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起重機鋼絲繩無損檢測技術探討

作者： admin 編輯： admin 來源：admin 發布日期：2022-07-19 14:40

信息摘要：

引言人們對鋼絲繩的安全運行日益重視，對鋼絲繩的無損檢測研究迅速發展。鋼絲繩缺陷有兩大類：一是以斷絲為主的局部缺陷型；二是鋼絲的截面積損失型。后者主要是指鋼絲由于疲

引言
        人們對鋼絲繩的安全運行日益重視，對鋼絲繩的無損檢測研究迅速發展。鋼絲繩缺陷有兩大類：一是以斷絲為主的局部缺陷型；二是鋼絲的截面積損失型。后者主要是指鋼絲由于疲勞磨損、擠壓、腐蝕、劃傷等原因造成的鋼絲截面積縮小，引起鋼絲繩承載能力降低，甚至出現鋼絲繩斷裂，發生事故。在起重機械和提升設備中使用的鋼絲繩，根據與滑輪配套使用情況和鋼絲繩的疲勞實驗結果，主要缺陷是斷絲。因此我們研究的重點是以斷絲為主的無損檢測。
        1無損檢測技術的現狀
        1.1鋼絲繩局部缺陷的定量檢測
        局部缺陷的定量檢測主要是對鋼絲繩斷絲的根數進行判斷的。目前，檢測斷絲主要是利用漏磁通法，測量鋼絲繩斷絲后斷口向外擴散的漏磁通大小。單根斷絲漏磁通的大小與斷絲在截面中的位置、斷口長度、磁化的飽和程度、鋼絲直徑大小以及受力狀態等很多不確定因素有一定關系。在被檢區域內，如果只有分布在外表面的極少量斷絲，那么判斷起來較為簡單。若是在同一截面，內外都出現很多根的斷絲，且斷絲在截面隨機的分布，那么所檢測到的斷絲漏磁通峰———峰值不隨斷絲根數呈線性變化或其它形式的確定性變化，這給定量檢測斷絲缺陷帶來較大誤差。
        1.2 鋼絲繩截面積損失的定量檢測局部缺陷的定量
        檢測相對的困難，其中美國、加拿大的學者們把注意力主要都集中在截面積損失的定量檢測中。因此，采用積分檢測線圈和基于霍爾元件的主磁通檢測法可以定量測量截面積的損失，同時還可以通過基于霍爾元件的漏磁通法進行間接測量。其中，檢測探頭分辨率的高低是非常關鍵的性能指標，因此應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分辨率。
        1.3 鋼絲繩無損檢測裝置的研究在鋼絲繩電磁檢測
        技術領域中，加拿大的能源技術中心和美國的NDT 公司以及國內的華中科技大學處于領先的地位。1996 年加拿大能源中心的研究小組完成了鋼絲繩缺陷檢測系統的工業現場實驗。此系統數據存儲量大，操作提示多，但是智能化程度相對較低，檢測曲線仍需要操作人員解釋。為了改變這一現狀，美國的NDT 公司研究出基于永久磁鐵和積分線圈的鋼絲繩截面積損失檢測系統，但是該系統只能檢測斷絲缺陷。
        2 斷絲為主的局部缺陷
        較常見的一種鋼絲繩缺陷是斷絲，斷絲有如下幾種：①疲勞斷絲：鋼絲繩繞過滑輪或卷筒時會承受一定的應力作用，經過多次反復彎曲后，鋼絲就會疲勞造成斷絲。鋼絲繩在日積月累的使用中實際上承受的都是疲勞荷載，再加上每根鋼絲繞經滑輪或卷筒時，都會受到交變應力的作用。疲勞斷絲出現在繩股彎曲程度最嚴重的一側外層，若出現該種斷絲，表示鋼絲繩已接近使用期限，應該高度注意并加強檢查。②磨損斷絲：這種缺陷一般是在鋼絲磨損非常嚴重的情況下形成的。繩股之間是相互捻緊的關系，當受到軸向力的作用時，每根鋼絲幾乎會發生一樣的變形，但繩股之間卻存在著微小的相互錯動，即微動。所以磨損斷絲其實就是因為這種微動的環境下造成的微動磨損疲勞破壞。③銹蝕斷絲：主要呈現針尖狀，斷絲形狀不整齊，這種缺陷一般出現在銹蝕嚴重的鋼絲繩的使用后期。④剪切斷絲：這種缺陷一般呈現剪切狀，通常是由于在某一拐角處鋼絲被硬性拉斷造成的。
