礦用鋼絲繩無損檢測講解

礦用鋼絲繩無損檢測摘要：礦用鋼絲繩作為礦井提升、運(yùn)輸及承載設(shè)備中的關(guān)鍵零機(jī)構(gòu)，其安全性極為重要。本文以礦用鋼絲繩為研究對象，簡述礦用鋼絲繩無損檢測的意義,分析了礦用鋼絲繩的結(jié)構(gòu)、缺陷類型及報廢標(biāo)準(zhǔn)，針對礦用鋼絲繩的局部LF缺陷，簡述了礦用鋼絲繩漏磁檢測原理和合適的勵磁技術(shù)，根據(jù)磁荷分析理論和磁場矢量疊加基本原理，采用局部缺陷LF法對鋼絲繩斷絲漏磁理論進(jìn)行了分析，最后闡述了礦用鋼絲繩漏磁檢測系統(tǒng)的構(gòu)成。關(guān)鍵詞：礦用鋼絲繩斷絲漏磁檢測NondestructiveTestingforMineWireRopeAbstract：Minewirerope,askeytransportandhoistequipmentintheproductionofmine,whosesafetyisveryimportant.Thispaper,takestheminewireropeastheobjectofstudy,describesthesignificanceofnondestructivetestingofminewirerope,analyzesitsstructure,faulttypesandscrappedrules.InthelightoftheLocalizedFaultofthesteelrope,researchestheprincipleandappropriateexcitationtechniqueofmagneticleakagedetectionforminesteelwirerope,accordingtotheanalysisofthebasictheoryoftheprincipleofmagneticchargeandthemagneticfieldvectorsuperposition,usestheLocalizedFaultmethodtoanalyzesthebrokenwiresofwireropemagneticfluxleakagetheory.andfinallyelaboratestheframeworkofthewireropemagneticleakagedetectionsystem.Keywords:minewireropebrokenwirenondestructivetesting1.前言1.1礦用鋼絲繩無損檢測的意義鋼絲繩是一種重要的繞性構(gòu)件，因其具有較高的抗拉強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度、自重輕、彈性好、工作平穩(wěn)可靠、承受動載和過載能力強(qiáng)以及在高速工作條件下運(yùn)行和卷繞無噪聲等諸多優(yōu)點(diǎn)，在礦產(chǎn)、冶金、交通、建筑等國民經(jīng)濟(jì)主要行業(yè)和部門的提升、運(yùn)輸及牽引等設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用，如各類礦井提升機(jī)、起重機(jī)、貨運(yùn)客運(yùn)索道、電梯、等都大量地使用鋼絲繩。鋼絲繩無損檢測是指在不破壞鋼絲繩的使用狀態(tài)的情況下，應(yīng)用一定的無損檢測手段來檢測其狀態(tài)特性，根據(jù)設(shè)備的檢測結(jié)果，并按一定的評價準(zhǔn)則對其分析評價從而推測其剩余使用壽命及報廢時間。鋼絲繩作為一種工程承載構(gòu)件[1]，它在使用過程中，由于種種原因必然會出現(xiàn)疲勞、銹蝕、磨損甚至驟斷等失效，其承載能力及可靠性直接決定著設(shè)備及人身安全。特別是近年來，因鋼絲繩的制造工藝發(fā)生改變，應(yīng)用于煤礦礦井提升的鋼絲繩更容易發(fā)生一些不易被檢測人員發(fā)覺的失效，以至于悲劇發(fā)生。如，2003年1-5月，全國煤炭系統(tǒng)鋼絲繩問題所造成的重、特大惡性事故就多達(dá)215起，死亡223人；2004年，攸縣黃豐橋鎮(zhèn)碼井煤礦因斷繩事故造成1死1亡。之所以造成這樣的悲劇，其中一方面[2]是因為當(dāng)前缺乏一種可靠的鋼絲繩狀態(tài)檢測手段和評價標(biāo)準(zhǔn)，另一方面是由于現(xiàn)代監(jiān)測儀器的準(zhǔn)確性和可靠度不足。