電磁超聲導波技術(shù)在鋼絲繩檢測中的應用

于淑敏，劉雪芳

（華電鄭州機械設(shè)計研究院有限公司，鄭州 450015）

電磁超聲導波技術(shù)在鋼絲繩檢測中的應用

于淑敏，劉雪芳

（華電鄭州機械設(shè)計研究院有限公司，鄭州 450015）

由于鋼絲繩本身結(jié)構(gòu)以及使用環(huán)境的不同，檢測較困難。介紹了電磁超聲導波檢測技術(shù)及其原理，通過試驗對鋼絲繩電磁超聲導波檢測技術(shù)進行了驗證。利用超聲波在鋼絲繩中導波模式傳播，可快速提取鋼絲繩中缺陷的超聲信號，克服電磁檢測的盲區(qū)，實現(xiàn)對鋼絲繩的長距離、快速檢測。

鋼絲繩；電磁超聲導波；導波檢測系統(tǒng)；小波分析

0 引言

在役鋼絲繩的損傷情況和承載能力，與設(shè)備和人身安全緊密相關(guān)［1］。斷絲、磨損和銹蝕是鋼絲繩強度減弱的主要影響因素。人工檢查和磁性法檢測是鋼絲繩檢測的常用方法，其準確程度差、效率低［2］。為了提高鋼絲繩的檢測效率，快速提取表征缺陷的超聲信號，并且克服電磁檢測的盲區(qū)，以達到對鋼絲繩長距離快速檢測的目的，研制出一套電磁超聲導波（EMAT）檢測系統(tǒng)。本文通過對不同規(guī)格的鋼絲繩進行檢測試驗，研究電磁超聲導波檢測技術(shù)在鋼絲繩檢測中的應用。

1 電磁超聲導波檢測技術(shù)

利用超聲導波在鋼絲繩中傳播的導波模式，EMAT檢測技術(shù)能快速地檢測鋼絲繩的斷絲和腐蝕，且能夠100%覆蓋被檢測區(qū)域。

使用超聲導波檢測系統(tǒng)時，將探頭（鐵鈷合金磁鐵+柔性線圈）安裝到鋼絲繩上，通過激勵產(chǎn)生的超聲導波就可以沿著鋼絲繩進行傳播，遇到斷絲和腐蝕的部位就會產(chǎn)生反射信號，以此來判斷缺陷的位置和反射波幅度。

2 鋼絲繩EMAT檢測系統(tǒng)

鋼絲繩材質(zhì)是鐵磁性的，利用其自身的磁致伸縮效應可以直接激勵和接收導波，檢測原理如圖1所示。激勵線圈、檢測線圈和提供偏置磁場的磁化器組成了傳感器，結(jié)構(gòu)如圖2所示［3］。用排線制作的2種線圈分別纏繞在被檢鋼絲繩上，用于實現(xiàn)交變磁場和應力波之間的能量與信號轉(zhuǎn)換。偏置磁場可以采用電磁或永磁方式加載，其方向沿軸線方向。偏置磁場的主要作用是提高磁能與聲能的換能效率，以及選擇導波模態(tài)［4］。進行檢測時，為了產(chǎn)生交變磁場，先將大電流脈沖信號通入發(fā)射線圈；由于磁致伸縮效應，發(fā)射線圈附近的鐵磁材料會受到交變應力作用，這樣會激勵出超聲波脈沖；沿鋼絲繩軸線傳播的超聲脈沖，由于鋼絲繩的表面影響，會不斷在鋼絲繩內(nèi)部發(fā)生反射、折射和模式轉(zhuǎn)換，最終穩(wěn)定導波模態(tài)的形成正是由于超聲波脈沖經(jīng)過復雜的干涉和疊加的結(jié)果。若鋼絲繩內(nèi)部存在缺陷，鋼絲繩內(nèi)部缺陷處將反射導波；由于逆磁致伸縮效應，反射回來的應力波使通過檢測線圈的磁通量改變，磁通量變化經(jīng)過檢測線圈的轉(zhuǎn)換引起電動勢變化；反射回來的超聲導波信號的時間和幅度可以通過測量檢測線圈的感應電動勢間接得到，進而可以知道缺陷的大小和位置等信息［5］。

圖1 直接激勵法磁致伸縮導波檢測原理

圖2 傳感器原理

3 檢測技術(shù)條件

3.1 檢測儀器

檢測儀器應具有信號激勵、數(shù)據(jù)采集、信號波形顯示、分析與存儲的功能，且至少滿足以下要求：（1）激勵信號的頻率、幅值、周期數(shù)、重復頻率可調(diào)；（2）數(shù)據(jù)采集頻率不低于激勵信號最高頻率的10倍，應與信號激勵具有同步功能；（3）檢測信號應能實時存儲，以備后續(xù)處理和分析；（4）具有距離顯示方式；（5）能夠分析缺陷的位置，缺陷位置的最小分辨率應達到10mm。

3.2 傳感器

每個傳感器應給出被檢鋼絲繩材料和規(guī)格的適用范圍。

3.3 試樣

（1）校準試樣。校準試樣用于對檢測設(shè)備進行靈敏度和各種功能的測試。校準試樣選用直徑為20mm，材料為45的圓鋼，有2%，4%和6%截面損失率的橫向環(huán)形切槽各1個，如圖3所示。切槽的寬度為0.5～2.0mm，深度方向的公差為±0.2mm。

