鋼絲繩無損檢測中存在問題的探討

吳 澎，花虎躍

(國家鋼絲繩產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心， 南通 226011)

鋼絲繩無損檢測中存在問題的探討

吳 澎，花虎躍

(國家鋼絲繩產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心， 南通 226011)

針對在役鋼絲繩中存在的局部損傷LF型和金屬橫截面積損失LMA型缺陷，目前基本采用電磁檢測法檢測。主流的鋼絲繩無損檢測儀是采用永磁磁化激勵的原理，通過霍爾元件傳感器采集缺陷信號。在實際檢測中，通過無損檢測儀檢測LMA型缺陷能取得比較好的效果，但受到檢測技術(shù)的限制和鋼絲繩結(jié)構(gòu)的影響，對LF型缺陷不能進行定量分析。采用半定量的方法對LF型缺陷進行分析發(fā)現(xiàn)，其檢驗結(jié)果存在一定的偏差，只能起到參考作用。只有解決LF型缺陷的定量檢測以及缺陷與鋼絲繩強度的關(guān)系，無損檢測才能真正準確預(yù)測在役鋼絲繩的使用壽命。

鋼絲繩；無損檢測；缺陷；使用壽命

鋼絲繩廣泛用于海洋、冶金、礦產(chǎn)、交通、建筑等多個行業(yè)，如提升機、起重機、索道、電梯等設(shè)備中均大量使用到鋼絲繩。為避免因鋼絲繩斷裂造成的安全事故，需要定期對在役鋼絲繩進行檢測。以往常采用人工目視結(jié)合手摸的檢查方法，來估算其使用壽命以確保鋼絲繩的安全性，但采用此類方法存在很大的誤差。據(jù)不完全統(tǒng)計，更換下來的鋼絲繩中，有70%以上的僅有很少甚至沒有強度損耗。目前，將無損檢測技術(shù)應(yīng)用到在役鋼絲繩的檢測中已經(jīng)取得一定的進展，主要是在不破壞鋼絲繩使用狀態(tài)的情況下，應(yīng)用一定的檢測技術(shù)和分析方法對鋼絲繩的狀態(tài)特性加以測定[1]。根據(jù)檢測結(jié)果推測其剩余的使用壽命及報廢時間，做到在保證鋼絲繩安全運行的前提下，減少鋼絲繩更換的盲目性[2]。

筆者對鋼絲繩無損檢測的現(xiàn)狀進行了分析，對其存在的問題進行了探討，并對其發(fā)展趨勢進行了展望。

1 鋼絲繩的缺陷分類

我國現(xiàn)行的標準一般都是通過發(fā)現(xiàn)在役鋼絲繩的缺陷推測其強度損失，得到鋼絲繩殘余強度，再根據(jù)鋼絲繩的安全系數(shù)和使用規(guī)程來判定鋼絲繩是否報廢的。GB/T 21837-2008《鐵磁性鋼絲繩電磁檢測方法》根據(jù)缺陷的性質(zhì)，將缺陷分為兩大類：局部損傷LF型(Local Flaw)和金屬橫截面積損失LMA型(Loss of Metallic Cross-sectional Area)[3]。

局部損傷LF型主要是指鋼絲繩中的不連續(xù)，諸如斷絲、鋼絲的蝕坑、較深的鋼絲磨損或其他鋼絲繩局部物理狀態(tài)的退化等。LF型缺陷的特點是鋼絲繩的金屬截面積突然減小，其常見形式是斷絲，包括使用過程中鋼絲產(chǎn)生的疲勞、磨損、銹蝕等情況以及鋼絲受力不均時發(fā)生的剪切、過載和扭結(jié)等。

金屬橫截面積損失LMA型是指造成鋼絲繩橫截面上金屬截面積總和減小的損傷，其通過儀器進行檢測，并通過比較檢測點與鋼絲繩上象征最大金屬橫截面積的基準點來測定。LMA型缺陷的特點是鋼絲繩的金屬斷面積在較長范圍內(nèi)普遍減小，主要包括磨損、長距離銹蝕、繩徑縮細等。

