鋼絲繩在線檢測技術(shù)

1、 鋼絲繩在線檢測技術(shù) 肖化明（起重游樂廠車檢驗(yàn)部） 電話電子郵箱： 湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院 2014年2月12日 一、鋼絲繩斷繩的災(zāi)難事故 韓紅的一曲天亮了催人淚下，這首歌講述了一個真實(shí)而悲慘的故事。1999年10月3日 ，貴州麻嶺游覽區(qū)，23位游客正乘坐纜車陶醉在峽谷風(fēng)光的美景中，災(zāi)難卻從天而降。纜車鋼絲繩突然斷裂，轎廂徑直墜入深淵。就在轎廂落地的一瞬間，一對父母本能地將他們的兒子舉過頭頂。不幸中的萬幸是這位兩歲的小男孩成為 23位遇難者中唯一的幸存者，而“萬幸”中的不幸卻是孩子永遠(yuǎn)失去了父愛和母愛。著名歌星韓紅為此收養(yǎng)了這個孩子，從此成了未婚媽媽。 而另一起

2、發(fā)生在上海滬東造船廠的由鋼絲繩斷裂引發(fā)的特大災(zāi)難事故中，36位鮮活的生命一瞬間便成為亡靈。赤 烈的酷暑中，白發(fā)蒼蒼的老人面對黑發(fā)人的遺體悲慟欲絕，而那些失去丈夫的妻子和那些失去父親的孩子的撕心裂肺的呼喚，久久地振顫著我們的心靈。又有36個家庭的幸福毀于鋼絲繩斷繩的災(zāi)難事故中。二、鋼絲繩檢測儀廠家規(guī)定 根據(jù)儀器設(shè)備廠家的規(guī)定，于2011年7月10日湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院派機(jī)電類肖化明、王廣宇到河南省洛陽市參加鋼絲繩無損探傷培訓(xùn)學(xué)習(xí)，并參加了廠家的理論考試、實(shí)踐考試，經(jīng)考試合格取得了廠家頒發(fā)的鋼絲繩檢測操作證(如圖1）。 圖1 操作證三、鋼絲繩檢測工作原理 傳統(tǒng)的鋼絲繩檢測方法是人工目視檢查

3、，采用游標(biāo)卡尺測量繩徑，手摸或肉眼尋找缺陷。只能發(fā)現(xiàn)鋼絲繩中露在外部的缺陷如（斷絲），對于人眼看不到的內(nèi)部缺陷則無能為力，且受人為因素的影響較大，檢查可靠性差。因此，很多鋼絲繩使用單位采用定期更換鋼絲繩的方法，依據(jù)鋼絲繩的額定使用壽命確定其更換周期，到期不論鋼絲繩的實(shí)際狀況如何均實(shí)行更換。所以采用儀器對鋼絲繩的狀況進(jìn)行檢測，特別是定量的無損檢測，是十分重要的。磁性檢測方法檢測鋼絲繩缺陷（斷絲、磨損、銹蝕等）的基本原理：用一磁場沿鋼絲繩軸向磁化鋼絲繩段，當(dāng)鋼絲繩通過這一磁化磁場時(shí)，一旦鋼絲繩中存在缺陷，則會在鋼絲繩表面產(chǎn)生漏磁場，或者引起磁化鋼絲繩磁路內(nèi)的磁通變化，采用磁敏感元件檢測這些磁場的畸

4、變即可獲得有關(guān)鋼絲繩缺陷的信息。根據(jù)鋼絲繩結(jié)構(gòu)和缺陷特征，人們研究出兩種類型的磁檢測方法：局部缺陷檢測法（Localized Fault Method），簡稱法，如圖2（a）所示；截面積損耗型檢測法（Loss of Metallical Area Method）,簡稱LMA檢測法，如圖2（b）所示。前者通過測量鋼絲繩表面局部區(qū)域中的漏磁場獲得信息，主要檢測斷絲、銹蝕、斑點(diǎn)等引起局部突變磁場的缺陷；后者通過測量磁化回路中主磁通的變化獲得信息，主要檢測像磨損、銹蝕等引起鋼絲繩橫截面中金屬截面積總和變化的缺陷。磁檢測法主要由兩大部分組成，其一為磁化鋼絲繩的勵磁裝置；其二為檢測磁場的磁檢測裝置。勵磁裝