研究表明所有在役鋼絲繩中有少部分處于危險運(yùn)行狀態(tài)，極危險狀態(tài)工作很少，而大部分被更換下來的鋼絲繩的強(qiáng)度損耗很少。這不僅報廢了仍有實用價值的鋼絲繩而造成巨大的浪費(fèi)，而且不能及時檢測出鋼絲繩嚴(yán)重?fù)p傷的部位以導(dǎo)致安全隱患。因此研究一套先進(jìn)的礦用鋼絲繩無損檢測儀器具有很重要的意義。1.2我國礦用鋼絲繩無損檢測的發(fā)展現(xiàn)狀相對于世界水平，我國礦用鋼絲繩無損檢測技術(shù)起步晚，國內(nèi)自行開發(fā)研制的鋼絲繩探傷儀一般是單因素（主要針對鋼絲）的檢測裝置[2]。華中科技大學(xué)[3]80年代初開始研究鋼絲繩在線檢測，他們采用漏磁通法，以永磁鐵對鋼絲繩勵磁，用集成霍爾元件對鋼絲繩周圍各個方向的磁場信號測量，用編碼盤控制采樣的間距，用計算機(jī)對數(shù)據(jù)處理，并對鋼絲繩的勵磁磁路信號處理等進(jìn)行了大量的研究。如他們研制成功的GDJY-B型鋼絲繩斷絲定量檢測、MTC-94型鋼絲繩探傷儀，能定性地檢測鋼絲繩的局部缺陷。由于采用計算機(jī)提高了儀器的智能化水平，實現(xiàn)了鋼絲繩檢測信號的等距離采樣，對斷絲信號特征的提取、斷絲檢測信號定量識別進(jìn)行了有效的探索。該技術(shù)在實際推廣運(yùn)用中取得了良好的成效。另外，洛陽TCK鋼絲繩檢測技術(shù)有限公司所研制成了TCK鋼絲繩探傷儀定量檢測系統(tǒng)，采用弱磁檢測技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的強(qiáng)磁檢測技術(shù)是一大突破。2.礦用鋼絲繩的結(jié)構(gòu)及常見的失效形式2.1礦用鋼絲繩的結(jié)構(gòu)組成煤礦用鋼絲繩是采用高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)碳素鋼，由細(xì)圓鋼經(jīng)多次冷拔、熱處理得到直徑為0.1-5mm的高強(qiáng)度鋼絲制成的。鋼絲繩的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，它是由一定數(shù)量的鋼絲按照一定的方向繞股芯捻制成繩股，一定數(shù)量的繩股再按照一定的方向繞繩芯捻制成鋼絲繩。圖2.1繩股是構(gòu)成鋼絲繩的主要單元，它主要有圓股、三角股、橢圓股、扁帶股、單捻股。繩芯主要用來填充中央斷面和存儲潤滑油，增加鋼絲繩的撓性，保持鋼絲繩形狀的穩(wěn)定性[3]。礦用鋼絲繩的橫截斷面如圖2.2所示，圖2.2礦井提升系統(tǒng)主要由提升容器、提升鋼絲繩、提升機(jī)、天輪或?qū)蜉?、井架、裝卸載設(shè)備及電氣設(shè)備等組成。提升鋼絲繩根據(jù)提升系統(tǒng)的類型不同分為多繩摩擦式提升鋼絲繩和單繩纏繞式提升鋼絲繩，如圖2.3所示。摩擦式提升系統(tǒng)中，提升機(jī)由單個滾筒組成，鋼絲繩在提升機(jī)上固定的繩槽內(nèi)運(yùn)動，提升鋼絲繩一般為四繩或六繩結(jié)構(gòu)，工作時依靠鋼絲繩與提升機(jī)之間的摩擦力帶動鋼絲繩運(yùn)動，在提升作業(yè)過程中鋼絲繩不會沿提升機(jī)軸向移動；纏繞式提升系統(tǒng)的提升機(jī)一般由兩個滾筒組成，每個滾筒上纏繞一根鋼絲繩，鋼絲繩一端固定在卷筒上，另一段沿滾筒軸向纏繞，兩個滾筒上鋼絲繩的纏繞方均相反，鋼絲繩在提升作業(yè)過程中隨著鋼絲繩的收放，鋼絲繩沿提升機(jī)的軸向方緩慢偏移。圖2.3無論摩擦式提升鋼絲繩還是纏繞式提升鋼絲繩，都必須看成閉合的，檢測探頭在結(jié)構(gòu)上都必須能穿過鋼絲繩，鋼絲繩探傷具體安裝位置需根據(jù)現(xiàn)場勘測和使用方要求決定。檢測探頭需在傳統(tǒng)接觸式檢測的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究改進(jìn)，實現(xiàn)能夠在較大提離距離下獲取鋼絲繩的狀態(tài)信號。2.2礦用鋼絲繩的缺陷類型鋼絲繩在使用過程中主要會出現(xiàn)兩大類缺陷[4]：LF型（LocalizedFault局部缺陷型）和LMA型（Lossofmetalcross-sectionalarea金屬截面面積損失型）。