钻机大绳的损伤及预防

钻机大绳的损伤及预防

陈赓王博

江汉石油工程公司钻井一公司433100

摘要：钻机提升系统所使用的钢丝绳直径较大，故又称大绳。它起着悬吊游动滑车、大钩，以及传递动力的作用。它处于轮槽的限制中，由于它运动频繁、速度快，并承受弯曲、扭转、挤压、冲击振动等复杂应力的作用。钻机大绳使用的安全性是我们一直关心的问题，因钢丝绳的损伤或破断而产生的重大事故时有发生。为了确保使用中钢丝绳的安全运行，掌握钢丝绳的损伤规律及预防方法很有必要。就钻井上使用的钢丝绳而言，规格品种繁多、使用千差万别，但一般随着使用时间的持续，都会出现损伤现象。本文通过多年工作实践的总结，归纳了主要损伤现象和预防措施。

关键词：磨损；疲劳；变形；措施

1、磨损

大绳在使用过程中其外周与滑轮槽、卷筒壁物体表面接触而引起的磨损属于外部磨损。在外部磨损后绳径将变细，外周表面的细钢丝被磨平。钢丝绳的外部磨损使承受载荷的钢丝截面积减小，钢丝绳的破断载荷也相应降低。在使用过程中，钢丝绳经过卷筒或滑轮时所承受的全部负荷压在钢丝绳的一侧，各根细钢丝的曲率半径不可能完全相同。同时，由于钢丝绳的弯曲，钢丝绳内部各根细钢丝就会相互产生作用力并且产生滑移，这时股与股之间接触应力增大，使相邻股间的钢丝产生局部压痕深凹。当反复循环拉伸弯曲时，在深凹处则产生应力集中而被折断，构成了内部磨损。通常细钢丝表面的压力与钢丝绳的压力成正比，在张力相同情况下，由于受压面积不同，单位面积承受的压力也不同。从表面受压磨损来看，采用线接触钢丝绳比采用点接触钢丝绳有利，采用面接触钢丝绳比采用线接触钢丝绳更有利。此外，钢丝绳的弯曲程度、运动速度，对钢丝绳的内部磨损均有影响。

预防措施。在钢丝绳的全长范围内，应尽可能地做到均匀磨损。单周磨损较全周磨损更恶劣，所以应尽可能使单周磨损的钢丝改为全周均匀，如钢丝绳在使用中期换头，一般可延长钢丝绳使用寿命30%～40%选择线接触或者面接触类型的钢丝绳是减少内部磨损的有效途径。

2、疲劳

钢丝绳重复通过滑轮或滚筒上挠上挠下，无数次的弯曲，容易使钢丝产生疲劳，韧性下降，最终导致断丝。而疲劳断丝出现在股的弯曲程度最厉害的一侧外层钢丝上。通常情况下，疲劳断丝的出现意味着钢丝绳已经接近使用后期。

试验表明，钢丝绳的弯曲疲劳寿命与D/d比值（即卷筒直径D与钢丝绳直径d的比值）、安全系数和钢丝绳结构均有密切的关系。疲劳损伤的原理是在变应力的作用下，细钢丝表面首先由于各种滑移形成初始裂纹，然后裂纹尖端在切应力的作用下反复塑性变形，使裂纹扩展直至断裂。其疲劳引起的断丝一般断口平齐，多半出现在表层钢丝上，它们很有规律。

预防措。在条件许可的情况下，应尽可能使卷筒和滑轮的直径加大，在安排滑轮布局时，应尽量避免使钢丝绳反向弯曲，尽可能选择结构好的钢丝绳，如WS，TX型等线接触钢丝绳。使用这些钢丝绳能成倍地提高使用寿命。

