CC BY
65
Анализ исследований свойств материала стального каната Л.С. Баева, А.В. Паялов
Судомеханический факультет МГТУ, кафедра технологии металлов и судоремонта
Аннотация. В статье проведен анализ исследований каната (ваера) с помощью инструментального и металлографического способов. Установлено несоответствие механических свойств каната основным стандартам качества. Выявлено, что канаты такого качества подвержены быстрому выходу из строя, что может привести к аварийной ситуации на производстве.
Abstract. This paper is about practical researches of rope analysis which had been made by means of instrumental and metallographical ways. Some unbalance between the mechanical properties of the rope and base product standards has been determined. It has been pointed out that the product undergoes fast damage that can bring to emergency situation.
1. Введение
Вопросы повышения качества и надежности продукции неразрывно связаны с уровнем и масштабами работ по стандартизации и метрологии, поскольку основные параметры и размеры, технические требования, методы и средства испытаний, показатели надежности и долговечности изделий, а также требования к сырью, материалам, инструменту и оборудованию устанавливаются стандартами, а метрология является, по существу, их научно-технической базой, так как все эти требования и показатели в конечном счете определяются системой измерений (Надежность и долговечность..., 1972).
За последние годы, в связи с тяжелым экономическим положением в стране, существенно снизилось качество металлопродукции, выпускаемой отечественной промышленностью. Во многом, конечно, это определяется отсутствием должного контроля со стороны государственных органов. Продукция, идущая к отечественному потребителю, является неудовлетворительной по многим параметрам ГОСТ, поэтому существует большая вероятность появления исключительных ситуаций при использовании ее на производстве.
Стандарт является важнейшим средством, разрешающим противоречия, возникающие между производителем и потребителем при использовании изделий низкого качества. На базе соответствующих стандартов в лаборатории кафедры было проведено исследование свойств материала стального каната Череповецкого сталепрокатного завода в связи с участившимися аварийными происшествиями при использовании такого рода продукции.
2. Предмет исследования и методы
Визуальному осмотру подвергался канат 34-Г-В-К-Н РТ 1670 ГОСТ 7667-80, сертификат качества №5 27107 (Канаты стальные, 1980; Канаты двойной свивки..., 1980) диаметром 34,0 мм, грузового назначения высшего качества, из проволок без покрытия, правой свивки, нераскручивающийся, нормальной прочности, маркировочной группы 1670 Н/мм2 (170 кгс/мм2), согласно сертификата качества №5 27107. Длина каната 500 м, время эксплуатации - с ноября 2000 г. по 15 февраля 2001 г. (день обрыва каната). Основные параметры каната по ГОСТ 7667-80 (Канаты двойной свивки..., 1980) представлены в таблице.
Таблица. Основные параметры каната по ГОСТ 7667-80
Диаметр, мм Расчетная площадь проволок, мм2 Маркировочная группа, Н/мм2 (кГс/мм2 )
каната проволоки сердечника проволоки в пряди
1370 (140) 1470 (150)
центра льной в слое центра льной в слоях заполнения Суммарное разрывное усилие всех проволок в канате (Н), не менее
7 шт. 42 шт. 6 шт. 108 шт 36 шт.
34,0 1,40 1,30 2,40 2,20 0,95 529,72 726500 778500
- 1,40 1,30 2,50 2,20 0,95 530,11 841809 -
Было установлено, что пряди по длине каната имеют обрывы всех проволок. Вид обрыва носит
характер разрыва от растягивающих напряжений. На отдельных прядях после обрыва наблюдается расслоение проволок и полурасплетенное состояние каната. Нарушена геометрия его прядей (сердечник каната оказался снаружи), форма поперечного сечения каната - неправильный вытянутый шестигранник. Наружные кромки прядей изношены. Канат без смазки, покрыт ржавчиной.
Диаметр исследуемого каната установить не представилось возможным из-за нарушения его геометрической формы.
3. Результаты проведенных исследований
Предельные отклонения от номинального диаметра исследуемых образцов каната составили от +22,90 мм до -8,10 мм, что в 5-8 раз превышает предельные отклонения по диаметру каната по сравнению с требованиями ГОСТ 3241-91. Отклонения от номинального диаметра исследуемых образцов каната представлены в гистограмме и не соответствуют требованиям ГОСТ 3241-91, где предельные отклонения по диаметру каната повышенной точности с металлическим сердечником должны быть не более ± 4 мм (Канаты стальные, 1980).
