The influence of operational factors on the strength characteristics of steel cables
The influence of operational factors on the strength characteristics of steel cables
Abstract
Steel cables used in hoisting mechanisms operating in corrosive environments are prone to premature failure, which poses a threat to industrial safety. Acidic environments, which can trigger hydrogen embrittlement processes, present a particular danger. To determine the causes of premature failure of galvanised steel cables on a hot dip galvanising line and to develop recommendations for improving their durability, macro- and microstructural examinations, elemental analysis using a scanning electron microscope (SEM), mechanical tests for tensile strength and three-point bending, as well as corrosion tests in hydrochloric acid with and without inhibitors. It was established that the failure of the wire cable was caused by the combined effect of operational factors. Virtually complete abrasion of the zinc coating and signs of fretting corrosion were identified. Mechanical tests showed a critical reduction in the strength of the failed rope by 58% and a three-fold reduction in cyclic bending endurance, indicating hydrogen embrittlement. Corrosion tests confirmed the high effectiveness of the urotropine inhibitor. It has been shown that the main cause of failure is hydrogen embrittlement caused by the exposure of zinc-free steel to hydrochloric acid vapours. To extend the service life of the cables, it is recommended that urotropine-based corrosion inhibitors be used and that a system of regular instrumental monitoring be introduced.
1. Введение
Стальные канаты являются ключевым элементом грузоподъёмных механизмов, от надёжности которого зависит безопасность и бесперебойность технологических процессов в таких отраслях, как горнодобывающая промышленность, строительство и металлургия . Особенно тяжёлые условия эксплуатации характерны для производств, связанных с агрессивными средами . На линиях горячего цинкования оборудование постоянно подвергается комплексному воздействию механических нагрузок, абразивного износа и паров кислот, что приводит к преждевременному выходу канатов из строя . Анализ механизмов деградации стальных канатов в горной промышленности показывает, что наиболее опасными являются комбинированные виды износа, сочетающие механические и коррозионные факторы .
К традиционным деградационным процессам, ограничивающим ресурс стальных канатов, относятся механический износ и усталость . Однако в современных производственных реалиях, особенно в кислотных средах, на первый план выходят более сложные и опасные явления. Современные исследования показывают, что коррозионная агрессивность технологических атмосфер требует применения усовершенствованных моделей прогнозирования, учитывающих специфические климатические и химические параметры . Комплексный подход к оценке коррозионной стойкости, включающий как лабораторные, так и натурные испытания, демонстрирует необходимость моделирования реальных условий для всесторонней оценки сопротивления материалов . Исследования обрыва внутренних проволочек стального каната подчёркивают важность разработки комплексных программ диагностики для обеспечения безопасности работы шахтных подъёмных установок .
Важнейшим фактором риска является фреттинг-коррозия, вызванная микросмещениями проволок друг относительно друга, которая способна инициировать процесс усталостного разрушения . Новейшие работы в данной области подчеркивают, что для точного прогнозирования долговечности необходим комплексный подход, сочетающий аналитические и численные методы с экспериментальными данными по фреттингу-износу с учётом таких факторов, как смазка, температура и влажность , . Вероятностные характеристики оценки прочности и ресурса стальных канатов, полученные на основании данных магнитной дефектоскопии, позволяют разрабатывать более точные методики оценки остаточного ресурса .
Для оборудования, работающего в кислотных средах, особую опасность представляет водородное охрупчивание — процесс, приводящий к резкому снижению пластичности и прочности металла , . Актуальность этой проблемы подтверждается современной нормативной базой, регламентирующей требования к материалам, стойким к растрескиванию в агрессивных средах, содержащих сероводород . Влияние параметров поверхностной обработки на водородное охрупчивание стальных крепёжных изделий демонстрирует, что процессы гальванопокрытия чистым цинком являются наиболее склонными к вызыванию внутреннего водородного охрупчивания .
Вопросы диагностики состояния канатов также эволюционируют. Если традиционным способом контроля остаётся визуальный осмотр , то современные экспериментальные исследования процесса разрыва проволоки подтверждают, что для оценки безопасности критически важны точные параметры натяжения и упругого удлинения, а использование различных типов проволок позволяет усовершенствовать методы контроля , . Обзор и анализ современных средств контроля натяжения стальных канатов указывает на отсутствие надёжных автоматизированных систем мониторинга натяжения канатов в процессе эксплуатации шахтных подъёмных установок , .
Таким образом, несмотря на существующие исследования в области коррозии и износа канатов, влияние конкретной эксплуатационной среды — концентрированных паров соляной кислоты — на комплексное ухудшение их механических характеристик, особенно с позиции современных данных, изучено недостаточно.
