鋼絲繩在線檢測技術(shù)

1、 鋼絲繩在線檢測技術(shù) 肖化明（起重游樂廠車檢驗部） 電話電子郵箱： 湖南省特種設(shè)備檢驗檢測研究院 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

2、婚媽媽。 而另一起發(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)備檢驗檢測研究院派機電類肖化明、王 廣宇到河南省洛陽市參加鋼絲繩無損探傷培訓學習， 并參加了廠家的理論考試、實踐考試，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

3、作原理 傳統(tǒng)的鋼絲繩檢測方法是人工目視檢查，采 用游標卡尺測量繩徑，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 論鋼絲繩的實際狀況如何均實行更換。所以采用 儀器對鋼絲繩的狀況進行檢測，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，當鋼絲繩通過這一磁化磁場時，一旦鋼 絲繩中存在缺陷，則會在鋼絲繩表面產(chǎn)生漏磁場

4、， 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

5、。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

6、陷漏磁場是一關(guān)鍵，通常由磁敏感元件實 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算機化無損檢測 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、濾波等處理后由計算機 采集和判別，檢測的結(jié)果可顯示、存儲、打印。 鋼絲繩運行的位置由光電編碼器編碼后進入計算 機，計算機對位置編碼器發(fā)出的脈沖信號計數(shù)， 通過計算后得到

7、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

8、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)計學分布中具備數(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，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)參與機械負荷的鐵磁性金屬材料（以下稱”載荷

9、材料”）而分布。由于制造、存儲、運輸、安裝、 運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

10、映單位體積的磁載儲存能量水平， 類似于物理學中運動系統(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行“完好定 義” 標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

11、物理場變量映射其機械承載性能相關(guān)變化的定 量關(guān)系，也就實現(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。 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。 采用弱磁檢測方法連續(xù)采樣后，再通過數(shù)學分析 模型，對鋼絲繩各體積元磁能勢差異樣本值進行 圖表化處理、統(tǒng)計學計算和曲線波型分析，就能 把影響鋼絲繩機械承載性能的所有細部缺陷 清晰地反映出來，同時給出描述這些退變特征危險 程度的等效映射量值，

12、提供準確、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行弱 磁加載，然后用探傷儀來檢測（如圖8）。 功能：對鋼絲繩進行弱磁加載，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，使其從確定的起點到確定的 終點與被測鋼絲繩完成連續(xù)相對運動（如圖9）。 圖9 加載儀安裝方法 加載儀加載儀 有效標定區(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：（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