钢丝绳在线检测技术

1、 钢丝绳在线检测技术 肖化明（起重游乐厂车检验部） 电话电子邮箱： 湖南省特种设备检验检测研究院 2014年2月12日 一、钢丝绳断绳的灾难事故 韩红的一曲天亮了催人泪下，这首歌讲述了一个真实而悲惨的故事。1999年10月3日 ，贵州麻岭游览区，23位游客正乘坐缆车陶醉在峡谷风光的美景中，灾难却从天而降。缆车钢丝绳突然断裂，轿厢径直坠入深渊。就在轿厢落地的一瞬间，一对父母本能地将他们的儿子举过头顶。不幸中的万幸是这位两岁的小男孩成为 23位遇难者中唯一的幸存者，而“万幸”中的不幸却是孩子永远失去了父爱和母爱。著名歌星韩红为此收养了这个孩子，从此成了未婚妈妈。 而另一起

2、发生在上海沪东造船厂的由钢丝绳断裂引发的特大灾难事故中，36位鲜活的生命一瞬间便成为亡灵。赤 烈的酷暑中，白发苍苍的老人面对黑发人的遗体悲恸欲绝，而那些失去丈夫的妻子和那些失去父亲的孩子的撕心裂肺的呼唤，久久地振颤着我们的心灵。又有36个家庭的幸福毁于钢丝绳断绳的灾难事故中。二、钢丝绳检测仪厂家规定 根据仪器设备厂家的规定，于2011年7月10日湖南省特种设备检验检测研究院派机电类肖化明、王广宇到河南省洛阳市参加钢丝绳无损探伤培训学习，并参加了厂家的理论考试、实践考试，经考试合格取得了厂家颁发的钢丝绳检测操作证(如图1）。 图1 操作证三、钢丝绳检测工作原理 传统的钢丝绳检测方法是人工目视检查

3、，采用游标卡尺测量绳径，手摸或肉眼寻找缺陷。只能发现钢丝绳中露在外部的缺陷如（断丝），对于人眼看不到的内部缺陷则无能为力，且受人为因素的影响较大，检查可靠性差。因此，很多钢丝绳使用单位采用定期更换钢丝绳的方法，依据钢丝绳的额定使用寿命确定其更换周期，到期不论钢丝绳的实际状况如何均实行更换。所以采用仪器对钢丝绳的状况进行检测，特别是定量的无损检测，是十分重要的。磁性检测方法检测钢丝绳缺陷（断丝、磨损、锈蚀等）的基本原理：用一磁场沿钢丝绳轴向磁化钢丝绳段，当钢丝绳通过这一磁化磁场时，一旦钢丝绳中存在缺陷，则会在钢丝绳表面产生漏磁场，或者引起磁化钢丝绳磁路内的磁通变化，采用磁敏感元件检测这些磁场的畸

4、变即可获得有关钢丝绳缺陷的信息。根据钢丝绳结构和缺陷特征，人们研究出两种类型的磁检测方法：局部缺陷检测法（Localized Fault Method），简称法，如图2（a）所示；截面积损耗型检测法（Loss of Metallical Area Method）,简称LMA检测法，如图2（b）所示。前者通过测量钢丝绳表面局部区域中的漏磁场获得信息，主要检测断丝、锈蚀、斑点等引起局部突变磁场的缺陷；后者通过测量磁化回路中主磁通的变化获得信息，主要检测像磨损、锈蚀等引起钢丝绳横截面中金属截面积总和变化的缺陷。磁检测法主要由两大部分组成，其一为磁化钢丝绳的励磁装置；其二为检测磁场的磁检测装置。励磁装

5、置对钢丝绳磁化的程度直接关系着缺陷能否被检出以及探伤传感器的体积和重量，国外现均采用将钢丝绳磁化至深度磁化的方法。磁检测装置是探伤传感器的关键部分，关系着缺陷检测的空间位置分辨、程度分辨力、信噪比、灵敏度等。在LF法中,采用了感应线圈、霍尔元件、基于多元件组合的检测、基于整磁板技术的检测、基于聚磁技术的检测等漏磁检测方法来克服因钢丝绳结构给检测信号带来的干扰、提高缺陷漏磁检测灵敏度、防止漏检；LMA法中,通过选择检测元件的布置位置,来提高检测信号的灵敏度和定性、定量分辨力。 缺陷漏磁场是一关键，通常由磁敏感元件实现。磁敏感应线圈的输出电势随线圈与被测对象间相对移动的速度而变化，其中能测量磁通的

6、相对变化量；霍尔元件的输出电势不受检测速度的影响，且可以测量磁场强度的绝对植，灵敏度和可靠度也较高。 钢丝绳检测仪是一种定量检测钢丝绳中表面或内部断丝和因磨损、锈蚀、绳径等引起的钢丝绳横截面中金属截面积总和变化的计算机化无损检测仪器。采用了LF型探伤传感器和LMA型探伤传感器，检测信号经过放大、滤波等处理后由计算机采集和判别，检测的结果可显示、存储、打印。钢丝绳运行的位置由光电编码器编码后进入计算机，计算机对位置编码器发出的脉冲信号计数，通过计算后得到精确的位置。 图2 磁检测原理四、弱磁检测 弱磁检测是基于“空间磁场矢量合成”，采用宽距、非接触式弱磁能势感应装置（如图3、图4），通过提取已施

