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 [1]. Особенно тяжёлые условия эксплуатации характерны для производств, связанных с агрессивными средами [2]. На линиях горячего цинкования оборудование постоянно подвергается комплексному воздействию механических нагрузок, абразивного износа и паров кислот, что приводит к преждевременному выходу канатов из строя [3]. Анализ механизмов деградации стальных канатов в горной промышленности показывает, что наиболее опасными являются комбинированные виды износа, сочетающие механические и коррозионные факторы [4].

К традиционным деградационным процессам, ограничивающим ресурс стальных канатов, относятся механический износ и усталость [5]. 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 [6]. Комплексный подход к оценке коррозионной стойкости, включающий как лабораторные, так и натурные испытания, демонстрирует необходимость моделирования реальных условий для всесторонней оценки сопротивления материалов [7]. Исследования обрыва внутренних проволочек стального каната подчёркивают важность разработки комплексных программ диагностики для обеспечения безопасности работы шахтных подъёмных установок [8].

Важнейшим фактором риска является фреттинг-коррозия, вызванная микросмещениями проволок друг относительно друга, которая способна инициировать процесс усталостного разрушения [9]. 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 [10], [11]. Вероятностные характеристики оценки прочности и ресурса стальных канатов, полученные на основании данных магнитной дефектоскопии, позволяют разрабатывать более точные методики оценки остаточного ресурса [12].

Для оборудования, работающего в кислотных средах, особую опасность представляет водородное охрупчивание — процесс, приводящий к резкому снижению пластичности и прочности металла [2], [3]. Актуальность этой проблемы подтверждается современной нормативной базой, регламентирующей требования к материалам, стойким к растрескиванию в агрессивных средах, содержащих сероводород [13]. Влияние параметров поверхностной обработки на водородное охрупчивание стальных крепёжных изделий демонстрирует, что процессы гальванопокрытия чистым цинком являются наиболее склонными к вызыванию внутреннего водородного охрупчивания [14].

Вопросы диагностики состояния канатов также эволюционируют. Если традиционным способом контроля остаётся визуальный осмотр [1], 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 [11], [15]. Обзор и анализ современных средств контроля натяжения стальных канатов указывает на отсутствие надёжных автоматизированных систем мониторинга натяжения канатов в процессе эксплуатации шахтных подъёмных установок [16], [17].

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).

Эксплуатационные факторы, влияющие на состояние стальных канатов над ванной травления: пары соляной кислоты и трение в месте крепления траверсы, возникающее из-за её движения по канатам вследствие поднимания и опускания цинкуемых изделий в ванную.

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.

Макро- и микросъёмка выявили значительную разницу в состоянии поверхностей целого и разрушенного канатов. У разрушенного каната зафиксированы многочисленные участки с полностью стёртым цинковым покрытием («лыски») и утонение проволок. В поперечном сечении наблюдались продукты коррозии между внутренними проволоками, характерные для фреттинг-процессов.

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.

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.

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.

The additional file for this article can be found as follows: