鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究綜述

張?zhí)m娣 宋明星 倪笑宇 張東輝 戴美魁

摘要：本文主要通過(guò)介紹世界各國(guó)對(duì)鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究，以此探討鋼絲繩所具備的缺陷以及無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、發(fā)展歷程及現(xiàn)狀等，提出了在無(wú)損檢測(cè)鋼絲繩中所存在的主要問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：鋼絲繩 技術(shù)研究 發(fā)展現(xiàn)狀

鋼絲繩在各類(lèi)起重機(jī)、索道、電梯等設(shè)備中廣泛使用，作為承載構(gòu)件，工作中也會(huì)發(fā)生疲勞、銹蝕以及磨損甚至出現(xiàn)驟斷的現(xiàn)象。而鋼絲繩受損就會(huì)影響到設(shè)備和人身的安全，造成因?yàn)槔K破斷引發(fā)的事故時(shí)有發(fā)生。我們通過(guò)各種方法對(duì)鋼絲繩的缺陷進(jìn)行了檢測(cè)，目的就是為了能夠延長(zhǎng)鋼絲繩的使用壽命以及鋼絲繩破斷之前能夠及時(shí)的更換。但是因?yàn)殇摻z繩結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及使用環(huán)境的惡劣性，導(dǎo)致出現(xiàn)缺陷的原因也是多種多樣的，再加上檢測(cè)方法的局限性，這些都為鋼絲繩的檢測(cè)增加了技術(shù)難度?，F(xiàn)在常常使用人工目視檢查法和定期強(qiáng)制更換鋼絲繩法兩種。定期強(qiáng)制更換不但報(bào)廢了仍有使用價(jià)值的鋼絲繩，以此造成很大的浪費(fèi)，在一定程度上如果不及時(shí)更換因種種因素造成損傷嚴(yán)重的鋼絲繩；人工目視檢查現(xiàn)在很難滿(mǎn)足對(duì)鋼絲繩檢測(cè)的要求，因而對(duì)鋼絲繩的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究的需要是十分迫切的。

1 鋼絲繩缺陷

鋼絲繩的缺陷一般分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是局部缺陷型，即局部有損傷，主要是內(nèi)部和外部斷絲有銹蝕斑點(diǎn)以及局部形狀異常等。第二類(lèi)是金屬截面積損失型，磨損、銹蝕、繩徑縮細(xì)等造成鋼絲繩橫截面上金屬截面積損耗。

2 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要是在鋼絲繩不被破壞的前提下，然后檢測(cè)鋼絲繩的機(jī)械性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)是否完好，我們根據(jù)檢查結(jié)果然后對(duì)照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估鋼絲繩的工作狀態(tài)。鋼絲繩的無(wú)損檢測(cè)方法有很多種，如電磁法、聲發(fā)射法、超聲波法、光學(xué)法、X射線(xiàn)法和電渦流法等，但是有些方法因?yàn)榧夹g(shù)限制難以在工程上使用，僅限于用于實(shí)驗(yàn)研究。

3 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷程

最早的鋼絲繩的無(wú)損檢測(cè)研究主要起源時(shí)間為上個(gè)世紀(jì)，是南非人CEMc.cann和R.Colson共同研制出第一臺(tái)適用于測(cè)量鋼絲繩界面損傷的電磁無(wú)損檢測(cè)儀。這種儀器所采用的就是交流螺線(xiàn)管磁化鋼絲繩，其中鋼絲繩作為電感鐵芯。如果鋼絲繩的截面積發(fā)生變化，那么勵(lì)磁線(xiàn)圈與檢測(cè)線(xiàn)圈之間的耦合阻抗也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，這樣我們就可以對(duì)鋼絲繩截面積變化引起的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。因集膚效應(yīng)，該法測(cè)量的精度較差，儀器容易發(fā)熱，并且每次測(cè)量都要把線(xiàn)圈纏繞在鋼絲繩上。因此，很難在工程使用上進(jìn)行推廣。