Диаметр исследуемого каната
ГОСТ d min d max d средн. 7667-80
4. Инструментальный способ тестирования
Замер диаметров каната, прядей и проволок осуществляли на образцах длиной 400 мм, вырезанных из каната, через каждые 80 мм. Был отмечен исключительный разброс в диаметре проволок, составляющих канат, по отношению к ГОСТ 7667-80 (Канаты двойной свивки..., 1980), что отображено на представленных ниже гистограммах.
1,4 1,35 1,3 1,25 1,2
Диаметры проволоки сердечника (в слое)
1,37
Диаметры проволоки сердечника (центральной)
1,44 1,42 1,4 1,38 1,36
1,4 1,39
1 1
1 1 п
Диаметры проволоки в пряди (центральной)
2,54 2,52 2,5 2,48 2,46
2,52
2,5
1 1 2,48
ГОСТ 7667-80
1,3
1г26
d min
d max
d min
d max
d min
d max
Диаметры проволоки в пряди (в слоях)
Диаметры проволоки в пряди (заполнения)
2,25 2,2 2,15 2,1 2,05
2,2
1 1 2,13
ГН
1 1 ■
ГОСТ 7667-80 d min d max
1,1 1
0,9 0,8
ГОСТ 7667-80 d min
0,95
0,88
d max
Было отмечено, что нарушенная геометрия прядей и сердечника каната, отклонения от круглости профиля поперечного сечения (овальность диаметров) проволок почти всех образцов практически по всем замерам не соответствует требованиям ГОСТ 7372-79. Диаметр проволок второго и третьего слоя каната по большинству замеров также не удовлетворяет данный стандарт по овальности. При исследовании каната выявлено, что в качестве сердечников прядей каната (5 штук) использована проволока диаметром 2,50 мм вместо проволоки диаметром 2,40 мм, рекомендуемой ГОСТ 7667-80 (Канаты двойной свивки..., 1980).
Кроме того, на проволоках второго слоя каната (3 штуки) обнаружены вмятины глубиной 0,020,28 мм, а на проволоках третьего слоя каната (12 штук) обнаружен повышенный износ проволок.
Согласно требованиям, предъявляемым ГОСТом 7372-79, на поверхности проволоки без покрытия не должно быть трещин, плен, закатов, раковин, ржавчины, вмятин и надрезов, превышающих размером половину предельного отклонения по диаметру. Допускаются утонения диаметров проволок в канате в пределах до ±0,1 мм (Проволока стальная канатная, 1980).
5. Определение механических свойств проволок каната
Результаты механических испытаний проволок показали большую опасность дальнейшей эксплуатации канатов данного типа. А именно, в условиях испытания составляющих каната на перегиб и
скручивание было установлено фактическое отсутствие всех норм ГОСТ 7372-79, что отображено в гистограммах ниже.
Проведенные испытания проволок каната на перегиб и скручивание (Проволока, 1993; 1980) свидетельствуют о низком качестве металла проволок (низкой пластичности, повышенной хрупкости).
Число перегибов при испытании
30 20 10
-1Я 20
1 416 16 15 16 , ,14 14 151215
□ ГОСТ 7667-80
□ мин. чи сл. перегибов
□ сред н.числ.перегибов
"1,4мм" "1,3 мм" "2,5 мм" "2,2 мм" "0,95 мм"
число скручивании при испытании
40 ,31 30 20 10 0
27
29
10 11 — 16 15
1
ии
□ ГОСТ 7667-80
□ мин.числ.скруч.
□ средн.числ.скруч.
"1,4мм" "1,3мм" "2,5мм" "2,2 мм" "0,95мм"
31
8
4
6. Металлографический способ определения структуры материала проволок каната
Исследование макро- и микроструктуры проволоки показало, что поверхность проволок имеет неравномерное направленное волокнистое строение по направлению деформации. Наблюдаются единичные трещины. В местах сильного коррозионного повреждения видны глубокие язвы и резко выраженное расслоение проволок диаметром 2,4 мм. Металл загрязнен оксидами и оксисульфидами. Наблюдаются скопления оксисульфидов диаметром до 0,09 мм, расположенных локально у поверхности, где происходит проникновение коррозии наиболее интенсивно в глубь металла в виде питтингов. Микроструктура неравномерна по сечению проволоки. Наблюдаются участки сорбитообразного характера с единичными включениями феррита в поверхностных слоях и участки с троститосорбитной смесью игольчатой ориентации (Российский Морской Регистр Судоходства, 1999).
7. Результаты
В результате проведенных исследований установлено:
1. Расчетное суммарное разрывное усилие всех проволок в канате №5 27107 диаметром 34 мм (сертификат качества №5 27107) составляет 841809,6 Н.
