无接头绳圈破断性能影响关键因素研究

黄山田，刘 超，孟维超，张学福，沈 清，冯 健

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

0 引言

随着海上浮吊船吊重能力越来越大，结构物设计重量也水涨船高，目前国内已经能够造出拥有12000 吨起重能力的浮吊船“振华30”。为了能够满足数千吨结构物的吊装要求，吊装索具的直径也变的更粗，对吊装索具的质量要求也更加严格。而无接头绳圈是海上大型结构物吊装施工中极为重要的工具，如果出现质量问题，轻则结构物吊装工期延迟，重则损伤浮吊和被吊物。由于无接头绳圈生产工艺的难度不高，国内已有许多索具厂家都能够生产，在天车和叉车等机械的简单配合下，通常可以实现人工的手动编织。人工编织的无接头绳圈容易造成捻距不均匀、松紧程度不一致等情况，如果缺乏有效的质量管理，无接头绳圈的破断性能就会出现较大的偏差。

为获得影响无接头绳圈破断性能关键因素，海洋石油工程股份有限公司（以下简称“海油工程”）与天津市圣鑫泰钢绳索具制造有限公司（以下简称“圣鑫泰”）联合，通过试验，研究无接头绳圈捻距、防腐、疲劳等参数对无接头绳圈破断力的影响。本文介绍了无接头绳圈的结构及使用要求，给出了无接头绳圈破断性能试验的设计方案，并根据试验结果分析了无接头绳圈编织、使用、储存状况对破断性能的影响。

1 无接头绳圈结构及使用要求

无接头绳圈（见图1）以1 根钢丝绳（也称为“单元绳”）为原料，通过特殊工艺编织缠绕加工而成的一种环形索具。无接头绳圈区别于其他类型索具，在相同直径下具有柔软性好、强度高的显著特点，被泛应用于大型结构物吊装。

图1 无接头绳圈

由于无接头绳圈的使用环境和特点，长期使用或存放会出现绳圈表面钢丝磨损、腐蚀、断丝、绳股变形以及力学性能下降等情况，故其有着严格的采办、使用、维保、存储和报废标准。因此，通过真实的试验研究无接头绳圈捻距、防腐、疲劳等参数对无接头绳圈破断力的影响是非常必要的。

2 无接头绳圈性能试验设计

2.1 验证不同捻距和抽芯对无接头绳圈破断性能的影响

设计一组直径为90mm，公称长度为8m 的无接头绳圈，设计另一组直径为50mm，公称长度为6m的无接头绳圈，每组都编制成4 种不同捻距（捻距倍数分别为7、8、9、10）。然后对绳圈进行静态拉力试验（以预定的载荷，对索具或其有代表性的试样进行拉力试验，考核索具的静态力学指标性能）和破断拉力试验（以规定的方法，对索具试样进行拉力试验，考核索具断裂时的静态力学性能）。无接头绳圈破断试验的索具清单及对比处理如表1所示。

表1 无接头绳圈破断试验清单

2.2 验证不同购置年份和使用次数对无接头绳圈破断性能的影响

选择不同购置年限、不同使用次数的无接头绳圈，从中取原丝进行盐雾试验、弯曲、扭转、强度和破断拉力试验等，研究原丝力学性能的变化情况，再分析对索具整体的影响情况。

海油工程是国内最早使用无接头绳圈进行结构物海上吊装的公司，拥有庞大的无接头绳圈存储场地，目前库存有600 余根，最早一批购买的无接头绳圈已经近15 年，使用次数最多的无接头绳圈已被用于13 个不同项目，这不包含单个项目内部的连续使用次数。拟进行的无接头绳圈拆股试验共选择12根索具，拆股试验索具清单如表2所示。

表2 无接头绳圈拆股试验索具清单

对其吊点弯曲段和绳圈未作为吊点使用的直线段分别截断和取丝，并送独立的第三方公正检验机构。试验内容包括：360°扭转试验、180°弯曲试验、单丝破断拉力、盐雾试验。拆股试验线材清单见表3。

表3 拆股试验线材清单

3 无接头绳圈性能试验

3.1 无接头绳圈破断试验

3.1.1 无接头绳圈破断试验要求

无接头绳圈破断试验参照国标（GB/T 8358-2014）《钢丝绳 实际破断拉力测定方法》进行试验[1]，试验室要求具有中国合格评定国家认可委员会（CNAS）认证的试验室证书。本试验使用的是圣鑫泰的DYWP-25000电液伺服卧式拉力试验机，最大拉力值为25000kN，有效拉伸长度45米。拉力精度和位移（变形）测量精度均优于1%。