上世紀(jì)20-40年代，德國(guó)科學(xué)家采用的差動(dòng)檢測(cè)圈測(cè)量漏磁場(chǎng)，并發(fā)現(xiàn)了鋼絲繩的局部損傷缺陷。但是該方法直到1937年由R.Wornle和H.Müllur發(fā)明分離式徑向感應(yīng)線(xiàn)圈后，才得以有效應(yīng)用。但是直流勵(lì)磁結(jié)構(gòu)的龐大，裝置的笨重以及操作復(fù)雜性，線(xiàn)圈的安裝困難、信號(hào)的信噪比差等，都使得檢測(cè)結(jié)果的可靠性較低。

上世紀(jì)60-80年代中期，很多學(xué)者廣泛深入的研究了鋼絲繩檢測(cè)中存在的問(wèn)題，取得了很大進(jìn)展。這個(gè)階段主要進(jìn)行的研究就是如何的穩(wěn)定、可靠和明顯的鋼絲繩缺陷信號(hào)，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行模擬分析、筆式記錄或磁帶記錄。但這些都要依靠人工解釋檢測(cè)信號(hào)，所以結(jié)論受工作人員自身素質(zhì)影響很大，再加上儀器的精度和智能化程度都較低，使得儀器的推廣使用受到限制。

80年代后期-90年代中后期，鋼絲繩檢測(cè)技術(shù)獲得了很大提高。勵(lì)磁裝置用稀土永久磁鐵，信號(hào)處理裝置趨向于集成化和數(shù)字化，整個(gè)儀器的體積在減小，重量降低，就使得功能增強(qiáng)。美國(guó)的NDT公司的H.R.weischedel博士深入研究了各種鋼絲繩檢測(cè)裝置，以此改進(jìn)了檢測(cè)線(xiàn)圈，增加了積分電路。該裝置可對(duì)鋼絲繩的截面積損失進(jìn)行檢測(cè)，然后分析斷絲等局部缺陷。加拿大礦業(yè)能源技術(shù)中心的E.Kalwa博士用霍爾組件檢測(cè)鋼絲繩的漏磁通和主磁通，借助大量實(shí)驗(yàn)，然后對(duì)鋼絲繩局部缺陷與檢測(cè)信號(hào)的定量關(guān)系進(jìn)行了深入的分析，發(fā)現(xiàn)部分缺陷的定量特征與檢測(cè)信號(hào)之間的關(guān)系。鋼絲繩雖然在電磁檢測(cè)技術(shù)方面取得了一系列成果，但很多研究者仍在積極探索新的缺陷檢測(cè)法。

1984年，英國(guó)J.L.Taylor與N.F.Casey通過(guò)很多試驗(yàn)，深入研究了聲發(fā)射技術(shù)檢測(cè)鋼絲繩缺陷的原理，該方法對(duì)檢測(cè)在特殊環(huán)境中工作的鋼絲繩很有意義。1987年，德國(guó)學(xué)者采用激光束沿鋼絲繩軸向連續(xù)掃描，測(cè)量相鄰的繩股尺寸在徑向上的改變，以此計(jì)算出鋼絲繩不同部位的直徑。1988年，日本的鈴木紀(jì)生研究出了超聲波檢測(cè)鋼絲繩斷絲缺陷的方法，以此解決靜態(tài)懸吊鋼絲繩的檢測(cè)問(wèn)題。同年美國(guó)的科學(xué)家H.Kwun與GL.Burkhard也通過(guò)試驗(yàn)，研究出了基于橫向激勵(lì)振動(dòng)波檢測(cè)鋼絲繩的缺陷。1994年H.Kuwn深入研究了利用磁致伸縮效應(yīng)檢測(cè)鋼絲繩缺陷，取得了一定進(jìn)展。