Целью настоящей работы является установление причин преждевременного разрушения стального каната грузоподъёмного механизма, работающего в зоне травления линии горячего цинкования, с использованием комплекса современных методов анализа и разработка практических рекомендаций по повышению его долговечности.
2. Материалы и методы
Объекты исследования: исследовались фрагменты стальных оцинкованных канатов (марка стали У8 по ГОСТ 1435-99) грузоподъёмного механизма линии горячего цинкования. Использовались два типа образцов: канат, подвергшийся разрушению в процессе эксплуатации (через 2 месяца работы), и целый канат для сравнительного анализа. Условия эксплуатации: воздействие паров 30% соляной кислоты при температуре 40°C, нагрузка 10 т.
3. Методики исследований
Макро- и микроструктурный анализ проводился с использованием цифрового и оптического микроскопов (Axiovert 40 MAT) для оценки состояния поверхности и поперечного сечения проволок, выявления дефектов и коррозионных повреждений.
Элементный анализ поверхности выполнялся на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) TESCAN VEGA SB с энергодисперсионным спектрометром OXFORD INCA x-act для определения химического состава поверхности и выявления зон коррозии.
Механические испытания. Испытания на растяжение проводились на универсальных испытательных машинах TIRAtest 2800 и Tinius Olsen для определения предела прочности целого и разрушенного канатов, а также их элементов (прядей и проволок). Испытания на перегиб проводились на приборе НГ 1–2 для определения количества циклов перегиба до разрушения проволок внешней оплётки.
Коррозионные испытания. Образцы проволок погружались в 30%-ный (масс.) раствор соляной кислоты без ингибитора и с добавлением ингибиторов (2% масс. уротропина и 2% масс. тиомочевины) в режиме циклического погружения (10 мин в растворе / 5 мин на воздухе, 6 циклов). По потере массы образцов рассчитывался отрицательный весовой показатель коррозии (K-вес) и эффективность ингибитора (Z).
4. Результаты и их обсуждение
В результате аварии на линии горячего цинкования над ванной с соляной кислотой для травления изделий произошёл обрыв в месте крепления траверсы, несущей цинкуемые изделия, одного из двух стальных канатов. Данные канаты удерживают траверсу только над ванной с кислотой, над остальными ваннами траверсу удерживают другие канаты из-за особенностей конструкции мостового крана, используемого на производстве. По этой причине корректно говорить о воздействии на канаты именно паров соляной кислоты, а не веществ, содержащихся в других ваннах на линии цинкования.
Образцы были отобраны из нерабочей зоны каната (намотана на барабан) и из рабочей зоны на расстоянии 10 м, 6 м и 2 м от крепления траверсы с подвергшегося разрушению и с целого канатов. Схема крепления траверсы и фотография процесса подготовки изделий к цинкованию на предприятии приведены на рисунке 1 (для удобства сопоставления схемы крепления и фотографии линия потолка расположена на одном уровне).
Место отбора образцов для исследования:
а) схема крепления траверсы; б) фотография процесса подготовки изделий к цинкованию
Микроструктурный и элементный анализ
Макросъёмка образцов на различном расстоянии от крепления траверсы представлена на рисунке 2. Здесь и далее в работе: канат 1 и канат 2 — не подвергшиеся разрушению канаты, т.е. целые.
Макросъёмка образцов:
а) канат 1, нерабочая зона у барабана; б) канат 2, нерабочая зона у барабана; в) канат, подвергшийся разрушению, нерабочая зона у барабана; г) канат 1, 10 м от крепления, рабочая зона; д) канат 2, 10 м от крепления, рабочая зона; е) канат, подвергшийся разрушению, 10 м от крепления, рабочая зона; ж) канат 1, 6 м от крепления, рабочая зона; з) канат 2, 6 м от крепления, рабочая зона; и) канат, подвергшийся разрушению, 6 м от крепления, рабочая зона; к) канат 1, 2 м от крепления, рабочая зона; л) канат 2,2 м от крепления, рабочая зона; м) канат, подвергшийся разрушению, 2 м от крепления, рабочая зона
Микросъёмка образцов (увеличение Х50):
а), б), в) канат 1; г), д), е) канат 2; ж), з), и) канат, подвергшийся разрушению
Данные элементного анализа (табл. 1) подтвердили, что в рабочей зоне (вблизи крепления траверсы) цинковое покрытие практически полностью утрачено (содержание Zn снизилось с ~95% до ~1%), а поверхность сильно окислена (высокое содержание кислорода). Это свидетельствует об интенсивном воздействии агрессивной среды и механическом износе, ставших причиной обнажения стальной основы и её последующей коррозии.
