钢丝绳定量无损检测现状

1、钢丝绳定量无损检测现状曹印妮，张东来1 ,徐殿国(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨150001摘要：钢丝纯无损检测的目的是保证钢丝绳的安全运行,并在安全运行的前提下尽量减少因过早报废而产生的浪费。对目前主流的钢丝绳无损检测方法的检测 原理及特点进行分析比较，给出各种方法的研究 现状和实践效果，包括20世纪90 年代以后提出的新检测方法，如磁致伸缩法和声发射一超声法。最后讨论目前钢丝纯定量无损检测面临的问题。关键词：钢丝绳;定量检测;传感器;电磁检测;声发射一超声检测中图分类号：TG115. 28文献标识码：A文章编号：1000-6656(200502-0091-05The State

2、-of. Art of Quantitative Nondestructive Testing of Wire Ropes CAO Yin-ni, ZHANG Dong-lai1XU Dianguo(School ofElectrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, ChinaAbstract :The aim of nondestructive testing of wire ropes is tO ensure the safe operatl ' o n Of

3、 wire ropes and toreduce the waste coming from the premature discard of wire ropes as much as possible. Attention has been paid tothe technology in the field of wire rope manufacture and application fOr a long time. The testing principles andfeatures of the main nondestructive testing methods for wi

4、re ropes are analyzed and compared and the researchstatus and application results of the methods are presented, including the new testing methods brought forward inrecent years such as magnetorestrictive testing and acoustic-ultrasonic testing. At last, several critical problems inquantitative nonde

5、structive testing of wire ropes are discussed.Keywords :Wire rope; Quantitative testing; Sensor ; Eleetromagnetic testing; Acoustic-ultrasonic testing钢丝绳是工程中主要的承载构件，广泛应用于煤炭、冶金、交通、运输、建筑、旅游等国民经济各主 要行业和部门，具安全使用问题备受关注。长期以来人们 对钢丝纯采用人工目测和定期更换的方法来避免事故的发生，但是人工目测法可靠性差且效率低，定期更换则造成巨大浪费，据统计更换下来的钢丝纯中70%以上仅 有很少甚至

6、没有强度损耗1。因此，研制可靠检测钢丝绳状态的无损探伤设备成为当务之急，钢丝绳无损检测技术也由此不断发展。从1906年世界出现第一台钢丝绳探伤仪到现在，理论上探讨过的钢丝绳无损检 测方法很多包括超声波、声发射、电涡流、射线、光学及磁检测法等，其中只有 磁检测法得到了实践和推广；其它方法或因 检测信号易受干扰，检测结果又t以记录； 或因设备费用太高，检测局限性太大，均未推广应用。经过多年的探 索和实践，钢丝 纯无损检测技术取得了显著的进步，对应不同工业场合的各种钢丝绳探伤仪也相继 出现。然而，因为钢丝绳本身结构和使用环境的不同，检测时钢丝纯相对传感器的 径向晃动和不规则扭转，钢丝绳的拉伸程度，损

7、伤的深度、宽度和形态，环境温度的 变化及外界的电磁干扰等，都会对检测信号产生较大影响，而且当前尚无可靠的损伤 评价标准 要对损伤作出定量分析很困难。以下对当前主要的钢丝绳无损检测方法进行分析和比较，并对实施钢丝绳定量无损检测时遇到的主要困难进行探讨。1主要的钢丝绳无损检测方法及其特点钢丝绳无损检测包括两方面内容，即局部损伤检测和截面缺损测量。对这两种 损伤，传统的磁检测方法有漏磁通法、主磁通法和回路磁通法，相应的检测元件有 感应线圈、霍尔元件和磁通门等，目前传感器探头 有向多种磁感应元件组成的混合 探头发展的趋势。20世纪90年代以后提出的检测方法包括磁致伸缩法和声发射一超声法。探伤设备的分辨