3、锈蚀

钢丝绳一般在露天使用，日晒雨淋会使钢丝绳腐蚀，尤其是在有害气体与恶劣环境下使用的钢丝绳，腐蚀造成的损伤就更严重。因腐蚀而受损的钢丝绳表面存在氧亲和性的差异，使表面的某一局部金属成为阳极，另一邻近的局部金属成为阴极，形成了大量的小电池。在小电池的作用下，表面便形成很多圆形腐蚀坑，并逐步加深。这些坑就成了应力集中点、疲劳裂纹的源泉。与此同时，腐蚀使钢丝绳的截面积减小、弹性和承受冲击的能力降低。

预防措。一是勤涂油，对于经常处于运动状态的钢丝绳涂油是必不可少的。新钢丝绳麻芯一般含有12%～15%的油脂，而报废的钢丝绳在损耗最大的部位仅含2.4%的油脂，在同一根钢丝绳的绳端，即使没有经过滑轮也仍含有12.7%～14.5%的油脂。试验表明，涂油钢丝绳在试验后期发生的断丝约为不涂油的半数。一根钢丝绳最初的含油量只能维持寿命的40%，其后如不加油则断丝急剧增加。二是对使用环境恶劣、相对运动较少的钢丝绳可选择镀锌、镀铝等特种钢丝绳。这些钢丝绳暴露在大气中的镀锌或镀铝表面会形成氢氧化锌和氢氧化铝薄膜，能有效地防止钢丝绳的腐蚀。

4、变形

很多断绳事故是因为钢丝绳事先受到过变形损伤而没有引起人们的足够重现，结果酿成大祸。变形的主要原因。

在操作过程中，大绳缠乱，相互挤压，排大绳时有榔头、撬杠敲击等造成外伤。钢丝绳在卷筒上缠乱后容易产生压溃现象。钢丝绳在卷筒上缠乱时，相互倾轧，在操作时会发出“轧吱轧吱”的声响。钢丝绳在局部扭曲后产生的永久变形叫做钢丝绳扭结。扭曲的方向与钢丝绳旋向一致的称为正扭结，反之称为负扭结。试验表明，钢丝绳在扭结损伤后强度将显著降低。正扭结的强度只有原强度的60%～80%，负扭结的强度还不到原强度的50%。严重时强度将降低到只有原来的10%～20%。

预防措施。应按设计规范选择滑轮与卷筒的偏角，必要时可在起升机构中设置排绳器或者压绳装置，操作要平稳，防止钢丝绳出现缠乱现象。滑轮应设置可靠的防跳槽挡圈，挡圈与滑轮外圈的间隙不大于钢丝绳直径的1/5。卷筒上的钢丝绳不能松弛，以防绳子相互轧坏。在重要的起重设备上选用不旋转钢丝绳，在钢丝绳的自由端设置转子，加强操作人员工作责任心，发现扭结迹象立即停止操作，释放还原。

5、过载

钢丝绳随着载荷的增加会有微量的伸长，当载荷超过弹性极限时，钢丝绳就可能断裂。通常把钢丝绳承受的静载荷控制在破断载荷的1/10～1/5，叫作安全负荷。安全负荷表示的是钢丝绳允许承受的额定静负荷。但钢丝绳实际上往往处于运动状态，钢丝绳在工作时除了要承受货物、吊物、自重等静载荷外，还要受到因加速度和冲击引起的动载荷，因弯曲引起的附加载荷，因摩擦引起的阻力载荷等等。由此可见，当除了静载荷以外的其它载荷增多时，实际的安全系数就降低了，钢丝绳往往由此而引起过载。因过载而破断的钢丝绳，其断口呈松散状，6股的钢丝绳断口位置大多数不在一起，绳芯外露，这是钢丝绳因过载而断裂的特征。

预防措施。正确选用安全系数，力求减少静载荷以外的其他载荷对钢丝绳的影响，严格遵守安全操作规程，严防猛提猛刹。

6结论

钻机大绳的损伤除了上述5种钢丝绳的基本损伤类型外，还有高温幅射等因素也会使钢丝绳造成损伤。但总的来看，钢丝绳的损伤一般是有规律的，关键在于我们如何去进一步认识这些规律，从而找出有效的防止方法，尽量延长钢丝绳的使用寿命。