3.1.2 无接头绳圈破断试验结果：

无接头绳圈破断试验在海油工程和圣鑫泰共同见证下完成，并对每次试验结果进行记录，试验结果记录见表4。图2为编号SXT 210123-2的无接头绳圈拉力试验现场。

图2 编号SXT 210123-2的无接头绳圈拉力试验

表4 无接头绳圈破断试验记录表

3.2 无接头绳圈钢丝拆股试验

3.2.1 无接头绳圈钢丝拆股试验要求

试验室要求具有CNAS认可的试验室证书。本试验由南通市产品质量监督检验所的国家钢丝绳产品质量监督检验中心完成。无接头绳圈钢丝拆股试验要求参照规范如表5所示[2-5]。

表5 钢丝拆股试验要求参照规范

3.2.2 无接头绳圈钢丝拆股试验结果

由于无接头绳圈钢丝拆股试验结果过多，课题组对试验结果进行归纳和总结，如图3所示。

图3 无接头绳圈钢丝拆股试验结果统计表

4 无接头绳圈试验结果分析

4.1 无接头绳圈破断试验结果分析

（1）同捻距对无接头绳圈的破断拉力值的影响：11组验证试验的无接头绳圈破断数值都满足标准最小破断力的要求；标准捻距的破断数值是最大的，但破断数值与捻距不构成规律的线性反比例关系。但为了获得更高的破断数值依然要选择标准捻距（6～7.5倍绳径）。

（2）抽芯对无接头绳圈的破断拉力值的影响：根据目前的试验结果，破断数值依然都满足标准最小破断力的要求。但从破断的试验结果观察两组数值反应，一定长度的抽芯与破断数值大小没有因果关系。

（3）疲劳对无接头绳圈的破断拉力值的影响：疲劳静载试验后，无接头绳圈的破断值发生了10%以上的下降。可见使用频率对破断力的影响还是比较大的，但破断数值还是保持超出标准最小值的情况。每次对试验后的绳芯位置情况进行观察，均未发生变化，也就是有限条件强度下的疲劳使用对芯绳位置不构成影响，只影响最终破断结果。

4.2 无接头绳圈钢丝拆股试验结果分析

（1）不同存放时间对钢丝性能的影响（1～40组试验结果分析）：需剔除偏离项（GW1607004-1 和GW1607004-2 所属索具试验前性能较差，6 组数据异常偏离，应予以舍弃）。购置时间超过8 年的钢丝绳绳圈，钢丝拉力试验结果不合格率达到75.8%（33 组总样本，27 组不合格），说明存放年限主要影响钢丝的拉力性能（单次试验最高不合格率最高100%）。

（2）不同使用次数对钢丝性能的影响（41～80组试验结果分析）：选择参与实验的索具购置时间均超过8 年，钢丝拉力试验结果不合格率较高，也印证了不同存放时间对钢丝性能影响的结论。对比钢丝弯曲试验和扭转试验两组数据后，可以发现扭转试验结果不合格率较高，达到72.5%（40 组总样本，29组不合格），而弯曲试验结果不合格率仅为20%（40组总样本，8组不合格），说明不同使用次数主要影响钢丝的扭转性能（单次试验不合格率最高100%）。

钢丝拆股试验结果表明，存放年限直接影响钢丝拉力性能，使用次数影响钢丝扭转性能。当作为索具最基本结构的钢丝性能降低后，进而影响无接头绳圈的整体破断拉力。

5 结语

本文根据无接头绳圈破断性能试验情况，分析了出各环节对绳圈破断性能的影响因素，并获得了关键参数，为无接头绳圈使用、维护、存储与报废提供了指导和参考。

（1）使用相同单元绳编织的无接头绳圈，自身破断性能只受编织旋转损失系数影响，与捻距大小和抽芯长短关系不大。但捻距过大的索具结构紧实度不足，易发生股绳松散的情况；而抽芯达到一定长度后，无接头绳圈股绳会塌陷，造成绳圈结构变形；同时捻距过大和抽芯过长会造成无接头绳圈股绳之间受力不均，降低绳圈的破断性能。为提高无接头绳圈的整体破断性能，可以使用稳定高效的编织机械来编织无接头绳圈，使用机械编织的绳圈整体紧凑、捻距均匀，可有效消除人工编织造成的不确定因素。

（2）多次使用或购置时间较长的无接头绳圈，其破断性能会有一定程度下降。多次使用的无接头绳圈，钢丝扭转性能降低较多；购置时间较长的无接头绳圈，钢丝拉力性能降低较多。对于无法验证整体破断性能的无接头绳圈，为提高使用的安全性，需要经过严格的外观检验和静态拉力试验。