華中科技大學(xué)的楊叔子、康宜華等，從上世紀(jì)80年代開(kāi)始研究鋼絲繩斷絲檢測(cè)技術(shù)，采用稀土永久磁鐵作為勵(lì)磁裝置，使用集成霍爾組件和聚磁技術(shù)測(cè)量鋼絲繩周?chē)穆┐艌?chǎng)，用編碼器實(shí)現(xiàn)等距離采樣，在計(jì)算機(jī)中采用差分門(mén)限法識(shí)別斷絲信號(hào)，這種系列的鋼絲繩缺陷檢測(cè)儀，在推廣應(yīng)用中反響很好。

4 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀

4.1 鋼絲繩局部缺陷的定量檢測(cè) 局部缺陷的定量檢測(cè)主要是對(duì)鋼絲繩斷絲的根數(shù)進(jìn)行判斷的。目前，檢測(cè)斷絲主要是利用漏磁通法，測(cè)量鋼絲繩斷絲后斷口向外擴(kuò)散的漏磁通大小。單根斷絲漏磁通的大小與斷絲在截面中的位置、斷口長(zhǎng)度、磁化的飽和程度、鋼絲直徑大小以及受力狀態(tài)等很多不確定因素有一定關(guān)系。在被檢區(qū)域內(nèi)，如果只有分布在外表面的極少量斷絲，那么判斷起來(lái)較為簡(jiǎn)單。若是在同一截面，內(nèi)外都出現(xiàn)很多根的斷絲，且斷絲在截面隨機(jī)的分布，那么所檢測(cè)到的斷絲漏磁通峰——峰值不隨斷絲根數(shù)呈線(xiàn)性變化或其它形式的確定性變化，這給定量檢測(cè)斷絲缺陷帶來(lái)較大誤差。

4.2 鋼絲繩截面積損失的定量檢測(cè) 局部缺陷的定量檢測(cè)相對(duì)的困難，其中美國(guó)、加拿大的學(xué)者們把注意力主要都集中在截面積損失的定量檢測(cè)中。因此，采用積分檢測(cè)線(xiàn)圈和基于霍爾元件的主磁通檢測(cè)法可以定量測(cè)量截面積的損失，同時(shí)還可以通過(guò)基于霍爾元件的漏磁通法進(jìn)行間接測(cè)量。其中，檢測(cè)探頭分辨率的高低是非常關(guān)鍵的性能指標(biāo)，因此應(yīng)深入研究的是怎樣提高探頭的截面積損失的軸向定量檢測(cè)分辨率。

4.3 鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)裝置的研究 在鋼絲繩電磁檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域中，加拿大的能源技術(shù)中心和美國(guó)的NDT公司以及國(guó)內(nèi)的華中科技大學(xué)處于領(lǐng)先的地位。1996年加拿大能源中心的研究小組完成了鋼絲繩缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。此系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，操作提示多，但是智能化程度相對(duì)較低，檢測(cè)曲線(xiàn)仍需要操作人員解釋。為了改變這一現(xiàn)狀，美國(guó)的NDT公司研究出基于永久磁鐵和積分線(xiàn)圈的鋼絲繩截面積損失檢測(cè)系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)只能檢測(cè)斷絲缺陷。

5 存在的問(wèn)題

綜上所述，目前已有的鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)存在的主要問(wèn)題，就是我們說(shuō)的反映檢測(cè)的智能化程度、主觀(guān)因素的影響以及檢測(cè)結(jié)果的客觀(guān)性和鋼絲繩斷絲損傷信息所采集的不完整性，這樣無(wú)法對(duì)鋼絲繩的鋼絲損失做出具體、完整、準(zhǔn)確的評(píng)估。因此，就需要我們研制出性能高、可靠性強(qiáng)的智能化檢測(cè)儀器。

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基金項(xiàng)目：河北建筑工程學(xué)院科學(xué)技術(shù)研究基金資助（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)Y-201314）。