Результаты элементного анализа поверхности проволок
Канат 1. Поверхность проволоки образца, 2 м от крепления траверсы | |||||||
Спектр | O, % масс. | Si, % масс. | Cl, % масс. | Mn, % масс. | Fe, % масс. | Zn, % масс. | Итог, % масс. |
Спектр 1 | 10,51 | - | 1,06 | 0,54 | 87,17 | 0,73 | 100,00 |
Спектр 2 | 21,49 | 0,52 | 2,62 | 0,48 | 70,90 | 3,99 | 100,00 |
Канат 2. Поверхность проволоки образца, 2 м от крепления траверсы | |||||||
Спектр 1 | 11,06 | 0,39 | 1,22 | 0,61 | 85,81 | 0,92 | 100,00 |
Спектр 2 | 9,40 | - | 1,00 | 0,67 | 87,86 | 1,07 | 100,00 |
Канат 2. Поверхность проволоки, нерабочая зона | |||||||
Спектр 1 | 2,42 | - | - | - | 2,56 | 95,02 | 100,00 |
Спектр 2 | 5,15 | - | - | - | 1,87 | 92,98 | 100,00 |
Оценка износа
Расчёт степени износа косвенным методом по РД РОСЭК 012-97 [6] показал, что износ целого каната составил 10%, в то время как разрушенного — 30%. Хотя оба значения формально допускают эксплуатацию, 30%-ный износ свидетельствует о значительной деградации материала.
Механические испытания
Результаты механических испытаний выявили сильное ухудшение свойств разрушенного каната.
Испытания на растяжение показали снижение предела прочности:
- для каната в целом: на 58% (с 5766 МПа до 2416 МПа),
- для пряди: на 70% (с 1933 МПа до 568 МПа),
- для отдельной проволоки: на 40% (с 1610 МПа до 955 МПа).
Испытания на перегиб показали, что проволоки разрушенного каната выдерживают в 3 раза меньше циклов до разрушения по сравнению с целыми (9 циклов против 27).
Такое резкое падение как прочности, так и пластичности (циклической стойкости) наряду с признаками механического истирания и коррозии свидетельствует о комплексном характере деградации материала, включая вероятный вклад водородного охрупчивания. Атомарный водород, выделяющийся при коррозионной реакции стали с соляной кислотой, диффундирует в металл, снижая его способность к пластической деформации и приводя к хрупкому разрушению.
Коррозионные испытания
Для оценки возможности защиты канатов были проведены коррозионные испытания с ингибиторами.
Результаты (табл. 2) демонстрируют высокую эффективность обоих ингибиторов, особенно уротропина, который снизил скорость коррозии более чем в 6 раз. Это открывает практический путь для продления срока службы канатов путём применения защитных смазок на его основе.
Эффективность ингибиторов коррозии
Раствор электролита | Средний отрицательный весовой показатель коррозии K-вес, г/м2·ч | Эффективность ингибитора, Z, % |
HCl (с = 30% масс., m = 60 г) | -239,1975 | 0,00 |
HCl и уротропин (с = 2% масс.) | -34,5743 | 88,55 |
HCl и тиомочевина (с = 2% масс.) | -64,7386 | 72,94 |
Образцы-свидетели | 0,0000 | 0,00 |
5. Заключение
По результатам комплексного исследования установлены причины преждевременного разрушения стального каната в линии горячего цинкования:
1. Разрушение каната вызвано комплексом факторов: механическим истиранием проволок, коррозионным воздействием паров соляной кислоты и водородным охрупчиванием стали У8. На это указывает резкое снижение пластичности (в 3 раза) и прочности (на 58%) в сочетании с признаками фреттинг-коррозии и потерей цинкового покрытия.
2. Разрушению способствовало истирание цинкового гальванического покрытия в зоне крепления, что привело к обнажению стали и непосредственному контакту с агрессивной средой. Элементный анализ показал снижение содержания цинка на поверхности с 95% до 1%.
3. Внутренние повреждения каната характерны для фреттинг-коррозии, усугубляющей процесс деградации.
4. Подтверждена высокая эффективность ингибитора коррозии на основе уротропина (85,55%) в среде 30% соляной кислоты.
Практические рекомендации:
– для защиты канатов рекомендовано применение защитных смазок, содержащих ингибитор уротропин,
– необходимо внедрить систему регулярного инструментального контроля (например, магнитную дефектоскопию) для мониторинга состояния канатов, выходящего за рамки визуального осмотра,
– рассмотреть возможность использования канатов с более стойкими к кислотной среде покрытиями или конструкций с резиновыми демпфирующими элементами для снижения фреттинг-коррозии.