 t。根據索節結構，2 種索節均選取索節最小部位計算破斷拉力為：1）52 mm 開式索節破斷拉力：吊耳處412.36 t、腰部597.35 t；2）40 mm 開式索節破斷拉力：吊耳處298.97 t、腰部369.07 t。

根據使用載荷數值和破斷拉力，得到52 mm 開式索節的安全系數為14.83 倍，40 mm 開式索節的安全系數為17.58 倍，2 開式索節的安全系數均大于10 倍。故可排除設計強度不足的因素。

2.2 材料缺陷

設計圖紙要求材質為35CrMo，依據合金結構鋼標準[5]，化學成分表如表2 所示。

表2 35CrMo 化學成分表 %

根據開式索節表面線性痕跡分析報告，材料成分與35CrMo 相符，基體化學成分能譜圖如圖3 所示，未見異常，故可排除原材料故障。

圖3 基體化學成分能譜圖

2.3 鍛造余量不足

鍛造工藝流程為：1）棒料裝爐預熱，預熱區的溫度為475℃±25℃；2）棒料送至天然氣爐加熱，加熱時間為1 h，加熱區域設定溫度為1 150℃～1 120℃；3）加熱后用機械手把棒料放在鍛壓機工作臺開始鍛造。

鍛造工藝要求：1）鍛造過程工件溫度不得低于800℃，如果低于該溫度，必須停止鍛打，需重新進爐按工藝流程鍛打，合計加熱次數不得超過2 次；2）鍛造整個過程中必須確保無過燒，無低溫鍛打，無斷痕；3）鍛造時鍛造比必須大于等于3；4）開式索節鍛造尺寸單邊加工留量5 ～8 mm，鍛造缺陷允許達到實有加工余量的1/2。

檢查發現開式索節裂紋兩側均發現脫碳現象，且裂紋尖角圓鈍，該種裂紋為褶皺，從形態及脫碳現象判斷，褶皺底部未見擴展，該裂紋為鍛造過程中形成的褶皺類缺陷。進一步對試樣痕跡剖面組織形貌分析，1 號樣品線性痕跡剖面呈30°的裂紋形態，裂紋深約70 μm、底部圓滑、兩側存在明顯的脫碳現象；2 號樣品線性痕跡剖面與1 號樣品痕跡剖面形態相似，均為斜裂紋、呈45°，裂紋長約40 μm、底部圓滑、兩側存在明顯的脫碳現象。

由于在自由鍛溫度變化較大的情況下易產生褶皺；褶皺或折疊是鍛造過程中最易產生的缺陷，在鍛造過程中很難避免。由于計算鍛造下料的材料毛坯尺寸偏小，致使在鍛造中遺留了少量的表面缺陷（如凹坑，折疊、皺褶等），在后續加工中沒有被完全去除，遺留在產品中，此為產生裂紋的主要原因。

2.4 機加工

工藝路線為：銑四面→鉆孔→鋸開口→車錐面及錐孔→氣割圓弧。

檢查發現開式索節局部存在過熱組織，經排查機械加工工藝及加工過程，發現在氣割圓弧過程中氣割溫度過高，導致組織出現過熱現象；進一步對痕跡截取試樣進行金相分析，將試樣進行磨拋后對內部非金屬夾雜物進行評價，浸蝕后觀察基體組織，2 個試樣內部的非金屬夾雜均小于1 級，但存在多處小疏松缺陷；基體的組織為索氏體組織，局部存在過熱組織，如圖4、圖5 所示。由于毛坯預留加工量偏小，導致鍛造褶皺沒有完全去除，遺留在產品中，此為產生裂紋的次要原因。

圖4 基體疏松形貌

圖5 基體組織形貌

2.5 熱處理

熱處理工藝為：零件裝筐平放，保持間隙→淬火溫度為860 ℃±10 ℃，保溫時間90 ～120 min，采用臺車箱式電阻爐，每爐8 件，油冷→回火溫度為540 ℃±20 ℃，保溫時間150 ～180 min。采用臺車箱式電阻爐，每爐8 件，空冷→硬度要求為HRC32 ～HRC36，抽取1 件進行硬度檢查，滿足圖紙要求→外觀100%檢查，無肉眼可見裂紋。

對1 號金相試樣進行顯微硬度測試(HV0.2)，結果為332、313、312、313、353（平均325），換算為洛氏硬度約為HRC32，符合設計要求。

通過金相分析和硬度測試得出，基體組織為索氏體組織，硬度符合圖紙要求，經排查，熱處理工藝及生產過程記錄未發現異常。故可以排除熱處理故障。

2.6 探傷時機不合理

檢查發現索節存在5 處形態相似的線性痕跡，將其中的2 處分解后進行形貌觀察。采用線切割方法將痕跡所在區域分解，分解后樣品的宏觀形貌如圖6 所示，2個樣品表面均存在明顯的打磨痕跡，僅邊緣區域可見原始的噴丸特征，表面中部區域可見弧線性的痕跡，長度在10 ～15 mm，1 號線性痕跡附近存在寬而深的機械損傷。微觀觀察結果表明痕跡區域可見裂紋缺陷，并可見明顯的打磨痕跡，邊緣未打磨區域呈噴丸形貌，如圖7 所示。