5、置對鋼絲繩磁化的程度直接關(guān)系著缺陷能否被檢出以及探傷傳感器的體積和重量，國外現(xiàn)均采用將鋼絲繩磁化至深度磁化的方法。磁檢測裝置是探傷傳感器的關(guān)鍵部分，關(guān)系著缺陷檢測的空間位置分辨、程度分辨力、信噪比、靈敏度等。在LF法中,采用了感應(yīng)線圈、霍爾元件、基于多元件組合的檢測、基于整磁板技術(shù)的檢測、基于聚磁技術(shù)的檢測等漏磁檢測方法來克服因鋼絲繩結(jié)構(gòu)給檢測信號帶來的干擾、提高缺陷漏磁檢測靈敏度、防止漏檢；LMA法中,通過選擇檢測元件的布置位置,來提高檢測信號的靈敏度和定性、定量分辨力。 缺陷漏磁場是一關(guān)鍵，通常由磁敏感元件實(shí)現(xiàn)。磁敏感應(yīng)線圈的輸出電勢隨線圈與被測對象間相對移動的速度而變化，其中能測量磁通的

6、相對變化量；霍爾元件的輸出電勢不受檢測速度的影響，且可以測量磁場強(qiáng)度的絕對植，靈敏度和可靠度也較高。 鋼絲繩檢測儀是一種定量檢測鋼絲繩中表面或內(nèi)部斷絲和因磨損、銹蝕、繩徑等引起的鋼絲繩橫截面中金屬截面積總和變化的計(jì)算機(jī)化無損檢測儀器。采用了LF型探傷傳感器和LMA型探傷傳感器，檢測信號經(jīng)過放大、濾波等處理后由計(jì)算機(jī)采集和判別，檢測的結(jié)果可顯示、存儲、打印。鋼絲繩運(yùn)行的位置由光電編碼器編碼后進(jìn)入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對位置編碼器發(fā)出的脈沖信號計(jì)數(shù)，通過計(jì)算后得到精確的位置。 圖2 磁檢測原理四、弱磁檢測 弱磁檢測是基于“空間磁場矢量合成”，采用寬距、非接觸式弱磁能勢感應(yīng)裝置（如圖3、圖4），通過提取已施

7、加磁載的鐵磁性材料上弱磁能勢分布差異信息，完成定位、定性和定量識別鋼絲繩內(nèi)外部各種缺陷的創(chuàng)新性電磁無損檢測技術(shù)。 注：磁能勢，即磁場能量梯度；體積元，即鋼絲繩沿軸向的體積微分。體積元內(nèi)載荷材料的綜合退變特征也就是鋼絲繩金屬截面積損失（LMA）和局部缺陷（LF）的綜合反映。 圖3 漏磁傳感器 圖4 傳感器的安裝分布五、鐵磁性材料的磁特性 根據(jù)量子力學(xué)理論，由于相鄰電子自旋磁矩的交換耦合作用，使得鐵磁性介質(zhì)內(nèi)部排列形成一定形狀的“磁疇”，每個磁疇內(nèi)部具有同一個自旋磁矩方向（如圖5）。 如果某一方向的磁疇在統(tǒng)計(jì)學(xué)分布中具備數(shù)量或者體積上的優(yōu)勢，就會宏觀上顯示出材料磁性。 而如果各磁疇的分布雜亂無章，

8、在任一方向上均無優(yōu)勢，則不會有宏觀磁性產(chǎn)生。給定的外部磁場作用會改變某一方向的磁疇數(shù)量，使鐵磁性材料儲備或釋放一定的磁能。而且這種改變不隨外部磁場的退出而復(fù)原，即形成所謂磁載。磁載在一定的對稱空間建立磁能勢場，只要沒有劇烈機(jī)械振動或高溫變化等，就會在鐵磁性材料內(nèi)部穩(wěn)定地保持較長時(shí)間。 圖5 磁疇示意圖六、自然狀態(tài)下的鋼絲繩 磁能勢由磁載決定，并依托于鋼絲繩體積元內(nèi)參與機(jī)械負(fù)荷的鐵磁性金屬材料（以下稱”載荷材料”）而分布。由于制造、存儲、運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行等歷史過程對鋼絲繩留下了未知的磁載（其無序的磁載），所以自然狀態(tài)下的磁能勢還不能真實(shí)地反映體積元的材質(zhì)特征，即材料究竟是正常還是有缺陷。因此先需