2. Исследуемый канат соответствует маркировочной группе 1370 Н/мм2 (140 кгс/мм2) и не соответствует маркировочной группе 1670 Н/мм2 (170 кгс/мм2), указанной в сертификате качества №5 27107 с суммарным разрывным усилием проволок в канате, равным 906313,8 Н.
3. Расчетное суммарное разрывное усилие всех проволок исследуемого каната составляет 841809,6 Н при условии монолитности конструкции каната, что противоречит визуальному осмотру данного каната. В реальных условиях разрывное усилие всех проволок исследуемого каната (учитывая его техническое состояние) будет значительно ниже требований ГОСТ 7667-80.
4. Предельные отклонения от номинального диаметра исследуемых образцов каната в 5-8 раз превышают предельные отклонения по диаметру каната по сравнению с требованиями ГОСТ 3241-91.
5. Отклонения от круглости профиля поперечного сечения проволок исследуемого каната превышает допустимые значения овальности по ГОСТ 7372-79.
6. На проволоках второго слоя каната имеются вмятины глубиной 0,02-0,28 мм, а на проволоках третьего слоя каната обнаружен повышенный износ проволок в пределах 0,15-0,83 мм, что является недопустимым согласно требованиям ГОСТ 7372-79.
7. Проволоки исследуемого каната диаметром 2,50 мм, 2,20 мм и примерно половина проволок диаметром 0,95 мм не соответствуют требованиям ГОСТ 7372-79 по числу перегибов.
8. Проволоки всех диаметров исследуемого каната не соответствуют требованиям ГОСТ 7372-79 по числу скручиваний.
9. Проведенные испытания проволок каната на перегиб и на скручивание свидетельствует о низком качестве металла проволок (низкой его пластичности, повышенной хрупкости).
10. Допускаемый разбег временного сопротивления разрыву проволоки номинальным диаметром
2,20 мм, взятой из каната от маркировочной группы 1370 Н/мм2 марки ВК составляет 10,5 %-25,0 %, что превышает требования ГОСТ 7372-79 (не более 14 %). 11. Дата изготовления каната, указанная на металлическом ярлыке, не совпадает с датой изготовления каната, указанной в сертификате качества, что не соответствует требованиям ГОСТ 3241-91.
8. Заключение
Стандартизация решает многие вопросы, связанные с оценкой и повышением надежности изделий и регламентацией методов их производства, эксплуатации и испытания. Особое место с позиций расчета, прогнозирования и достижения необходимого уровня надежности занимают стандарты, которые регламентируют значения выходных параметров материалов, деталей, узлов и машин и устанавливают классы изделий, отличающиеся по показателям качества. Стандарты и технические условия на различные марки материалов устанавливают предельные значения или допустимый диапазон изменения их механических характеристик - предела прочности, текучести, усталости, относительного удлинения, твердости и др. (Проников, 1978).
Проведенные исследования, основывающиеся на соответствующих стандартах, показали несоответствие ГОСТу ваера диаметром 34 мм (сертификат качества №5 27107). Учитывая изложенные выше выводы, следует считать нецелесообразным дальнейшую эксплуатацию канатов подобного качества.
Излишними будут пояснения об экономических и материальных потерях при использовании ваеров с качеством, близким к браку. Но важно не забывать о том, что подобные аварии могут привести к трагедии с человеческими жертвами. Поэтому потребителю необходимо в первую очередь проверять соответствие продукции требованиям Морского Регистра Судоходства РФ и ГОСТ.
Литература и научно-техническая документация
Канаты двойной свивки типа ЛК-РО конструкции 6x36. ГОСТ 7667-80. М., Госкомстандарт, 1980. Канаты стальные. Технические условия. ГОСТ 3241-91. М., Госкомстандарт, 1980.
Надежность и долговечность машин и оборудования (опыт и теоретические исследования). М.,
Издательство стандартов, 1972. Проволока стальная канатная. ГОСТ 7372-79. М., Госкомстандарт, 1980.
Проволока. Метод испытания на перегиб. ГОСТ 1579-93. Минск, Межгосударственный стандарт, 1993. Проволока. Метод испытания на скручивание. ГОСТ 1545-80. М., Госкомстандарт, 1980. Проников A.C. Надежность машин. М., Машиностроение, 592 с., 1978.
Российский Морской Регистр Судоходства. Правила классификации и постройки морских судов. СПб, АО "Иван Федоров", Комитет РФ по печати, т.1, 472 е., т.2, 505 е., 1999.