圖3 校準試樣示意

（2）對比試樣。對比試樣用于對被檢測鋼絲繩缺陷截面損失率當量進行評定。對比試樣應采用與被檢測鋼絲繩規(guī)格相同的材料制作，試樣的長度不小于5m，2個部位分別加工斷絲，每處斷絲的數(shù)量按截面損失率的6%進行計算，同一處斷絲應緊密相鄰，端部斷絲位置距試樣端部至少0.5m。

4 試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

4.1 試驗過程及結(jié)果

為研究超聲導波在鋼絲繩長距離、快速檢測中的應用，使用鋼絲繩電磁超聲導波檢測系統(tǒng)，通過試驗對鋼絲繩電磁超聲導波檢測技術(shù)進行討論。試驗從鋼絲繩的參數(shù)（直徑、股數(shù)、鋼絲繩的單絲直徑、端頭距離缺陷的長度等）和電磁超聲導波檢測的參數(shù)（脈沖周期、發(fā)射頻率、重復頻率、發(fā)射接收探頭間距等）方面進行研究，具體試驗過程及結(jié)果如下。

4.1.1 直徑8mm，單絲直徑1mm，長度5650mm單股鋼絲繩

采用單端發(fā)射、單端接收的方法對鋼絲繩進行檢測，磁化方式是將鐵鈷帶用膠水固定在鋼絲繩上，測試時要對鐵鈷帶上磁處理，測試時發(fā)射處又加了磁鐵增加磁化效果。將發(fā)射線圈和接收線圈接好后接通電源，打開探傷軟件，在10～50 kHz范圍內(nèi)進行發(fā)射頻率的調(diào)節(jié)，得出發(fā)射頻率為30 kHz、脈沖周期為5時波形處于最佳模態(tài)。

調(diào)節(jié)檢測范圍在12m以上，將A和B閥門分別套在一次端頭波和二次端頭波上，在聲速校準欄輸入鋼絲繩的長度5650mm，v=4536m／s進行聲速校準（發(fā)射探頭P20，接收探頭P20），如圖4所示，圖中：橫坐標為范圍，mm；縱坐標為幅值，%；下同。在鋼絲繩距端頭約1580mm處鋸1.0mm切槽進行測試，波形如圖5所示，由圖5可以看出：端頭波A閘門位置為5650mm，缺陷波B閘門顯示位置為4 051 mm，理論計算缺陷位置應為4 070mm，誤差為19 mm，與缺陷實際位置比較吻合。

圖4 聲速校準

圖5 距端頭1580mm鋸1.0mm深缺陷波形

4.1.2 不同單絲直徑、鋼絲繩直徑、發(fā)射接收探頭間距、探頭頻率的試驗結(jié)果

針對不同單絲直徑、鋼絲繩直徑、發(fā)射／接收探頭間距、探頭頻率，采用單端發(fā)射、單端接收的方法對鋼絲繩進行檢測，檢測試驗參數(shù)見表1，在10～120 kHz范圍內(nèi)確定最佳發(fā)射頻率及脈沖周期，進而得到波形最佳模態(tài)，試驗結(jié)果如圖6～15所示。

圖6 試驗1結(jié)果

圖7 試驗2結(jié)果

4.2 試驗結(jié)果分析

（1）對于不同單絲直徑和鋼絲繩直徑，調(diào)節(jié)發(fā)射頻率和脈沖周期，在一定距離范圍內(nèi)可得到導波信號的最佳模態(tài)。

（2）鋼絲繩單絲直徑越大，單股絲數(shù)越少，接收到的反射波高越高，檢測效果越好。

表1 鋼絲繩電磁超聲導波檢測技術(shù)試驗參數(shù)

圖8 試驗3結(jié)果

圖9 試驗4結(jié)果

圖10 試驗5結(jié)果

圖11 試驗6結(jié)果

圖12 試驗7結(jié)果

圖13 試驗8結(jié)果

圖14 試驗9結(jié)果

圖15 試驗10結(jié)果

（3）導波傳播距離越大受鋼絲繩結(jié)構(gòu)影響越大。

5 結(jié)論

使用鋼絲繩電磁超聲導波檢測系統(tǒng)，通過設(shè)置不同試驗參數(shù)，對鋼絲繩電磁超聲導波檢測得出以下結(jié)論：（1）可對一定長度的鋼絲繩進行快速、高效的檢測；（2）導波傳播距離受鋼絲繩結(jié)構(gòu)影響很大；（3）單絲越粗，單股絲數(shù)越少，效果越好；單絲越細，單股絲數(shù)越多，效果越差。

［1］喬巨忠.強力輸送帶無損探傷儀的研制［J］.山西焦煤科技，2005，29（3）：32-33.

［2］曹印妮，張東來，徐殿國.鋼絲繩定量無損檢測現(xiàn)狀［J］.無損檢測，2005，27（2）：91-95，106.

［3］柯巖.基于磁致伸縮導波的鋼管無損檢測實驗研究［D］.武漢：華中科技大學，2006.

［4］段鴻杰，林鳴，李文波.基于磁致伸縮技術(shù)的吊桿檢測應用研究［J］.湖南交通科技，2014，40（1）：104-106.

［5］鋼絲繩電磁超聲導波檢測導則：QB／HDMDI 001—2015［S］.

（本文責編：白銀雷）

TG 87

B

1674-1951（2016）12-0009-03

于淑敏（1988—），女，河南開封人，助理工程師，碩士，從事無損檢測方面的工作（E-mail：yusm＠hdmdi.com）。

2016-09-29；

2016-11-04

鄭州市技術(shù)研究與開發(fā)經(jīng)費支持項目（141PCGZH477）

劉雪芳（1963—），女，河南許昌人，高級工程師（教授級），從事無損檢測方面的工作（E-mail：liuxf＠hdmdi.com）。