2 鋼絲繩無損檢測的方法

鋼絲繩無損檢測方法有很多種，包括無損檢測常用的超聲波檢測法、射線檢測法、聲發(fā)射檢測法、電渦流檢測法、電磁檢測法以及機械檢測法、聲學(xué)檢測法、電流檢測法、光學(xué)檢測法、振動檢測法等[4]。

直到近年，在鋼絲繩無損檢測中主要還是以電磁檢測法為主，其余無損檢測技術(shù)依然局限于實驗室研究階段。針對局部損傷LF型缺陷，采用漏磁檢測法的原理是：通過在鋼絲繩斷絲處泄漏的磁場來檢測鋼絲繩的缺陷。針對金屬橫截面積損失LMA型缺陷，采用主磁檢測法的原理是：通過對鋼絲繩內(nèi)部穿過磁通量的測量來檢測出鋼絲繩金屬截面積的變化情況。

根據(jù)電磁檢測法的工作原理不同，其磁化方式分為交流磁化、直流磁化、永磁磁化。交流磁化檢測精度低，傳感器容易發(fā)熱且操作麻煩；直流磁化雖然具有勵磁強度可調(diào)整的優(yōu)點，但是設(shè)備重量較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且工作時還需提供配套的直流供電設(shè)備。由于兩者的局限性，近年來這兩種方法已逐步淘汰。而永磁磁化檢測裝置體積小，重量輕，使用便捷，檢測成本低[4]，特別是近年來新型永磁材料的開發(fā)與應(yīng)用，使得其優(yōu)勢更明顯，因此電磁檢測法中大量使用永磁磁化的方式。

永磁磁化檢測LMA型缺陷的工作原理是：通過傳感器頭(磁回路)沿軸向磁化一段鋼絲繩(被測區(qū)域)，將其磁化至飽和；磁感應(yīng)強度恒定，鋼絲繩橫截面中的磁通量與其面積成正比，通過感應(yīng)線圈、霍爾元件或其他能有效測定磁場或穩(wěn)恒磁場變化的裝置測定軸向主磁通，從而定量檢測被測區(qū)域的截面損失，工作示意見圖1，2。

圖1 感應(yīng)線圈檢測LMA型缺陷示意

圖2 霍爾元件檢測LMA型缺陷示意

永磁磁化檢測LF型缺陷的工作原理是:磁場通過鋼絲繩中的不連續(xù)(如斷絲、銹蝕、局部形狀異常等)時會發(fā)生改變，形成漏磁；通過霍爾元件傳感器、感應(yīng)線圈或其他適當裝置檢測到電信號，通過記錄輸出的電信號判斷鋼絲繩的局部損失，工作示意見圖3。

圖3 霍爾元件檢測LF型缺陷示意

常用的傳感器類型有霍爾元件傳感器和感應(yīng)線圈兩種。在實際使用中，移動傳感器的速度會影響感應(yīng)線圈傳感器的輸出信號，人工操作時不可能完全保證勻速，傳感器輸出信號會隨著速度的不同產(chǎn)生變化，速度過低時傳感器可能無信號。同時速度的變化會使得檢測信號在時間軸上發(fā)生偏離，導(dǎo)致前后信號不一致而出現(xiàn)誤判的情況?；魻杺鞲衅鞯妮敵鲂盘杽t不受速度影響，克服了線圈傳感器的不足，而且霍爾元件體積小，對小間隙空間磁場的測量有很大的優(yōu)越性，因此得到廣泛應(yīng)用[5]。