9、要一種方法以建立磁載與載荷材料材質(zhì)特征之間的物理對應(yīng)。 圖6 弱磁檢測技術(shù)工藝向鐵磁性構(gòu)件（鋼絲繩）施加給定磁載（如圖6），使所有載荷材料具有同等適度的低量級磁能積（材料的磁能量密度），并且如果載荷材料沿鋼絲繩軸向等量均勻，連續(xù)分布，則任意體積元的磁能積也是等量均勻的。即：沿鋼絲繩所建的軸向磁場均勻而且連續(xù)，穿過任意體積元的磁通等量，而且磁通密度均勻（其均勻的磁載）。注：磁能積反映單位體積的磁載儲存能量水平，類似于物理學(xué)中運(yùn)動系統(tǒng)的勢能。七、鋼絲繩損傷與磁性特征發(fā)生退變的體積元，或因拉伸塑性徑縮、碾壓/研磨/銹蝕性缺損（LMA），或因疲勞裂隙、裂斷等突變/間斷（LF），磁力線在這些退變的體積元

10、中只能沿不規(guī)則的低能耗路徑排布，磁通密度隨之變化，磁能積分布不均勻，使各體積元產(chǎn)生磁能勢差異(如圖7)。而且，這些退變的程度越嚴(yán)重，磁能勢差異就越突出。只要對鋼絲繩正常載荷材料體積元進(jìn)行“完好定義” 標(biāo)定無缺陷體積元的磁能勢特征量，通過與提取的鋼絲繩全部載荷材料體積元磁能勢特征量的模式對比，即可有效識別載荷材料因退變產(chǎn)生的磁能勢差異，并由這種載荷材料物理場變量映射其機(jī)械承載性能相關(guān)變化的定量關(guān)系，也就實(shí)現(xiàn)了無損條件下定位、定性和定量檢測鋼絲繩各種退變特征的技術(shù)目標(biāo)。 圖7 各種缺陷的形態(tài)和對磁力線的影響八、檢測方法 弱磁檢測方法引入調(diào)制給定弱電磁場，與經(jīng)弱磁規(guī)劃的鋼絲繩弱磁場形成物理場關(guān)聯(lián)。使

11、傳感器具有弱磁狀態(tài)無基噪工作、提離效應(yīng)自抑式寬距感應(yīng)、高靈敏/高分辨/高速率空域等突出的技術(shù)特點(diǎn)。 采用弱磁檢測方法連續(xù)采樣后，再通過數(shù)學(xué)分析模型，對鋼絲繩各體積元磁能勢差異樣本值進(jìn)行圖表化處理、統(tǒng)計(jì)學(xué)計(jì)算和曲線波型分析，就能把影響鋼絲繩機(jī)械承載性能的所有細(xì)部缺陷清晰地反映出來，同時(shí)給出描述這些退變特征危險(xiǎn)程度的等效映射量值，提供準(zhǔn)確、客觀并完整的安全評估基礎(chǔ)信息。九、檢測過程 在檢測之前要先用弱磁加載儀對鋼絲繩進(jìn)行弱磁加載，然后用探傷儀來檢測（如圖8）。功能：對鋼絲繩進(jìn)行弱磁加載，使鋼絲繩上不規(guī)則的磁場變成有序的磁場。這是進(jìn)行正常檢測的前提。 圖8 檢測過程方法：正確安裝加載儀（檢測儀）于鋼絲繩上，推動弱磁加載儀，使其從確定的起點(diǎn)到確定的終點(diǎn)與被測鋼絲繩完成連續(xù)相對運(yùn)動（如圖9）。 圖9 加載儀安裝方法加載儀加載儀有效標(biāo)定區(qū)磁極(1.52.0m)磁極(1.52.0m)加載儀加載儀 圖9 檢測儀安裝方法注意事項(xiàng)：（1）、磁化過程保持連續(xù)，中途不得停頓，不得取下儀器。 （2）、記錄磁化方向。十、檢測報(bào)告十一、曲線分析 1. 斷絲曲線特征l 曲線突出l 寬度較窄綜合曲線： 斷絲特征曲線斷絲特征曲線 2.銹磨曲線特征l 曲線扁平 l 曲線長度較寬綜合曲線： 銹磨曲線銹磨曲線 3.壓傷類型曲線特征l 寬度較窄 壓傷類型曲線壓傷類型曲線綜合曲線：綜合曲線： 4