矿用钢丝绳无损检测讲解

矿用钢丝绳无损检测

摘要：矿用钢丝绳作为矿井提升、运输及承载设备中的关键零机构，其安全性极为重要。本文以矿用钢丝绳为研究对象，简述矿用钢丝绳无损检测的意义,分析了矿用钢丝绳的结构、缺陷类型及报废标准，针对矿用钢丝绳的局部LF缺陷，简述了矿用钢丝绳漏磁检测原理和合适的励磁技术，根据磁荷分析理论和磁场矢量叠加基本原理，采用局部缺陷LF法对钢丝绳断丝漏磁理论进行了分析，最后阐述了矿用钢丝绳漏磁检测系统的构成。

关键词：矿用钢丝绳 断丝 漏磁检测

Nondestructive Testing for Mine Wire Rope

Abstract：Mine wire rope, as key transport and hoist equipment in

the production of mine, whose safety is very important. This paper, takes

the mine wire rope as the object of study, describes the significance of

nondestructive testing of mine wire rope, analyzes its structure, fault

types and scrapped rules. In the light of the Localized Fault of the steel

rope, researches the principle and appropriate excitation technique of

magnetic leakage detection for mine steel wire rope, according to the

analysis of the basic theory of the principle of magnetic charge and the

magnetic field vector superposition, uses the Localized Fault method to

analyzes the broken wires of wire rope magnetic flux leakage theory. and finally elaborates the framework of the wire rope magnetic leakage

detection system.

Keywords: mine wire rope broken wire nondestructive

testing

1.前言

1.1矿用钢丝绳无损检测的意义

钢丝绳是一种重要的绕性构件，因其具有较高的抗拉强度和抗疲劳强度、自重轻、弹性好、工作平稳可靠、承受动载和过载能力强以及在高速工作条件下运行和卷绕无噪声等诸多优点，在矿产、冶金、

交通、建筑等国民经济主要行业和部门的提升、运输及牵引等设备中得到广泛的应用，如各类矿井提升机、起重机、货运客运索道、电梯、等都大量地使用钢丝绳。钢丝绳无损检测是指在不破坏钢丝绳的使用状态的情况下，应用一定的无损检测手段来检测其状态特性，根据设备的检测结果，并按一定的评价准则对其分析评价从而推测其剩余使用寿命及报废时间。

钢丝绳作为一种工程承载构件[1]，它在使用过程中，由于种种原因必然会出现疲劳、锈蚀、磨损甚至骤断等失效，其承载能力及可靠性直接决定着设备及人身安全。特别是近年来，因钢丝绳的制造工艺发生改变，应用于煤矿矿井提升的钢丝绳更容易发生一些不易被检测人员发觉的失效，以至于悲剧发生。如，2003年1-5月，全国煤炭系统钢丝绳问题所造成的重、特大恶性事故就多达215起，死亡223人；2004年，攸县黄丰桥镇码井煤矿因断绳事故造成1死1亡。之所以造成这样的悲剧，其中一方面[2]是因为当前缺乏一种可靠的钢丝绳状态检测手段和评价标准，另一方面是由于现代监测仪器的准确性和可靠度不足。研究表明所有在役钢丝绳中有少部分处于危险运行状态，极危险状态工作很少，而大部分被更换下来的钢丝绳的强度损耗很少。这不仅报废了仍有实用价值的钢丝绳而造成巨大的浪费，而且不能及时检测出钢丝绳严重损伤的部位以导致安全隐患。因此研究一套先进的矿用钢丝绳无损检测仪器具有很重要的意义。