目前，市面上主要采用永磁磁化激勵，及霍爾元件傳感器的鋼絲繩無損檢測儀進行在役鋼絲繩缺陷的檢測。

3 鋼絲繩無損檢測中存在的問題

相對于國外鋼絲繩的無損檢測，我國在這方面起步較晚，但近年來發(fā)展很快，特別是一些大專院校將人工智能以及模式識別技術(shù)與鋼絲繩無損檢測相結(jié)合起來，改進傳感器與鋼絲繩的接觸方式，實現(xiàn)了磨損和斷絲的一體化檢測。

《歲月》里的自行車，在這里已不僅僅是一個普通的物件，更是一種對過往的深深緬懷和那一代人永遠也抹不掉的記憶。

鋼絲繩無損檢測技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于海工平臺、橋梁索道、煤礦石油等行業(yè)，筆者對鋼絲繩無損檢測中存在的一些問題進行了簡單的總結(jié)。

3.1 鋼絲繩結(jié)構(gòu)對檢測的影響

鋼絲繩是由一定數(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而成的。隨著研制技術(shù)的發(fā)展，鋼絲繩的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。如8X109SWSNS結(jié)構(gòu)鋼絲繩橫截面共有872根鋼絲，而以往常見的6X19結(jié)構(gòu)鋼絲繩橫截面鋼絲數(shù)量只有114根。實際檢測中發(fā)現(xiàn)同樣斷絲數(shù)的鋼絲繩，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的相比結(jié)構(gòu)簡單的，傳感器采集的信號強度要低，鋼絲繩斷絲所產(chǎn)生的漏磁場是非常微弱的，通常只有幾高斯。當用霍爾傳感器檢測時，傳感器的輸出電壓信號只有幾毫伏，其信噪比較低，鋼絲繩的結(jié)構(gòu)復(fù)雜一點就會出現(xiàn)LF型缺陷漏檢的情況；如果能夠采取一些方法來增加信號放大電路的強度，則可以提高缺陷的檢出率。

圖4 鋼絲繩結(jié)構(gòu)示意

按鋼絲繩股結(jié)構(gòu)分類，鋼絲繩可分為面接觸、線接觸、點接觸鋼絲繩，其結(jié)構(gòu)如圖4所示?；魻杺鞲衅鲗︿摻z繩進行掃查時，沿鋼絲繩軸向方向會在鋼絲繩股與股空隙處產(chǎn)生漏磁通，信號采集后的顯示與正弦波類似，一般稱為“股波”。在檢測中，這類信號是無用信號，會對采集到的LF型缺陷信號產(chǎn)生干擾，從而降低信噪比，影響儀器的分辨力和缺陷檢測能力?！肮刹ā钡姆雀摻z繩結(jié)構(gòu)以及直徑有關(guān)。一般來說，面接觸鋼絲繩幅度最小，點接觸鋼絲繩幅度最大，不同結(jié)構(gòu)的鋼絲受“股波”的影響不同，故檢測時應(yīng)具體分析其結(jié)構(gòu)。現(xiàn)有的鋼絲繩探傷儀很難消除結(jié)構(gòu)對檢測的影響；因此檢測中，若在“股波”附近出現(xiàn)缺陷，則檢出難度較大，往往只能通過經(jīng)驗進行判斷。

3.2 LF型缺陷定量分析的問題

對于鋼絲繩中斷絲的定量判定，往往受到下面因素的影響：① 鋼絲繩中鋼絲的直徑很小，如YB/T 5343-2015《制繩用圓鋼絲》中規(guī)定的最小鋼絲直徑為0.08 mm；② 鋼絲繩同一橫斷面出現(xiàn)多根斷絲，甚至幾根斷絲就疊在一起；③ 多根斷絲不在同一橫斷面，但之間的距離非常近。在這幾種情況下，通過儀器采集到的輸出信號(漏磁通幅值)跟斷絲的數(shù)量不呈線性關(guān)系或者不呈其他形式的確定化關(guān)系[6]。這樣在實際檢測中，只能采取半定量的辦法，即在檢測區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)斷絲后，根據(jù)漏磁通幅值大小大概確定一個斷絲的范圍值;繼續(xù)掃查,若在下一處又發(fā)現(xiàn)斷絲，再確定一個范圍值;以此類推，在檢測區(qū)域內(nèi)完成檢測后給出一個總的斷絲范圍。這種方法存在很大的誤差，很多時候只能對缺陷的判別起到參考作用。找出合理的檢測方法和手段來獲取缺陷漏磁場信號，對缺陷尺寸進行定量評價是目前鋼絲繩無損檢測中急需解決的問題[7]。