8、力、检测信号的特点及可靠性、辅助检测电路的结构 以及后续信号处理，均由传感器探头的结构和所用检测元件决定，下面以传感器的类 型为依据分析当前主要的钢丝绳无损检测 方法。1.1 感应线圈检测法感应线圈传感器的结构如图1所示，永磁体将钢丝绳的被测区域沿轴向磁化至 饱和，钢丝绳内的磁感应强度B保持恒定,穿过钢丝绳的磁通量与钢丝绳的横截面积成正比,因而测量钢丝绳的轴向主磁通，可以定量检测钢丝绳的截面缺损；对于局部损伤，断口处会 产生漏磁场，通过测量钢丝绳表面的漏磁，可间接确定 钢丝绳的局部损伤。感应线 圈检测法最大的缺点是传感器的输出和检测速度有关，检测速度不均匀时传感器输 出信号产生畸变，极低速时无

9、输出。同时，速度不均匀会造成检测信号在时间轴上 的压缩或拉伸，不利于后续信号处理，因此需将时域采样信号转换成空间域的等空 间采样信号以消除速度的影响。线圈传感器要求稳定的检测速度，尽管目前的线圈传感器加入了霍尔元件等消除速度因素的装置，并在后续信号处理 中加入了速度归 一化环节，但为了使检测结果可靠，仍然需要稳定的速度。图1感应线圈传感器便地将线圈绕在钢丝绳上后，感应线圈传感器法得到广泛 的推广。如美国 NDT Tech的钢丝绳探伤仪和感应线圈法成本低，易实现。1906年出现的第一台 钢丝绳探伤仪采用了交流励磁的感应线圈传感器，到目前，励磁方式从交流励磁和直流励磁发展为大 量采用的永久励磁方式

10、且技术日趋成熟。在R WOrnle 和H Mtillur采用分体式差动线圈方哈尔滨工业大学的GST-IH钢丝绳探伤仪采用感应线圈传 感器，可定性检测钢丝绳的漏磁通，定量检测截面缺损的精度为0.1%,其中NDT Tech各系列探头可分 辨长度50 mm的截面缺损缺陷,GST-IH钢丝绳探伤仪 对局部损伤定性检测的准判率为 95%,定量 检测准判率为85%;波兰的Zawada NDT 采用感应线圈和霍尔元件相结合的混合线圈传感器检测截面缺损的精度可达0.05%,可分辨的截面缺损的最小长度为 30-50mm2.3线圈传感器在漏磁通检测中 精度低，逐渐被淘汰，现在已趋于用霍尔元件来代替。1.2 霍尔元

11、件检测法目前，钢丝纯缺陷漏磁场检测一般采用霍尔元件作为磁敏元件。霍尔元件传感 器的最大优点是输 出信号不受速度影响，且体积小，对小间隙空间的磁场测量有很 大的优越性，因此得到广泛应用。霍尔元件传感器的结构和线圈传感器相似，但前者的检测器件是镶嵌在传感器 内壁的霍尔元件，后者是绕在钢丝绳上的感应线圈。霍尔元件用于探伤的原理为，置于钢丝绳表面附近的霍尔元件可感 应钢丝绳表面漏磁场的法向分量，并输出相应的 电压信号。单纯的霍尔元件测磁灵敏度较低，大约为12 mV/mA ? T ,温漂大，制成的 传感器电路结构复杂且不可靠。集成霍尔元件的出现解决了这个问题，美国史普拉格公司生产的集成霍尔元件 UGN

12、- 3501T线性灵敏度通常0.7 V/mA ? T。集成 霍尔元件的使用可简化钢丝绳无损检测的后续处理电路，增强检测信号的可靠性和稳定性，因此得到了推德国Stuttgart大学于1999年设计了内壁嵌有霍尔元件环形阵列的传感器探头，得到的检测信号由传统的一维信号变为可全面表征钢丝纯缺陷的三维信号，用图解法分析该信 号可以清晰地描述钢丝 绳轴向和周向的磁场形态2,并作为检测钢丝纯周向分散 损伤的理论根据；Zawada公司的霍尔元件探头能准确无误地检测所有严重缺陷，并 确定缺陷位置和深度，检测局部损伤精度为钢丝绳横截面积的0.2%4;南非AATS公司的AATS Model 817,俄罗斯Intr

