港口门机“山”字形吊钩螺杆断裂原因分析

王斌斌, 王玉明, 张志勤

(首钢京唐钢铁联合有限责任公司, 唐山 063200)

港口门机“山”字形吊钩螺杆断裂原因分析

王斌斌, 王玉明, 张志勤

(首钢京唐钢铁联合有限责任公司, 唐山 063200)

某公司码头门机使用的DG20钢吊钩使用不到1 a(年)即于螺杆处发生径向断裂，采用化学成分分析、宏观分析、扫描电镜分析、金相检验等方法对吊钩螺杆断裂原因进行了分析。结果表明：吊钩螺杆断裂属于单向弯曲疲劳断裂,断裂起源于螺纹根部的微裂纹；现场操作不当使吊钩螺杆在螺纹根部产生严重的单向应力集中，促使该处萌生微裂纹并不断扩展，最终导致断裂失效。

门机吊钩；螺杆；单向弯曲疲劳断裂；微裂纹；应力集中

门机广泛用于港口、码头的货物装卸过程，吊钩与吊钩螺母、推力轴承、吊钩横梁、吊钩拉板等组成吊钩组，是起重机上广泛使用的取物装置，吊钩的头部具有直柄并开有螺纹，通过螺纹与吊钩螺母和吊钩横梁连接[1]，其主钩钩体脱落事故的发生不可避免地会造成重大经济损失甚至人员伤亡[2-3]。2015年，某公司在码头装船作业时，门机“山”字形吊钩发生了瞬间断裂，断裂位于吊钩螺杆尾部，靠近吊钩颈部，如图1所示。从检验角度看，断裂位于吊钩杆部横截面突然变小的钩颈退刀槽处，即吊钩承受拉应力最大、强度最弱的位置[4]。该吊钩材料为DG20钢，采用锻后正火工艺热处理，投入使用不到1 a(年)。此次吊钩断裂事故给该公司造成了较大损失，为消除安全隐患，避免类似事故的再发生，笔者对断裂吊钩进行了检验和分析。

图1 吊钩断裂位置及起吊时钢卷之间轴向撞击示意图Fig.1 Schematic diagram of fracture locatin of the hook and axial impact between two steel coils when lifting

1 理化检验

1.1 化学成分分析

对断裂吊钩螺杆部位进行取样，采用辉光光谱仪进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可见，门机吊钩的化学成分基本符合GB/T 10051.1-2010《起重吊钩 第1部分：力学性能、起重量、应力及材料》对DG20钢成分的技术要求，只有锰元素含量稍微偏高。

1.2 宏观分析

经现场核实，在吊起钢卷装船作业时，为了将前一钢卷尽量靠里放置，会有一个钢卷轴向对另一钢卷轴向的撞击环节，正好在“山”字形吊钩的两侧方向上，如图1所示。

表1 门机吊钩的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of the portal slewing crane hook (mass fraction) %

断裂后的门机吊钩宏观形貌如图2所示。

图2 断裂门机吊钩及断口宏观形貌Fig.2 Macro morphology of the fractured portal slewing crane hook and the fractures:a) the fractured ε-shape hook; b) the fracture of the screw; c) the fracture left in the nut

对吊钩螺杆断口进行取样，在切取扫描电镜(SEM)试样前，先对断口进行标记，如图3所示。

图3 断口宏观形貌Fig.3 Macro morphology of the fracture

为了方便，将“山”字形吊钩的两侧分别命名为A侧和B侧。从图3可以直观地看出，断面大部分区域较光滑，约占整个断面的90%，且存在明显的海滩状条纹[5]，由此可以判断吊钩螺杆断裂属于疲劳断裂，该区域为疲劳裂纹扩展区。海滩状条纹收敛于A侧边部，说明该处为疲劳裂纹源，断面的另一侧区域表面较粗糙，有明显的金属光泽，约占整个断面的10%，该区域为最终瞬断区。

对螺杆的螺纹边缘进行测量，断裂后螺纹底部宽度与正常螺纹底部宽度相同，说明断裂源在螺纹根部，如图4所示。

图4 螺纹底部宽度测量Fig.4 Width measurement of the thread bottom

由于在起吊作业时，吊钩螺杆A侧和B侧在空中旋转交替，两侧均可以与钢卷发生碰撞，仔细观察在B侧第一道螺纹的根部发现了微裂纹，进一步证明了断裂源位于螺纹根部，如图5所示。

图5 B侧螺纹根部微裂纹形貌Fig.5 Micro crack morphology at B-side thread root

1.3 扫描电镜分析

对断口疲劳裂纹源附近、疲劳裂纹扩展区和瞬断区分别取样进行扫描电镜断口微观形貌观察，如图6所示。

从图6a)可以看出，疲劳裂纹源区有明显的疲劳挤压磨损痕迹；疲劳裂纹扩展区可见明显的疲劳辉纹，见图6b)；瞬断区河流花样[6]明显，为穿晶解理断裂。

图6 断口不同区域SEM形貌Fig.6 SEM morphology of different regions of the fracture:a) crack source region; b) expansion region; c) transient fracture region