3.3 現(xiàn)行標準概況及存在的問題

目前我國關(guān)于在役鋼絲繩檢測的標準有GB/T 9075-2008《索道用鋼絲繩檢驗和報廢規(guī)范》、GB/T 5972-2016《起重機 鋼絲繩 保養(yǎng)、維護、檢驗和報廢》、MT/T 970-2005《鋼絲繩(纜)在線無損定量檢測方法和判定規(guī)則》、GB 6067.1-2010《起重機械安全規(guī)程 第1部分:總則》等。

這些標準對于LMA型缺陷的要求基本是：按照鋼絲繩的公稱直徑進行標定，如MT/T 970-2005中規(guī)定被測鋼絲繩實測有效截面積的損失量相對于標稱有效截面積的百分比為判定依據(jù)：① 面積損失百分比小于5%，為正常；② 面積損失百分比大于5%，但小于10%,被測鋼絲繩可在加強養(yǎng)護的條件下繼續(xù)使用；③ 面積損失百分比大于等于10%，但小于15%,被測鋼絲繩可在加強監(jiān)測的條件下使用；④ 面積損失百分比大于等于15%，但小于20%,被測鋼絲繩應(yīng)謹慎使用，接近上限應(yīng)更換。GB/T 9075-2008中對LMA型缺陷的要求見表1(表中L為待檢樣品長度，d為鋼絲繩直徑)。GB/T 5972-2016中規(guī)定:外部磨損使鋼絲繩實際直徑比其公稱直徑減少7%或更多，即使無可見斷絲，鋼絲繩也應(yīng)報廢。按照標準的要求進行LMA型缺陷測試時，只要標定好公稱直徑，按軸向掃查，測量檢測信號的變化量，以此對比是否在標準要求的范圍內(nèi)。

對于LF型缺陷，各個標準的要求差異較大。如MT/T 970-2005中對LF型缺陷沒有相應(yīng)的技術(shù)要求。GB/T 9075-2008對于LF型缺陷的報廢要求只是針對目視能檢查的外層鋼絲，對于內(nèi)層鋼絲沒有做具體的技術(shù)要求。同時在GB/T 9075-2008中專門提到，不論采用無損檢測法或目視法，在鋼絲繩相關(guān)長度內(nèi)一個多處斷裂的鋼絲應(yīng)算作一根斷絲。GB/T 5972-2016中規(guī)定了可見斷絲數(shù)達到或超過報廢的標準，對內(nèi)層鋼絲沒有對應(yīng)標準。

綜上所述，現(xiàn)行的標準對LMA型缺陷均做出了明確的要求。實際檢測中，發(fā)現(xiàn)采用無損檢測的手段進行鋼絲繩LMA型缺陷檢測的準確率比較高，對在役鋼絲繩是否需要報廢起到了很好的指導(dǎo)作用。對于LF型缺陷，由于現(xiàn)有儀器不能完全滿足檢測要求，標準沒有明確的技術(shù)要求，故在檢測中只能采用半定量的辦法提供一個斷絲的范圍值。