7、加磁载的铁磁性材料上弱磁能势分布差异信息，完成定位、定性和定量识别钢丝绳内外部各种缺陷的创新性电磁无损检测技术。 注：磁能势，即磁场能量梯度；体积元，即钢丝绳沿轴向的体积微分。体积元内载荷材料的综合退变特征也就是钢丝绳金属截面积损失（LMA）和局部缺陷（LF）的综合反映。 图3 漏磁传感器 图4 传感器的安装分布五、铁磁性材料的磁特性 根据量子力学理论，由于相邻电子自旋磁矩的交换耦合作用，使得铁磁性介质内部排列形成一定形状的“磁畴”，每个磁畴内部具有同一个自旋磁矩方向（如图5）。 如果某一方向的磁畴在统计学分布中具备数量或者体积上的优势，就会宏观上显示出材料磁性。 而如果各磁畴的分布杂乱无章，

8、在任一方向上均无优势，则不会有宏观磁性产生。给定的外部磁场作用会改变某一方向的磁畴数量，使铁磁性材料储备或释放一定的磁能。而且这种改变不随外部磁场的退出而复原，即形成所谓磁载。磁载在一定的对称空间建立磁能势场，只要没有剧烈机械振动或高温变化等，就会在铁磁性材料内部稳定地保持较长时间。 图5 磁畴示意图六、自然状态下的钢丝绳 磁能势由磁载决定，并依托于钢丝绳体积元内参与机械负荷的铁磁性金属材料（以下称”载荷材料”）而分布。由于制造、存储、运输、安装、运行等历史过程对钢丝绳留下了未知的磁载（其无序的磁载），所以自然状态下的磁能势还不能真实地反映体积元的材质特征，即材料究竟是正常还是有缺陷。因此先需

9、要一种方法以建立磁载与载荷材料材质特征之间的物理对应。 图6 弱磁检测技术工艺向铁磁性构件（钢丝绳）施加给定磁载（如图6），使所有载荷材料具有同等适度的低量级磁能积（材料的磁能量密度），并且如果载荷材料沿钢丝绳轴向等量均匀，连续分布，则任意体积元的磁能积也是等量均匀的。即：沿钢丝绳所建的轴向磁场均匀而且连续，穿过任意体积元的磁通等量，而且磁通密度均匀（其均匀的磁载）。注：磁能积反映单位体积的磁载储存能量水平，类似于物理学中运动系统的势能。七、钢丝绳损伤与磁性特征发生退变的体积元，或因拉伸塑性径缩、碾压/研磨/锈蚀性缺损（LMA），或因疲劳裂隙、裂断等突变/间断（LF），磁力线在这些退变的体积元

10、中只能沿不规则的低能耗路径排布，磁通密度随之变化，磁能积分布不均匀，使各体积元产生磁能势差异(如图7)。而且，这些退变的程度越严重，磁能势差异就越突出。只要对钢丝绳正常载荷材料体积元进行“完好定义” 标定无缺陷体积元的磁能势特征量，通过与提取的钢丝绳全部载荷材料体积元磁能势特征量的模式对比，即可有效识别载荷材料因退变产生的磁能势差异，并由这种载荷材料物理场变量映射其机械承载性能相关变化的定量关系，也就实现了无损条件下定位、定性和定量检测钢丝绳各种退变特征的技术目标。 图7 各种缺陷的形态和对磁力线的影响八、检测方法 弱磁检测方法引入调制给定弱电磁场，与经弱磁规划的钢丝绳弱磁场形成物理场关联。使

11、传感器具有弱磁状态无基噪工作、提离效应自抑式宽距感应、高灵敏/高分辨/高速率空域等突出的技术特点。 采用弱磁检测方法连续采样后，再通过数学分析模型，对钢丝绳各体积元磁能势差异样本值进行图表化处理、统计学计算和曲线波型分析，就能把影响钢丝绳机械承载性能的所有细部缺陷清晰地反映出来，同时给出描述这些退变特征危险程度的等效映射量值，提供准确、客观并完整的安全评估基础信息。九、检测过程 在检测之前要先用弱磁加载仪对钢丝绳进行弱磁加载，然后用探伤仪来检测（如图8）。功能：对钢丝绳进行弱磁加载，使钢丝绳上不规则的磁场变成有序的磁场。这是进行正常检测的前提。 图8 检测过程方法：正确安装加载仪（检测仪）于钢丝绳上，推动弱磁加载仪，使其从确定的起点到确定的终点与被测钢丝绳完成连续相对运动（如图9）。 图9 加载仪安装方法加载仪加载仪有效标定区磁极(1.52.0m)磁极(1.52.0m)加载仪加载仪 图9 检测仪安装方法注意事项：（1）、磁化过程保持连续，中途不得停顿，不得取下仪器。 （2）、记录磁化方向。十、检测报告十一、曲线分析 1. 断丝曲线特征l 曲线突出l 宽度较窄综合曲线： 断丝特征曲线断丝特征曲线 2.锈磨曲线特征l 曲线扁平 l 曲线长度较宽综合曲线： 锈磨曲线锈磨曲线 3.压伤类型曲线特征l 宽度较窄 压伤类型曲线压伤类型曲线综合曲线：综合曲线： 4