13、on Plus Ltd的MH &F系列均采用了霍尔 元件 传感器，后者检测断丝的灵敏度为横截面积的 O.5%1%,截面缺损的检测精度为 1%2%,可广。需注意的是，虽然霍尔元件传感器消除了速度对信号幅度的影响，分析时依然要将时间域的信号 转化到空间域，因为检测速度不恒定时，时间轴上的信 号仍会随着采样速度被拉伸或压缩。分辨长度在250500 mm以上的截面缺损;Zawa - da公司和Intron Plus Ltd研 制的探伤仪还可检测不同尺寸的扁钢丝纯20我国华中科技大学金建华和康宜华等人用硅钢片模拟有缺陷的钢丝绳,用霍尔元件传感器较全面地研究了漏磁场和裂纹深度、宽度及其埋藏深度之问

14、的定量关 系，实验结果显示裂纹的实际尺寸和检测结果之间的相对误差< N%5;华中科技大学武新军等采用霍尔元件传感器 开发了检测断丝与磨损 的探伤设备，对大直径钢丝绳的断丝定量检测准确率>70%,磨损量的定量检测精度达到0.05%6;湘潭工学院以霍尔元件为传感器设计了煤矿钢丝纯断丝在线检测仪的数据采集 和信号处理系统7。1.3 磁通门检测法磁通门器件有很高的测磁灵敏度和定向性，可以静态地检测磁场强度，磁通门检 测法在局部损伤 检测中的效果优于线圈传感器。磁通门检测法利用磁心材料在交变磁场的饱和激励下，由于钢丝纯缺陷漏磁场 的影响而使感应输 出的电压发生 非对称性”变化来检测漏磁场。目

15、前，磁通门传感 器多由单磁心单绕组磁通门组成 （图28。在传感器内壁沿钢丝纯周向均匀布置这 种单磁心单绕组检测回路就构成了磁通门探头（励磁方式和前两种方法相同，根据 每个检测回路的输出可获取钢丝绳周向各处的磁场信息。在纯长方向，每路以一个捻距间隔反向串联两个磁通门，通过差动式连接，还可省 去使用霍尔元件所需的外围电路，并有效抑制检测中各种共模干扰信号，特别是钢丝 纯的股波对检测的影响9。和线圈检测法相比，磁通门检测法的优越之处在于，对于极小的缺陷，线圈检测到的漏磁通为平均值，无法得到实 际的磁感应强度；而磁通 门检测法在理论上可以检测到微小缺陷磁场强度的近似值。但是磁通门法需要外加交流激励，运

16、算比较烦琐，而且运算过程中存在系统误差。使用磁通门传感器的例子有加拿大 Rotesco的Rotescograph 2阴口 2C-TAG88M，这一类型的传感器对局部损伤的检测精度为截面积的 0.05%,对截面缺损 的检测精度为O.1%,可分辨的截面缺损的 最小长度为250530 mm2。上海海运学 院的应力10等建立了基于磁通门传感器的钢丝绳损伤信号的数学模型，分析了单 磁心单绕组磁通门的灵敏度和抗干扰性，通过实验分析得出，磁通门传感器能 可靠 地检测钢丝绳的局部损伤缺陷和截面缺损缺陷，而且获得了清晰易辨的漏磁场信号， 设计了钢丝 绳无损探伤的磁通门传感器。1.4 磁致伸缩检测法磁致伸缩法于1

17、994年由美国西南研究所提出，此法克服了传统方法中钢丝纯必 须穿过传感器的缺 点，可实现钢丝绳的全过程检测。磁致伸缩检测法的依据为铁磁材料棒在外磁场的作用下会沿磁力线方向产生伸长或缩短（磁致伸缩效应；反之，当极化了的铁磁棒发生形变时，在棒内会引起磁场强度的变化（逆磁致伸缩效应。磁致伸缩传感器如图3所示，信号发生器产生信号，经功率放大后，由激励线圈对钢 丝纯施加瞬间的激励磁 场，钢丝纯中产生的机械波将沿构件轴向传播，如有缺陷，机 械波反射回来，由于逆磁致伸缩效应，接收线圈获得反射波信号，通过信号分析获得 被测构件各处的损伤状况。磁致伸缩法能实现大范围非接触快速检测，可有效探测被覆盖或深埋的钢铁构