表1 GB/T 9075-2008中對LMA型缺陷判定要求

3.4 LMA、LF型缺陷與鋼絲繩強度的關(guān)系

考核鋼絲繩是否合格需要進行直徑、不圓度、捻距、拆股鋼絲抗拉強度、彎曲、扭轉(zhuǎn)、整繩破斷拉力等試驗,其中最重要的項目就是整繩破斷拉力試驗。檢測LMA、LF型缺陷的目的就是為了保證整繩強度達到使用的要求。目前標準中規(guī)定的判廢依據(jù)都是經(jīng)驗值或是實驗室理想狀態(tài)下的結(jié)論，與實際使用工況相比還存在一定的誤差。故筆者認為，對在役鋼絲繩進行無損檢測時，若發(fā)現(xiàn)LMA、LF型缺陷后再進行整繩破斷拉力試驗，測得其剩余強度；收集大量數(shù)據(jù)后，找出LMA、LF型缺陷對鋼絲繩強度的影響，從而可以更好地判斷鋼絲繩的使用壽命。

4 結(jié)論

相對來說,鋼絲繩無損檢測是一個新興的門類。通過近年來的檢測情況來看，現(xiàn)有的鋼絲繩無損探傷儀基本上能夠滿足LMA型缺陷的檢測需求；對于LF型的定量分析，受到現(xiàn)有儀器的限制，只能進行半定量分析。希望無損探傷儀的生產(chǎn)廠家針對現(xiàn)有的鋼絲繩結(jié)構(gòu)進行深入研究，加強LF型缺陷中電磁場特性的研究，找出電磁信號與LF缺陷間準確的定量關(guān)系。如果無損探傷儀可以定量檢測LF型缺陷，找出LMA、LF型缺陷與鋼絲繩強度的關(guān)系，檢測者可結(jié)合在役鋼絲繩的工況環(huán)境來分析獲得的數(shù)據(jù)，準確預(yù)測在役鋼絲繩的使用壽命，減少盲目更換鋼絲繩引起的資源浪費。

[1] 許建芹，鄒建華，黃凱，等.電梯曳引鋼絲繩檢測儀及國內(nèi)鋼絲繩質(zhì)量標準的改進建議[J]. 無損檢測, 2013, 35(11): 11-14.

[2] 安紅艷， 羅云東.鋼絲繩無損檢測技術(shù)在寶鋼的應(yīng)用[J]. 無損檢測, 2001, 23(7): 302-305.

[3] 韓利哲,劉德宇,王禎中,等. 超聲導(dǎo)波技術(shù)在跨越索結(jié)構(gòu)檢測中的應(yīng)用[J]. 中國特種設(shè)備安全, 2012(3): 37-39.

[4] 魏宏，呂英輝.GNDT鋼絲繩電腦探傷儀在電梯檢測中的應(yīng)用[J].中國儀器儀表，2009(10): 56-58.

[5] 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.

[6] 陳輝,王新虎,馮耀榮,等. 鋼絲繩無損檢測技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀[J].石油工程建設(shè), 2006, 32(1): 62-65.

[7] 金建華,康宜華.用集成霍爾元件定量檢測缺陷漏磁場的特點[J].無損檢測，1998，20(2)：34-38.

Discussion on the Existing Problems of Steel Wire Rope Nondestructive Testing

WU Peng, HUA Huyue

(National Steel Wire Rope Product Quality Supervision & Inspection Center, Nantong 226011, China)

There are many kinds of nondestructive testing methods, and the electromagnetic detection method is adopted in LF type and LMA type of in-service steel wire rope. Nondestructive testing instrument for steel wire rope is based on the principle of permanent magnetic excitation, acquisition defect signal by Hall element sensor. In the actual detection, good effect is achieved on LMA type defect. Owing to the limit of detection technology and the influence of steel wire rope structure, LF type defect can not be quantitatively analyzed. Semi quantitative method for LF type defect is not accurate. If quantitative analysis of LF type can be solved and the relationship between defects and strength can be known，then the service life of in-service steel wire rope is able to be accurately predicted.

steel wire rope; nondestructive testing; defect; service life

2016-11-08

吳 澎(1980-),男,碩士,高級工程師,主要從事鋼絲繩產(chǎn)品的質(zhì)量檢測工作

吳 澎，280938@qq.com

10.11973/wsjc201706015

TG115.28

A

1000-6656(2017)06-0065-04