1.4 金相检验

在吊钩螺杆断口附近分别取横向和纵向剖面试样进行金相分析。从图7可以看出，断口附近显微组织为珠光体+铁素体。B侧第一道螺纹的根部微裂纹截面处经金相检验没有发现大型夹杂物，裂纹附近也没有组织异常情况，如图8所示。

图7 断口附近显微组织形貌Fig.7 Microstructure morphology near the frature:a) transversal structure; b) longitudinal structure

图8 微裂纹截面显微组织形貌Fig.8 Microstructure morphology of the micro crack section

2 分析与讨论

根据化学成分分析结果，吊钩螺杆材料基本符合标准要求，除了锰元素含量稍微偏高；金相分析结果显示吊钩螺杆显微组织为铁素体+珠光体，属于正常组织形态；可见吊钩螺杆材质不是造成其断裂的原因，同时在微裂纹截面上没有发现大型夹杂物，说明吊钩螺杆断裂亦与夹杂物的诱因无关。

从断口宏观形貌来看，门机吊钩螺杆的断裂属应力集中造成的单向弯曲疲劳断裂。裂纹源到扩展区中心范围的疲劳弧线已经呈现铁锈红色泽，说明该过程经历了长时间的作用，与新鲜断口形成鲜明的对比，在断裂前疲劳裂纹已经扩展，疲劳裂纹源位于疲劳弧线收敛的边缘，具体位置在“山”字形一侧的螺纹根部，与最终瞬断区在断口上呈对称分布。结合现场实际使用情况，在吊装运转过程中，吊钩螺杆主要承受拉伸应力，螺纹根部需要承受较大应力，且是间断性的，可以认为是低周疲劳应力，另外吊装转运过程都会有一个倾斜，产生弯曲应力，尤其是螺纹与螺母交界的位置应力会更加集中，且为了摆放整齐，在装船时吊装钢卷之间会经常性地发生碰撞，更是在与螺母交界的螺纹根部产生了较大的单向应力集中。螺纹根部不断经受疲劳产生疲劳裂纹，疲劳裂纹不断扩展，当吊钩螺杆剩余截面不足以承重时便会发生最终断裂。

3 结论及建议

吊钩螺杆断裂属于应力集中造成的单向弯曲疲劳断裂；吊钩螺杆断裂的主要原因是长期的不当操作造成在断裂处产生较大的应力集中，在交变的弯曲应力作用下最终造成疲劳断裂。

鉴于以上分析，建议如下：①在起升货物的过程中，必须要缓慢起升货物，不能启动太快，避免产生冲击载荷；②经常检查吊钩各部位，检查和维护吊钩组的结构部件，如发现问题及时处理；③严格执行操作要求，避免不规范操作，尤其是起吊重物时应尽量避免横向撞击。

[1] 曾会书,王真.10 t吊钩断裂原因分析[J].理化检验-物理分册,2011,47(7):444-446,450.

[2] 李娟,吴剑勇,田华,等.港口门机用钢丝绳断裂原因分析[J].金属热处理,2015,40(z1):29-33.

[3] 付欣.港口门机回转支承装置的故障分析及预防对策[J].科技与创新,2015(5):135-135,138.

[4] 唐建群,张礼敬,巩建鸣,等.吊钩断裂原因分析[J].理化检验-物理分册,2004,40(3):138-141.

[5] 李文成.机械装备失效分析[M].北京:冶金工业出版社,2008.

[6] 姜锡山,赵晗.钢铁显微断口速查手册[M].北京:机械工业出版社,2010.

Reasons Analysis on Fracture of the ε-Shape Hook Screw
of a Portal Slewing Crane

WANG Binbin, WANG Yuming, ZHANG Zhiqin

(Shougang Jingtang United Iron&Steel Co., Ltd., Tangshan 063200, China)

The radial fracture of DG20 steel hook screw of a portal slewing crane happened after less than one year service on the wharf in a company. The fracture reasons of the hook screw were analyzed by means of chemical composition analysis, macro analysis, SEM analysis, metallographic examination, etc. The results show that the fracture of the hook screw was one-way bending fatigue fracture, and the fracture originated from the micro cracks at the root of the thread. Improper operation at the site resulted in serious unidirectional stress concentration at the thread root of the hook screw, which caused the crack initiation and continuous expansion and finally resulted in the fracture failure.

portal slewing crane hook; screw; one-way bending fatigue fracture; micro crack; stress concentration

2016-06-30

王斌斌(1982-)，男，工程师，硕士，主要从事理化检验工作，10480259@qq.com

TH213.4

B

1001-4012(2017)06-0442-03