18、 件，检测时间短，效率高（检测100m的钢丝绳只需要几秒钟。存在的问题是，目前 对于磁致伸缩效应产生机械波的机理、传播特性等研究得不是很深入；磁致伸缩效应产生的信号频带很宽，地完整地采集信号各频段的信息有难度11。磁致伸缩法目前还处于理论研究和传感器的研究与试验阶段，华中科技大学设计了可用于磁 致伸极牧魂眼缩无损检测传感器的大电流功率放大器；北京理工大学设计开发了一种磁致伸 缩式超声波激发/接收传感器,并通过实验验证了其可靠性，这种传感器已用于材料 弹性模量的测量研究。目前还没有可用于钢 丝纯无损检测的产品出现。1.5 声发射-超声检测法为了实现钢丝纯状态的在线检测，国外近几年又提出一种新的检

19、测方法，即声发 射一超声检测法，它综合了声发射和超声法的优点，将超声检测引入钢丝 纯中(检测 原理如图4，模拟声发射信号在钢丝绳中传 播的特性,并在另一端提取信号，根据提取 信号的特征 计算钢丝纯缺陷。声发射一超声检测法不但能对钢丝绳进行缺陷探测、成像和特性分析，在线评估钢丝纯的内在性能,如钢丝纯的疲劳损失、强度和 硬度等，而且克服了声发射只能用于检测静态钢丝绳及捕捉断丝断开瞬间信号的不足,可以用于动态钢丝绳的监测11。此方法当前尚处于理论研究阶段。1.6 其它方法河南洛阳涧西矿冶机电研究所的窦毓棠等采用自行研制的静态感应线圈，研制了 TCK(GXT型钢丝绳无损检测仪，这种检测方法不要求检测时

20、钢丝绳沿轴向励磁 至饱和，但需要在检测前对钢丝绳进 行直流励磁。该仪器探头灵敏度可达 50 V/mT , 消除了振动、晃动和股波噪声的影响，得到的钢丝纯信 号曲线和检测速度无关，对 单项缺陷的检测精度95%,混合缺陷90%,在对直径为125 mm大桥斜拉钢缆进行 检测的实践中取得了成功12。综上所述，钢丝绳无损检测技术发展到今天,无论是传感器还是检测方法都取得 了显著进步，与此同时,缺陷信号的处理方法也不断改进。波兰于1978年将采集到的钢丝纯信号转换为数字信号，并依据所建立的用K型反演计算，从而得到定量的损伤 信息;华中科技大学在20世纪80年代通过采用等 空间采样技术和差分超门限算法 实现

21、了钢丝纯断丝数的定量检测；1995年日本学者将成像技术引入钢 丝纯信号处理, 实现了平行丝钢丝绳断丝的可视化检测11；哈尔滨工业大学将小波分析和神经网络用于钢丝纯断丝信号处理，断丝定性识别成功率为100%,定量识别的成功率为 88%3.13; 2003年华中科技大学采用基于事例推理的漏磁检测数据处理方法，提高了检测系统的精度和智能化程度14。然而，要真正实现钢丝绳损伤的定量检测仍 有诸多问题亟待解决。2钢丝绳定量无损检测存在的重要问题钢丝绳无损检测的目的是检测损伤并计算残余强度，最终决定钢丝绳的更换日期。而目前的 研究还处于检测仪器的研究阶段，即逐渐以仪器来取代人工检查的阶 段，相对钢丝绳损伤

22、的多态性和复杂性，当前所进行的研究还不够，与钢丝绳无损检测 的最终目标距离尚远，当前需要解决的 关键问题包括下面几个方面：(1无法测知钢丝绳的剩余载荷和钢丝绳损伤之间的定量关系。首先，钢丝绳的运行环境复杂多变,决定了损伤的多态性，而且，实验室对损伤的模拟范围很窄，无法 全面模拟实际的损伤形态；其次,影响钢丝纯性能的因素很多，且诸多因素之间的关 系错综复杂，人们对钢丝纯缺陷的电磁场理 论、信号特征及材料力学分析等方面尚 未形成比较成熟的理论，因此，要得到剩余载荷和损伤之间 定确定关系非常困难。一 些专家根据经验给出校正因数，将对损伤的估计转换成强度估计。校正因数一般促 成钢丝绳过早地报废，造成浪