1.2我国矿用钢丝绳无损检测的发展现状

相对于世界水平，我国矿用钢丝绳无损检测技术起步晚，国内自行开发研制的钢丝绳探伤仪一般是单因素（主要针对钢丝）的检测装置[2]。华中科技大学[3]80年代初开始研究钢丝绳在线检测，他们采用漏磁通法，以永磁铁对钢丝绳励磁，用集成霍尔元件对钢丝绳周围各个方向的磁场信号测量，用编码盘控制采样的间距，用计算机对数据处理，并对钢丝绳的励磁磁路信号处理等进行了大量的研究。如他们研制成功的GDJY-B型钢丝绳断丝定量检测、MTC-94型钢丝绳探伤仪，能定性地检测钢丝绳的局部缺陷。由于采用计算机提高了仪器的智能化水平，实现了钢丝绳检测信号的等距离采样，对断丝信号特征的提取、断丝检测信号定量识别进行了有效的探索。该技术在实际推广运用中取得了良好的成效。另外，洛阳TCK钢丝绳检测技术有限公司所研制成了TCK钢丝绳探伤仪定量检测系统，采用弱磁检测技术，相对于传统的强磁检测技术是一大突破。

2.矿用钢丝绳的结构及常见的失效形式 2.1矿用钢丝绳的结构组成

煤矿用钢丝绳是采用高强度优质碳素钢，由细圆钢经多次冷拔、热处理得到直径为0.1-5mm的高强度钢丝制成的。

钢丝绳的结构如图2.1所示，它是由一定数量的钢丝按照一定的方向绕股芯捻制成绳股，一定数量的绳股再按照一定的方向绕绳芯捻制成钢丝绳。

图2.1

绳股是构成钢丝绳的主要单元，它主要有圆股、三角股、椭圆股、扁带股、单捻股。绳芯主要用来填充中央断面和存储润滑油，增加钢丝绳的挠性，保持钢丝绳形状的稳定性[3]。

矿用钢丝绳的横截断面如图2.2所示，

图2.2

矿井提升系统主要由提升容器、提升钢丝绳、提升机、天轮或导向轮、井架、装卸载设备及电气设备等组成。提升钢丝绳根据提升系统的类型不同分为多绳摩擦式提升钢丝绳和单绳缠绕式提升钢丝绳，如图2.3所示。摩擦式提升系统中，提升机由单个滚筒组成，钢丝绳在提升机上固定的绳槽内运动，提升钢丝绳一般为四绳或六绳结构，工作时依靠钢丝绳与提升机之间的摩擦力带动钢丝绳运动，在提升作业过程中钢丝绳不会沿提升机轴向移动；缠绕式提升系统的提升机一般由两个滚筒组成，每个滚筒上缠绕一根钢丝绳，钢丝绳一端固定在卷筒上，另一段沿滚筒轴向缠绕，两个滚筒上钢丝绳的缠绕方均相反，钢丝绳在提升作业过程中随着钢丝绳的收放，钢丝绳沿提升机的轴向方缓慢偏移。

图2.3 无论摩擦式提升钢丝绳还是缠绕式提升钢丝绳，都必须看成闭合的，检测探头在结构上都必须能穿过钢丝绳，钢丝绳探伤具体安装位置需根据现场勘测和使用方要求决定。检测探头需在传统接触式检测的基础上进行研究改进，实现能够在较大提离距离下获取钢丝绳的状态信号。

2.2矿用钢丝绳的缺陷类型

钢丝绳在使用过程中主要会出现两大类缺陷[4]：LF型（Localized

Fault局部缺陷型）和LMA型（Loss of metal cross-sectional area金属截面面积损失型）。

LF型缺陷是钢丝绳有效截面突然变化造成的，其特点是：断丝、锈蚀、局部变形等；LMA是钢丝绳有效横截面在较长范围内普遍减小，主要特点是：磨损、长距离锈蚀、绳径缩细等。

LF型缺陷的最常见形式是断丝，其主要有：疲劳断丝、磨损断丝、锈蚀断丝、剪切断丝、过载断丝和扭结断丝，钢丝绳正常运行过程中前四种情况经常发生，而后两种情况主要发生在事故状态下。

