电力建设起重吊装钢丝绳弯曲受力探讨

2015-08-02王永新刘国生李鹏举WANGYongxinLIUGuoshengLIPengju山东电力建设第一工程公司山东济南250131

建筑机械化 2015年5期

关键词：电力建设钢丝绳

王永新，刘国生，李鹏举WANG Yong-xin, LIU Guo-sheng, LI Peng-ju(山东电力建设第一工程公司，山东济南 250131)

电力建设起重吊装钢丝绳弯曲受力探讨

王永新，刘国生，李鹏举
WANG Yong-xin, LIU Guo-sheng, LI Peng-ju
(山东电力建设第一工程公司，山东济南 250131)

[摘要]通过对电力建设安全规程中起重吊装钢丝绳安全系数的分析，指出钢丝绳弯曲受力是问题的关键，并对石油化工行业起重吊装规范中关于起重吊装钢丝绳弯曲的计算进行分析和讨论，提出了针对电力建设行业相关钢丝绳弯曲计算的意见和建议。

[关键词]起重吊装；钢丝绳；弯曲；电力建设

1 概述

钢丝绳是一种最常见的挠性元件，具有卷绕性好、使用灵活、耐磨损、承载能力大、能承受冲击载荷等诸多优点，特别是整根钢丝绳破断前有断丝预兆，不会立即断裂，可事先预防，因此在工程建设领域应用相当普遍。

钢丝绳在电力建设施工现场主要应用于两个方面：一是各种起重机械，如塔机的起升机构、变幅机构等，二是施工现场起重吊装用索具，如缆风绳、千斤绳、捆绑绳等。无论用于起重机械，还是起重吊装，其共同之处是在绝大部分情况下钢丝绳均为弯曲状态受力，根据弯曲度的大小，强度都随之有不同程度的下降，两者的主要区别在于强度降低程度大小不同：起重机械均为起重机专业厂家，出厂时一般为整机，且均为定型产品，其钢丝绳弯曲时受力是严格按照《起重机设计规范》，通过对卷筒、滑轮与钢丝绳直径的比值的大小，即绳径比做出规定，以此来保证钢丝绳弯曲时的强度，根据该规范，机构工作级别由低到高，绳径比从11.2～28不等；起重吊装则与起重机械截然不同，因现场吊装的物品形状、大小及重量差异很大，具有很强的随机性、复杂性和多样性，钢丝绳作吊索使用时，其绳径比最小可到2，弯曲度大大增加，许用载荷的折减幅度也相应加大，因此起重机械的相关标准显然不适合起重吊装。

针对电力建设而言，国家及行业标准中没有关于起重吊装钢丝绳弯曲受力较为准确的计算方法，因此造成了现今在电力建设起重吊装中，不论钢丝绳弯曲程度的差异及高低，均简单地一概取同一标准的局面。本文试图从定量的角度分析起重吊装中的钢丝绳弯曲，在深层次进一步了解和掌握弯曲钢丝绳受力状态的实质，为更好地确保吊装中钢丝绳的安全经济的使用打下基础。

2 钢丝绳弯曲受力影响因素

钢丝绳的结构型式和捻制方式多种多样，构造形式十分复杂。当钢丝绳承受拉伸并且同时弯曲时，不仅受到拉伸应力的作用，还受到弯曲应力、接触应力、挤压应力、摩擦应力、扭转剪切应力等诸多应力的作用，应力状态相当复杂，无论是理论计算，还是通过有限元建模进行受力分析，很难得出准确的计算结果，但最主要的还是拉伸应力和弯曲应力，其他如挤压应力、扭转应力等相对来说都很小，可以不予考虑。

多年实践经验证明，钢丝绳失效的主要原因为腐蚀、磨损和疲劳，特别是弯曲造成的弯曲疲劳和磨损，是导致钢丝绳破坏的决定因素，弯曲应力同时也是影响钢丝绳寿命的主要因素，因此不能忽视。

鉴于以上原因，通常的做法是：在选择钢丝绳时，对包括弯曲应力在内的所有应力，均简单地统一按照纯拉伸计算，考虑到起重吊装中的钢丝绳，尤其是捆绑用吊索的受力更为复杂，一般以增大安全系数的办法加以控制和补偿，特别是在吊装过程中，起重机在起制动时会产生附加动载荷，绳索实际所受的拉应力要大于计算中的拉应力，因此，也应根据情况不同，综合考虑确定安全系数。

3 电力建设起重吊装钢丝绳现状

目前，现行电力建设行业标准中，有关起重吊装的标准为《电力建设安全工作规程第1部分：火力发电厂》（DL5009.1-2002，以下简称电力安规），其中，相关内容仅有10.5.1-2一条，原文为：钢丝绳的安全系数及配合滑轮的直径应不小于表10.5.1-1的规定。