⑤過載斷絲：該缺陷由于鋼絲繩承受過載負荷或沖擊力過大引起的，一般在正常使用中極少出現。⑥扭結斷絲：該缺陷在鋼絲繩因為出現松弛導致扭結后才出現，在一般正常使用中不出現，斷口平整、光滑似鏡面。⑦氫脆斷絲：出現這種缺陷很危險。鋼絲繩常在腐蝕性使用環境下工作，因此鋼絲常常遇到各種腐蝕介質的影響，產生氫脆斷絲現象，斷口不規則。
        3 鋼絲繩的磁化
        在勵磁效果相同的情況下，針對中小直徑的鋼絲繩，選擇永久磁鐵勵磁比選用直流有源勵磁在很多方面都更加有優勢，比如體積、使用方便、檢測成本和重量等。特別是近年來新型永磁材料取得了長遠的發展，永久磁鐵勵磁正在日益取代直流有源勵磁方法。因而在鋼絲繩斷絲探傷檢測選用勵磁裝置時，我們選則永久磁鐵做勵磁源。
        磁化鋼絲繩的勵磁回路包括永久磁鐵、磁軛、鋼絲繩、氣隙共四部分。勵磁回路不僅要滿足鋼絲繩中的磁場強度設計要求，還要做到成本最低、體積最小、重量最輕、性能最優。為了有效的達到這個要求，在選擇材料時一般都會選擇高剩磁、高矯頑力和高磁能積的永磁材料。然而永磁材料的種類有很多，其性能也是不一樣的，結合鋼絲繩探傷檢測的實際情況，稀土永磁材料是其中比較理想的選擇。該材料矯頑力Hc較大，并且剩磁Br也較大，符合鋼絲繩磁化飽和的要求，且最大磁能積和磁穩定性都非常優良，溫度系數低。在大溫度范圍時，能夠穩定工作。
        磁軛是勵磁回路中形成磁力線通路所必需的組成部分，它在勵磁回路中的主要功能是用以改變磁力線方向、減小回路系統的磁阻、增大關鍵部位的磁感應強度和聚集磁場等。磁軛一般選用磁導率和飽和磁感應強度都較大的材料，如工業磁鐵等。
        4 漏磁通檢測
        一旦一定的電流通過垂直于磁場的元件時，在垂直電流和磁場的方向上會出現電場，同時輸出電動勢，這種現象就是霍爾效應。該元件即霍爾元件，輸出的霍爾電壓為V=kiBcosα。影響靈敏度系數k的因素有很多，比如霍爾元件的材質、工作溫度和尺寸等。如果工作溫度不變，那么k是常數；確定好霍爾元件安裝位置后，磁感應強度B與霍爾元件平面法線的夾角α不變；霍爾元件還有定向響應特性，就是如果霍爾元件供電時使用的是恒流源，那么電流i為定值，并且磁感應強度B和霍爾電壓之間是正比的關系。所以要想知道鋼絲繩的斷絲損傷信號，只需要檢測出霍爾元件的輸出電壓V即可。所以霍爾元件的輸出電壓V反映了鋼絲繩的表面漏磁情況。
        由于鋼絲繩出現斷絲現象并沒有什么規律，任何地方都有可能出現斷絲，但是使用一個霍爾元件得到的檢測信息是有限的。實驗表明，霍爾元件在沿鋼絲繩周向±45°范圍內輸出最大，因而沿周向布置四個霍爾元件，就能夠滿足完全檢測鋼絲繩表面的漏磁場變化情況。斷絲產生的漏磁場有一定擴散范圍和分辨力。對于斷絲定量檢測來說，軸向分辨力和定量檢測的精度之間成正比關系。影響霍爾元件的軸向分辨力因素有很多種，比如鋼絲繩的結構、單根鋼絲的直徑、霍爾元件的周向尺寸、規格尺寸等。
        因為鋼絲繩外表面的軸向母線是波浪線，鋼絲繩的繩股之間在局部勵磁鋼絲繩后會沿軸線方向產生較大的漏磁通，而且會逐漸的增加。在沿軸線方向檢測霍爾元件時，繩股之間的漏磁通信號與正弦波類似，稱為“股波”。在實際的檢測過程中，“股波”信號是無用信號，有用信號是斷絲信號，股波信號的混入降低了斷絲檢測信號的信噪比。但繩股之間沿周向產生的漏磁通有相互消除的現象，而霍爾元件沿周向檢測時，“股波”信號相對降低了對斷絲信號的干擾，提高了檢測信號的信噪比。
        5 結論
        起重機鋼絲繩的斷絲缺陷特征直接與檢測信號的處理方法有關，無損磁檢測原理為檢測鋼絲繩斷絲缺陷提供了理論依據。鋼絲繩無損檢測技術的研究對研發相應的檢測儀器具有重要的指導意義。