23、费，但有时也会忽略小于探伤设备分辨力(平均长度的 损伤对钢丝绳强度造成的影响15。(2检测传感器的输出和钢丝绳周围的磁场信息不是一个概念 ，即使是准确的磁 场信息也并不能完全代表准确的损伤信息，因此要从传感器的输出定量地确定钢丝 纯损伤是无损检测面临的难题。传感器的输出不仅和钢丝绳表面磁场有关，还和检测时的提离距离、检 测条件、钢丝绳状态(拉伸程度等条件有关，所有这些因素都使探头的建模变得异 常复杂，因此寻找传感器的输出和 磁场信息之间的定量关系不是简单的问题。而且,即使准确地检测到了钢丝绳表面的磁场信息，磁场信息和实际损伤之间的关系如何 确定也是个难题。20世纪80年代以后各国无损 检测专家

24、曾尝试根据传感器输出信号定量计算 钢丝绳的损伤,如美国的MJ Bergander博士研究了利用检测信号估计钢丝 纯缺陷的数字计算方法，并在实验的基础上推导出定量确定缺陷的计算公式；加拿大 的E Kalwa博士和KPiekarski教授对钢丝绳检测装置进 行了多种形式的改进，并做 了大量实验，掌握了缺陷定量特征与检测信号幅度及波形之间的一些对应规律1 0这些成果或因计算公式需要迭代求解而且很多参数的不易确定，或因实验室钢丝纯研究范围的 局限性，均未能推广应用，因此这方面的研究还需继续深入。(3要实现截面缺损信号的可靠标定仍是难点。截面缺损标定是测量截面缺损 的关键环节。传统方法通过抽除钢丝纯中若

25、干钢丝并测量检测信号定量的变化量 实现标定，但这种人为制造的缺损与 实际使用中钢丝绳的周向分散截面缺损不同，因 此标定的可靠性值得推敲。此问题在涉及钢丝绳的状态时更为敏感，如对静止的钢丝纯用以上方法标定和对运动中的钢丝纯以同样的方法标定会得到不同的结果2。(4实验室的模拟损伤不能完全代表使用现场的实际损伤。一是无法较全面地 模拟实际损伤的形 态,二是人为制造的损伤和实际损伤是不同的，因此从实验中总 结的规律和参数能否用于钢丝纯缺陷分析还需商榷。人为制造的损伤要尽量逼近 实际情况，如制造一根断丝时，不能只是简单地锯断，应先将局部敲细，然后再用扁 铲剁开，模拟制造裂纹，同样在裂纹两边要考虑如何模拟

26、疲劳层15。(5无损检测设备的定量分辨力对定量检测有较大影响。探伤装置的定量分辨力(或平均长度、扫描长度表示仪器能够准确测量的截面缺损的最小长度，它是衡 量探伤设备性能的重要的参数。Herbert R Weischedel博士对不同定量分辨力的探伤仪进行实验比较 ,结果表明, 对于定量分辨力 为50mm的LMA-TestTM探伤仪，当断丝裂口的宽度50mm时，截 面缺损信号可以准确地反映损伤 程度，断丝裂口的宽度50mm时则不能反映；而另 一种定量分辨力为305mm的仪器不能识别由单根断丝造成的截面缺损，只能检测 到多根断丝聚集时的缺损1519。现有的探伤仪分辨力最高能达到 2050 mm,要 精确检测20mm的缺陷比较困难，因此提高检测仪器的分辨力也是实现钢丝纯定量 检测不能回避的问题。3结论钢丝绳无损检测的目的是确保钢丝绳的安全使用，以及在安全使用的前提下尽量减少因过早报废而产生的浪费，具有重要的经济价值。多年 的研究和实践使钢丝绳无损检测技术取得了较大发展，检测精度和 检测设备的灵敏度及可靠性大大提高，探伤理论的研究也取得了卓 有成效的进展，然而这一现状和钢丝绳无损检测的最终目标距离尚 远。钢丝纯缺陷的定性检测已经比较可靠，但因钢丝绳损伤的多样 性、复杂性和外界干扰的影响，要定量地确定检测信号和钢丝绳损伤之间的关系仍 然很困难。钢丝绳无损检测下一个目标是通过改进检测技术，加