从表10.5.1-1中可以看出，相关条文也十分简单：无绕曲的千斤绳为5～7，有绕曲的千斤绳为6～8，捆绑绳则为10。尤其要说明的是，有绕曲时，最小允许绳径比仅为2。这里的千斤绳无绕曲指的是两绳套直接与卸卡相连，中间无弯曲的情况。

因电力安规明文规定，全部内容均为强制性条文，当然也包含了上述内容，因此，对钢丝绳弯曲计算应高度重视。

当前电力建设行业的实际做法普遍是：因对钢丝绳弯曲认识不足，没有明确的取值标准，且安全系数为一大致范围，取值大小不明确，就只能凭经验和感觉把握，因此，按照电力安规的要求，无论千斤绳有无绕曲，大都偏于保守地按有绕曲考虑，并且不论弯曲程度大小，安全系数偏安全地均取最高限8，显然更加保守；捆绑用吊索最为复杂，但是不论复杂程度的高低、弯曲程度的大小，以及弯曲次数的多少，安全系数均一概取为10，这显然缺乏科学性和严谨性，随意性很大，究其原因，是所依托的电力安规内容过于简单，才造成目前这种局面。

通过进一步分析可以看到，在当时的情况下，电力安规引用的相关国家标准为《起重机械安全规程》（GB/T 6067-85），相关条款为“表5：其它用途钢丝绳安全系数”：其中，吊挂和捆绑用钢丝绳为6，可以看出，电力安规比国家起重机械规程要严格得多。

但是，目前《起重机械安全规程》现已修订为《起重机械安全规程第一部分总则》（GB 6067.1-2010），GB/T 6067-85中的相关内容表5已取消，也就是说，电力安规失去了引用标准，只剩下10.5.1-2条所规定的几个钢丝绳弯曲的安全系数。

那么，关于起重吊装钢丝绳弯曲，其他行业是如何计算的呢？

4 石化行业起重吊装钢丝绳弯曲计算

关于钢丝绳弯曲计算的书籍、论文等资料浩如烟海，且各种说法不一，有的出入很大。但是，石化行业早在2002年就率先发布了《石油化工工程起重施工规范》，并于2011年进行了修订（SH/ T 3536-2011，以下简称石化规范），其中列入了起重钢丝绳弯曲的计算方法，正是因为石化行业有了标准支持，才使得该算法增加了严肃性及权威性。尽管各行业的起重吊装有不同程度的区别，但基本原理大致是相通的，因此值得电力建设行业参考借鉴。

4.1 石化规范钢丝绳弯曲强度计算具体步骤

钢丝绳及钢丝绳扣在绕过不同尺寸的销轴或滑轮使用时，应根据不同的弯曲半径按下述程序确定其强度能力。

1）钢丝绳索的比例系数R

R=D/d （1）

其中，D为销轴或滑轴直径，mm；d为钢丝绳公称直径，mm。

2）钢丝绳扣效率系数E

当R≤6时：E=(100-50/R0.5)% （2）

当R＞6时：E=(100-76/R0.734)% （3）

3）钢丝绳扣经弯曲的强度能力Pn

Pn=nPE （4）

其中，n为钢丝绳扣承载股数；P为钢丝绳破断力，N。

4）钢丝绳及钢丝绳扣使用安全系数K

K=Pn/F （5）

其中，F为钢丝绳及钢丝绳扣受力，N。

根据使用场合的不同，安全系数K的要求也不同，作为起重吊装用钢丝绳扣时其要求为：做系挂绳扣使用时，K≥5；做捆绑绳扣使用时，则为K≥6。

4.2 电力安规和石化规范的对比分析

1）从安全系数的规定可以看出，石化规范要比电力安规要小，但是经仔细比较分析后可看出其中的原因：电力安规不考虑钢丝绳弯曲度的大小，仅仅把钢丝绳破断拉力简单地直接除以一个安全系数，一次性得出结果；石油规范则如4.1所述，是先算出钢丝绳索的比例系数（绳径比），然后根据比例系数计算出钢丝绳扣效率系数（即折减系数），把钢丝绳破断拉力乘以此效率系数后，才能得到钢丝绳经弯曲后的强度，然后再除以一个安全系数。可以看出，这个安全系数和电力安规安全系数的含义大不相同，因为考虑了钢丝绳弯曲后的折减，所以该安全系数要小于电力安规，其根本原因是石化规范单独把钢丝绳弯曲度由定性分析转变为定量计算而已，这是石化规范和电力安规中安全系数的本质区别。

2）石化规范中钢丝绳扣效率系数计算公式（2）及式（3）来源于 Dorman long Technology 《Rigging Supervisor’s training manual》（英），从石化规范SH/T 3536-2011送审稿中，根据该公式所绘制的绳索比例系数（图1）可以看出绳索效率系数E随绳索比例系数R的变化关系。《起重机设计规范》（GB/ T 3811-2008）规定机构最小的绳索比例系数为11.2，但是电力安规却最小到2，这也是起重机械和起重吊装含义的本质区别。