圖6 樣品表面痕跡的宏觀形貌圖

圖7 表面痕跡微觀裂紋及噴丸形貌

該吊具在制造過程中采取磁粉探傷檢查表面裂紋，但由于磁粉探傷是在熱處理前進行的，在表面不易發現裂紋，存在探傷時機不恰當問題，加之機加工拋丸工序和鍍鋅掩蓋了細裂紋的存在，影響了出廠磁粉探傷的檢測結果。鍛造產生的應力隨著時間推移逐步釋放，在索節的表面顯現出裂紋。

2.7 表面處理

開式索節表面處理工序為電鍍鋅，電鍍鋅工藝路線為脫脂→清洗→電鍍，電鍍槽鍍液溫度為160 ～380℃，由于該工序作業溫度較低，不會產生裂紋問題。故可排除表面處理造成產品出現裂紋缺陷。

2.8 裝配不符合要求

開式索節澆鑄工藝：1）檢查鋼繩規格長度和索節規格；2）頭部用細鉛絲扎緊，不得松懈；3）澆鑄過程中索節中鋼絲繩必須完全散頭；4）完全清洗鋼絲繩上的油脂；5）注意固定索具位置，使索具和鋼絲繩軸線處于同一垂直位置，用火泥和膠布在索節底口處封閉；6）合金澆鑄索節預熱溫度是300℃±20℃；7）鋅基合金用電爐加熱至500℃±5℃熔化后，再均勻澆入加熱后的索節直至澆滿冷卻；8）必須在索節底口鋼絲繩根部復涂上油脂，并要求用戶定期進行檢查涂油。

生產過程嚴格按照工藝要求執行，索節與鋼絲繩的澆鑄溫度為300℃±20℃，作業溫度較低，不會產生裂紋問題，故可排除索節裝配過程造成裂紋缺陷的因素。

2.9 超載使用

經調查，開式索節設計載荷要求52 mm 開式索節為55 t，40 mm 開式索節為34 t。實際使用過程中52 mm 開式索節承載小于27.8 t，40 mm 開式索節小于17 t，使用過程未超出額定載荷。故可排除使用過程超載作業造成裂紋的因素。

2.10 原因分析

通過對9 個底事件的逐一分析可得出，開式索節表面線性痕跡為鍛造過程中形成的褶皺類缺陷殘留，在后續的使用過程中褶皺未發生擴展，該褶皺是在鍛造過程中產生的。由于索節采用自由鍛，鍛造終鍛溫度800℃偏低，易造成鍛料表層產生褶皺，且下料毛坯尺寸偏小、加工余量小，形成的表面褶皺等缺陷在后續加工中無法被去除，遺留在產品中。在切割工序中，由于采用氣割加工方式造成局部過熱，導致褶皺的進一步脫碳和擴展，鍛造的應力隨著時間推移逐步釋放，在索節的表面顯現出裂紋。由于磁粉探傷在熱處理前進行，機加工拋丸工序和鍍鋅掩蓋了細裂紋的存在，不易發現切割表面的裂紋，探傷時機存在不恰當的問題。

綜上所述，鍛造產生的應力、終鍛溫度偏低、鍛造毛坯尺寸小、加工余量小、探傷時機不恰當，產品出廠前開式索節由于拋丸工序和鍍鋅層影響了磁粉探傷的檢測結果，這是導致產品出現裂紋問題的原因。此外，采用相同的故障定位方法對另外2 批次問題索節進行磁粉探傷，發現索節同樣出現表面裂紋，故障機理一致。

3 采取的改進措施

通過對索具裂紋故障樹分析和取樣機理分析，排查得到了裂紋產生的原因，并制定了相應的改進措施，以提高產品合格率。

1）原材料復驗 增加原材料入廠復驗要求，從源頭進行質量控制，避免缺陷流入下游工序。原材料入廠需有原材料材質報告，入廠需進行化學成分和力學性能檢測，并按照GJB 1508A—2004《變形金屬超聲檢驗方法》的規定進行超聲探傷，不允許存在裂紋、夾雜等缺陷，合格后方可入庫，同時保存料頭以便追溯。

2）優化鍛造工藝 優化鍛造工藝，鍛造終鍛溫度由800℃改為850℃；將自由鍛毛坯尺寸加大，增加加工余量，加工余量由原來的單邊5 ～8 mm 加大至10 ～14 mm；并對鍛造后的坯料進行超聲探傷，確保鍛料無鍛造缺陷。

3）改善加工工藝 工藝路線修改為：劃線→銑四方→鉆中心孔→粗車外圓→鉆孔→粗銑外形→熱處理→銑四面→精車錐度→擴孔→銑外形→銑絲槽→探傷。由原來的氣割圓弧工藝改為銑削圓弧加工工藝，避免出現局部過熱現象而導致的裂紋產生與擴展；將磁粉探傷工序由熱處理前調整至精加工全部完成后進行。通過調整，保證了機加工和熱處理過程無缺陷產生，更有效地控制產品的質量。

4 結論

本文針對某型翻轉吊具索節裂紋故障，采用故障樹分析方法和索節裂紋試樣機理分析，通過故障樹建立、底事件分析排查，準確有效地對故障進行了定位，確定了造成該批次吊索具裂紋的原因。根據裂紋原因，制定了加強原材料入廠復驗要求、優化鍛造工藝、改善加工工藝等措施有效地解決索具裂紋問題，為解決同類問題提供了思路和方法。