LF型缺陷是鋼絲繩有效截面突然變化造成的，其特點(diǎn)是：斷絲、銹蝕、局部變形等；LMA是鋼絲繩有效橫截面在較長范圍內(nèi)普遍減小，主要特點(diǎn)是：磨損、長距離銹蝕、繩徑縮細(xì)等。LF型缺陷的最常見形式是斷絲，其主要有：疲勞斷絲、磨損斷絲、銹蝕斷絲、剪切斷絲、過載斷絲和扭結(jié)斷絲，鋼絲繩正常運(yùn)行過程中前四種情況經(jīng)常發(fā)生，而后兩種情況主要發(fā)生在事故狀態(tài)下。疲勞斷絲是指在一定拉力的作用下，繞在滑輪或是卷筒上的鋼絲繩因受到反復(fù)彎曲的作用，鋼絲疲勞而產(chǎn)生的斷絲，特點(diǎn)是斷口形狀平齊，鋼絲外緣的一小部分被最后拉斷且斷口被拉開一定的距離，繩股彎曲程度最厲害的一側(cè)的外層鋼絲上較易產(chǎn)生疲勞斷絲；磨損斷絲在鋼絲磨損極其嚴(yán)重的情況下才出現(xiàn)的缺陷，是因為股與股之間微小的錯動或是運(yùn)行的過程中與其他物體相接觸而磨損產(chǎn)生的斷絲，其特征是斷口為扁斜狀；銹蝕斷絲是在具有腐蝕性介質(zhì)環(huán)境下運(yùn)行的鋼絲繩因腐蝕生銹，而產(chǎn)生的斷絲，其特點(diǎn)是斷絲形狀不整齊，呈針尖狀；剪切斷絲是因鋼絲受擠壓后被硬性拉斷所產(chǎn)生的，斷口呈剪切狀；過載斷絲是因鋼絲繩承受的載荷過大或是在過大的沖擊力的作用下所造成的斷絲，其斷口呈塑性收縮狀；扭結(jié)斷絲是運(yùn)行中的鋼絲繩松弛造成扭結(jié)后受拉而產(chǎn)生的斷絲，其斷口平整光滑。由于礦井淋水較多，且水多呈酸性，加上在鋼絲繩表面有周圍合金元素的作用、電化學(xué)介質(zhì)及其他腐蝕性物質(zhì)的腐蝕，礦井提升鋼絲繩極容易銹蝕斷絲破壞。對于鋼絲繩外部銹蝕斷絲，可通過人工目視的方法發(fā)現(xiàn)，然而有些鋼絲繩內(nèi)部銹蝕斷絲情況則很難檢測和評價。2.3礦用鋼絲繩的報廢標(biāo)準(zhǔn)鋼絲繩無損檢測的目的是根據(jù)無損檢測的結(jié)果推測在役鋼絲繩的強(qiáng)度損失,得到鋼絲繩殘余強(qiáng)度即它的承載能力,由安全系數(shù)和使用規(guī)程最終決定更換的日期[5]。原系統(tǒng)沒有提供鋼絲繩的劣化判定標(biāo)準(zhǔn),通過查閱國內(nèi)外鋼絲繩手冊并參考國家制定的有關(guān)起重機(jī)械用鋼絲繩檢驗和報廢實用規(guī)范GB5872-86、架空索道用鋼絲繩檢驗和報廢規(guī)范GB9075-88、起重機(jī)械安全規(guī)程GB6067-85等,結(jié)合寶鋼鋼絲繩的現(xiàn)狀,歸納總結(jié)出以下結(jié)論:選取鋼絲繩的斷絲數(shù)量,特別是一定長度內(nèi)的斷絲總數(shù)作為檢驗鋼絲繩是否報廢的首要判定指標(biāo),其次是鋼絲繩相對磨損量即(D實際-D標(biāo)定)/D標(biāo)定(%)。3.礦用鋼絲繩缺陷檢測手段3.1檢測原理目前，除了漏磁檢測法之外，大多數(shù)鋼絲繩無損檢測技術(shù)都只停留在實驗階段。由于鋼絲繩是由優(yōu)質(zhì)鋼材制成的一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鐵磁性構(gòu)件,導(dǎo)磁能力優(yōu)良。當(dāng)勵磁磁路系統(tǒng)沿鋼絲繩軸向通過時,鋼絲繩即被深度磁化并達(dá)到磁飽和。一旦鋼絲繩存在缺陷,則會在鋼繩表面產(chǎn)生漏磁場,或者引起鋼絲繩磁路中磁通量變化。應(yīng)用組合整磁聚磁元,將漏磁場和磁通變化信號均化、聚集、匯收、導(dǎo)向,磁場檢測元件可獲取理想的鋼絲繩的缺陷信號。根據(jù)上一章介紹的鋼絲繩的缺陷類型，可將鋼絲繩的漏磁檢測分為作局部缺陷檢測LF法、截面積損耗型檢測LMA法和LF法與LMA法組合于一體的雙重檢測法[6]。本文使用局部缺陷LF法來檢測礦用鋼絲繩缺陷。3.2斷絲漏磁理論分析為了深入研究鋼絲繩LF檢測法的原理，本節(jié)對測試系統(tǒng)漏磁場進(jìn)行理論分析，通過計算鋼絲繩存在斷絲缺陷時的漏磁場分布，研究測試系統(tǒng)的磁路參數(shù)，進(jìn)而為鋼絲繩探傷儀的設(shè)計提供理論依據(jù)。礦用鋼絲繩的常見斷絲斷口形狀如圖3.1所示。圖3.1斷絲端口形狀假設(shè)斷絲斷口處分別有一磁荷，根據(jù)磁場分布理論可計算出斷絲斷口處漏磁場的分布，繼而實現(xiàn)對缺陷處的磁場分布情況做定性和定量的解釋，單絲斷口的磁荷模型如圖3-2.