3）无论是电力规程还是石化规范，做系挂绳扣和做捆绑绳扣使用时的安全系数是不同的，这是因为做缠绕捆绑时，有可能出现受力不均匀现象，不能每股都达到平均受力，只有提高安全系数来保证吊装作业的安全性。目前关于起重吊装的发展趋势是大直径钢丝绳吊索的使用越来越多，一般都选择采用单股或较少的股数钢丝绳吊装，而不是以往选择多股钢丝绳吊装较大载荷，所以作系挂用的安全系数要低于捆绑用钢丝绳。

图1 绳索比例系数表

5 其他相关钢丝绳弯曲计算资料

查阅相关文献可以看到，除石化行业把钢丝绳弯曲折减计算公式明确写入规范外，其它如建筑、电力等行业也根据现场多年的实践经验，对得到的数据进行对比和分析，摸索并总结出一些经验性结论，尽管没有列入标准，但是简捷实用，是对标准和规范的有益补充，对实际吊装具有较大的指导意义，现摘录有关内容如下供参考。

1）南京市劳动局提供的关于钢丝绳弯曲使用的资料，资料中有关部分写道：“一般认为，钢丝绳内周曲率半径大于6倍绳径以上，起重能力不受影响，钢丝绳内周曲率半径只有绳径的3倍时，其起重能力降至原起重能力的75%；当钢丝绳内周曲率半径与绳径相等时，起重能力要降低50%”（图2）。可以看出，该方法和石化规范对于钢丝绳弯曲使用强度折减的原则是一样的，只是在数据的取值上不大相同而已，石化规范所推荐方法的计算结果已涵盖了该方法得到的数据，而且更安全些，使用起来也更为科学和广泛。

图2 起吊钢丝绳曲率示意图

2）如图3所示，吊装物体底端有角度时，其破断拉力会降低。表1为物体底端角度与绳破断拉力的关系。

图3 吊装物体底端的角度

表1 底端角度与破断拉力关系

从表中可以看出，钢丝绳不能承受过分弯曲，尽可能避免锐角弯折，在进行设备或构件的捆绑时，如遇钢丝绳必须绕过锐角的情况，必须对锐角部分进行保护。施工现场通用的保护方法是采用破开的钢管垫放在锐角处，或在锐角处垫放木块等。

3）图4是钢丝绳悬排在角钢上两种形式，角钢成A方向（图4a）和成L方向（图4b），钢丝绳的破断拉力分别降低33%和42%。

图4 角钢放置形式与破断拉力关系

4）在起重吊装作业中，有时需要一部分绳结，各种形式绳结对绳的破断拉力影响程度不一，常见的绳结与破断拉力保持率关系如图5所示。

图5 常见绳扣与破断拉力保持率关系图

5）在起重吊装作业中，捆绑绳扣的应用十分普遍。绳扣在弯曲处同时受到拉力和剪力，因此在选择绳扣时，应按图6所示意的图例进行对比分析，找到其中的薄弱点，并以尽量增加钢丝绳弯曲半径为原则来选择绳的规格。各部位绳索的强度能力应符合表2的规定，此结论曾写入2002版石化规范。

图6 捆绑绳扣各部位绳索强度能力图

表2 捆绑绳扣各部位绳索强度能力

6 关于安全系数的思考

1）综合以上情况可知，无论是否考虑在弯曲状态下使用对钢丝绳时其强度的折减，都和钢丝绳的安全系数没有直接的关系，因为这是不同的两个概念，不能混为一体，应引起足够的重视，尽管如此，从中可以看出，根据弯曲情况的高低而进行折减具有重大意义。

2）在相当长的一段时期内，受钢丝绳制造水平的限制，无论从钢丝的强度级别，还是钢丝绳直径都有限，钢丝绳单绳破断拉力也不大，较重设备吊装只能依靠小绳径、多股绳承担。随着我国科学技术水平，尤其是材料科学的不断进步，钢丝绳的制造技术发生了很大变化，新研制开发的大直径、高强度级别钢丝绳不断涌现，在这种大环境影响下，在进行重大起重设备吊装时，采用大绳径、少股数高强钢丝绳成为必然的趋势。

同时，也应看到，就电力建设而言，电力安规所规定的钢丝绳安全系数，在进行小型设备吊装，尤其是有棱角时是必要的，而对于重型设备，例如发电机定子吊装时显得过于保守。从国外大件设备吊装来看，有的安全系数取2～3倍，我国是否可以适当降低电力安规的安全系数，则值得进一步研究。

3）最后需要特别强调的是，尽管对钢丝绳的安全系数大小有异议，且各种教材、手册论文等出版物的说法五花八门，大小不一，但是在新标准还没有出台之前，电力建设行业还应无条件执行现行电力安规的有关规定。