疲劳断丝是指在一定拉力的作用下，绕在滑轮或是卷筒上的钢丝绳因受到反 复弯曲的作用，钢丝疲劳而产生的断丝，特点是断口形状平齐，钢丝外缘的一小部 分被最后拉断且断口被拉开一定的距离，绳股弯曲程度最厉害的一侧的外层钢丝上较易产生疲劳断丝；磨损断丝在钢丝磨损极其严重的情况下才出现的缺陷，是因为股与股之间微小的错动或是运行的过程中与其他物体相接触而磨损产生的断

丝，其特征是断口为扁斜状；锈蚀断丝是在具有腐蚀性介质环境下运行的钢丝绳因腐蚀生锈，而产生的断丝，其特点是断丝形状不整齐，呈针尖状；剪切断丝是因 钢丝受挤压后被硬性拉断所产生的，断口呈剪切状；过载断丝是因钢丝绳承受的载荷过大或是在过大的冲击力的作用下所造成的断丝，其断口呈塑性收缩状；扭结断丝是运行中的钢丝绳松弛造成扭结后受拉而产生的断丝，其断口平整光滑。

由于矿井淋水较多，且水多呈酸性，加上在钢丝绳表面有周围合金元素的作用、电化学介质及其他腐蚀性物质的腐蚀，矿井提升钢丝绳极容易锈蚀断丝破坏。对于钢丝绳外部锈蚀断丝，可通过人工目视的方法发现，然而有些钢丝绳内部锈蚀断丝情况则很难检测和评价。

2.3矿用钢丝绳的报废标准

钢丝绳无损检测的目的是根据无损检测的结果推测在役钢丝绳的强度损失, 得到钢丝绳残余强度即它的承载能力, 由安全系数和使用规程最终决定更换的日期[5]。原系统没有提供钢丝绳的劣化判定标准, 通过查阅国内外钢丝绳手册并参考国家制定的有关起重机械用钢丝绳检验和报废实用规范GB5872- 86、架空索道用钢丝绳检验和报废规范GB9075- 88、起重机械安全规程GB6067- 85等, 结合宝钢钢丝绳的现状, 归纳总结出以下结论: 选取钢丝绳的断丝数量, 特别是一定长度内的断丝总数作为检验钢丝绳是否报废的首要判定指标, 其次是钢丝绳相对磨损量即( D实际-D标定)/ D标定(% )。

3.矿用钢丝绳缺陷检测手段 3.1检测原理

目前，除了漏磁检测法之外，大多数钢丝绳无损检测技术都只停留在实验阶段。由于钢丝绳是由优质钢材制成的一种复杂结构的铁磁性构件,导磁能力优良。当励磁磁路系统沿钢丝绳轴向通过时, 钢丝绳即被深度磁化并达到磁饱和。一旦钢丝绳存在缺陷, 则会在钢绳表面产生漏磁场, 或者引起钢丝绳磁路中磁通量变化。应用组合整磁聚磁元, 将漏磁场和磁通变化信号均化、聚集、汇收、导向, 磁场检测元件可获取理想的钢丝绳的缺陷信号。

根据上一章介绍的钢丝绳的缺陷类型，可将钢丝绳的漏磁检测分为作局部缺陷检测LF法、截面积损耗型检测 LMA 法和LF 法与

LMA 法组合于一体的双重检测法[6]。本文使用局部缺陷LF法来检测矿用钢丝绳缺陷。

3.2断丝漏磁理论分析

为了深入研究钢丝绳LF检测法的原理，本节对测试系统漏磁场进行理论分析，通过计算钢丝绳存在断丝缺陷时的漏磁场分布，研究测试系统的磁路参数，进而为钢丝绳探伤仪的设计提供理论依据。矿用钢丝绳的常见断丝断口形状如图3.1所示。

图3.1断丝端口形状

假设断丝断口处分别有一磁荷，根据磁场分布理论可计算出断丝断口处漏磁场的分布，继而实现对缺陷处的磁场分布情况做定性和定