圖3.2磁荷分析坐標(biāo)系[7]建立如閣3.2所示的坐標(biāo)系，設(shè)鋼絲繩最外層股鋼絲的直徑d,斷絲斷口的間距則為2L-d，假設(shè)在斷絲斷口P1(-L,0)點(diǎn)和P2(L,0)點(diǎn)處分別具有點(diǎn)磁荷-Q和Q,根據(jù)磁荷分析理論和磁場矢量疊加基本原理，P(x,y)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B應(yīng)等于磁荷-Q和Q在該點(diǎn)產(chǎn)生磁場強(qiáng)度的矢量和。設(shè)P1點(diǎn)磁荷在P點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B1為：因此，對于一定提離距離的鋼絲繩，缺陷處漏磁場沿鋼絲繩軸線方向的分量可按公式（4-10）和（4-8）計算獲得。缺陷處沿鋼絲繩方向的磁場強(qiáng)度分量就反應(yīng)了斷絲的間距大小。3.3系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)由信號獲取單元、信號處理單元、機(jī)械控制單元和終端處理單元組成。信號獲取單元針對鋼絲繩的無損探傷，常用的磁場檢測元件主要有：感應(yīng)線圈、霍爾元件、磁通門傳感器、磁致伸縮傳感器以及磁阻式磁強(qiáng)計。而與其他傳感器相比，磁阻傳感器具有尺寸小、靈敏度更高，允許傳感器離鋼絲繩表面距離大，內(nèi)阻抗小，對電噪聲和干擾不敏感等優(yōu)點(diǎn)，而且可靠性高、安裝方便。于是針對本文研究的礦用鋼絲繩檢測，須選用磁阻式磁強(qiáng)計作為傳感器來檢測鋼絲繩磁場。傳感器的安裝位置見圖3.3。圖3.3針對鋼絲繩漏磁檢測，首先需要對鋼絲繩進(jìn)行磁化，而目前對鋼絲繩的磁化技術(shù)主要有交流磁化、直流磁化和永磁磁化。因交流磁化檢測精度低，傳感器容易發(fā)熱且操作麻煩，直流磁化可靠性差，而永磁磁化檢測裝置體積小，重量輕[8],故本文選用永磁磁化技術(shù)，鑒于本文討論的礦用閉合的鋼絲繩結(jié)構(gòu)，須將勵磁裝置設(shè)計為剖分式結(jié)構(gòu)，如圖3.4所示。圖3.4勵磁裝置機(jī)械控制單元由液壓系統(tǒng)構(gòu)成，控制鋼絲繩的平移、停止和運(yùn)行速度。信號處理單元是由放大器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、位置測量電路等組成。放大器將采集的檢測信號通過功率放大器放大，濾波器去除掉外界干擾信號，再通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。終端處理單元編制一套數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理程序，程序框圖如圖3.5，將采集到的信號數(shù)據(jù)通過計算機(jī)運(yùn)行處理從而得到鋼絲繩斷絲位置及斷絲信息。圖3.5數(shù)據(jù)采集程序流程圖根據(jù)鋼絲繩直徑、鋼絲直徑和缺陷的可能大小設(shè)計由導(dǎo)向輪和光電編碼器構(gòu)成的等距離脈沖發(fā)生器，它能以極小間距發(fā)出等距脈沖，鋼絲繩在移動過程中的缺陷被傳感器檢測到后，編碼器記錄下缺陷位置。利用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,然后進(jìn)行數(shù)字信號的分析處理,局部異常信號被識別和貯存;檢測結(jié)束后,計算機(jī)對貯存的信號進(jìn)行進(jìn)一步處理,剔除干擾信號后再定量判別斷絲情況,最終的檢測結(jié)果如圖3.6所示。圖3.6檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖4.結(jié)語論述了礦用鋼絲繩無損檢測的意義，總結(jié)了礦用鋼絲繩無損檢測的現(xiàn)狀，論述了鋼絲繩的結(jié)構(gòu)特征及其損傷類型，列出了目前國家鋼絲繩的報廢標(biāo)準(zhǔn)，并分析對比了目前所用到的鋼絲繩無損檢測技術(shù)，從中選用漏磁檢測鋼絲繩的缺陷。著重研究了鋼絲繩局部缺陷LF法鋼絲繩探傷，理論