钢丝绳无损检测中存在问题的探讨

吴 澎，花虎跃

(国家钢丝绳产品质量监督检验中心， 南通 226011)

钢丝绳无损检测中存在问题的探讨

吴 澎，花虎跃

(国家钢丝绳产品质量监督检验中心， 南通 226011)

针对在役钢丝绳中存在的局部损伤LF型和金属横截面积损失LMA型缺陷，目前基本采用电磁检测法检测。主流的钢丝绳无损检测仪是采用永磁磁化激励的原理，通过霍尔元件传感器采集缺陷信号。在实际检测中，通过无损检测仪检测LMA型缺陷能取得比较好的效果，但受到检测技术的限制和钢丝绳结构的影响，对LF型缺陷不能进行定量分析。采用半定量的方法对LF型缺陷进行分析发现，其检验结果存在一定的偏差，只能起到参考作用。只有解决LF型缺陷的定量检测以及缺陷与钢丝绳强度的关系，无损检测才能真正准确预测在役钢丝绳的使用寿命。

钢丝绳；无损检测；缺陷；使用寿命

钢丝绳广泛用于海洋、冶金、矿产、交通、建筑等多个行业，如提升机、起重机、索道、电梯等设备中均大量使用到钢丝绳。为避免因钢丝绳断裂造成的安全事故，需要定期对在役钢丝绳进行检测。以往常采用人工目视结合手摸的检查方法，来估算其使用寿命以确保钢丝绳的安全性，但采用此类方法存在很大的误差。据不完全统计，更换下来的钢丝绳中，有70%以上的仅有很少甚至没有强度损耗。目前，将无损检测技术应用到在役钢丝绳的检测中已经取得一定的进展，主要是在不破坏钢丝绳使用状态的情况下，应用一定的检测技术和分析方法对钢丝绳的状态特性加以测定[1]。根据检测结果推测其剩余的使用寿命及报废时间，做到在保证钢丝绳安全运行的前提下，减少钢丝绳更换的盲目性[2]。

笔者对钢丝绳无损检测的现状进行了分析，对其存在的问题进行了探讨，并对其发展趋势进行了展望。

1 钢丝绳的缺陷分类

我国现行的标准一般都是通过发现在役钢丝绳的缺陷推测其强度损失，得到钢丝绳残余强度，再根据钢丝绳的安全系数和使用规程来判定钢丝绳是否报废的。GB/T 21837-2008《铁磁性钢丝绳电磁检测方法》根据缺陷的性质，将缺陷分为两大类：局部损伤LF型(Local Flaw)和金属横截面积损失LMA型(Loss of Metallic Cross-sectional Area)[3]。

局部损伤LF型主要是指钢丝绳中的不连续，诸如断丝、钢丝的蚀坑、较深的钢丝磨损或其他钢丝绳局部物理状态的退化等。LF型缺陷的特点是钢丝绳的金属截面积突然减小，其常见形式是断丝，包括使用过程中钢丝产生的疲劳、磨损、锈蚀等情况以及钢丝受力不均时发生的剪切、过载和扭结等。

金属横截面积损失LMA型是指造成钢丝绳横截面上金属截面积总和减小的损伤，其通过仪器进行检测，并通过比较检测点与钢丝绳上象征最大金属横截面积的基准点来测定。LMA型缺陷的特点是钢丝绳的金属断面积在较长范围内普遍减小，主要包括磨损、长距离锈蚀、绳径缩细等。

2 钢丝绳无损检测的方法

钢丝绳无损检测方法有很多种，包括无损检测常用的超声波检测法、射线检测法、声发射检测法、电涡流检测法、电磁检测法以及机械检测法、声学检测法、电流检测法、光学检测法、振动检测法等[4]。

直到近年，在钢丝绳无损检测中主要还是以电磁检测法为主，其余无损检测技术依然局限于实验室研究阶段。针对局部损伤LF型缺陷，采用漏磁检测法的原理是：通过在钢丝绳断丝处泄漏的磁场来检测钢丝绳的缺陷。针对金属横截面积损失LMA型缺陷，采用主磁检测法的原理是：通过对钢丝绳内部穿过磁通量的测量来检测出钢丝绳金属截面积的变化情况。

根据电磁检测法的工作原理不同，其磁化方式分为交流磁化、直流磁化、永磁磁化。交流磁化检测精度低，传感器容易发热且操作麻烦；直流磁化虽然具有励磁强度可调整的优点，但是设备重量较大，结构复杂，而且工作时还需提供配套的直流供电设备。由于两者的局限性，近年来这两种方法已逐步淘汰。而永磁磁化检测装置体积小，重量轻，使用便捷，检测成本低[4]，特别是近年来新型永磁材料的开发与应用，使得其优势更明显，因此电磁检测法中大量使用永磁磁化的方式。

永磁磁化检测LMA型缺陷的工作原理是：通过传感器头(磁回路)沿轴向磁化一段钢丝绳(被测区域)，将其磁化至饱和；磁感应强度恒定，钢丝绳横截面中的磁通量与其面积成正比，通过感应线圈、霍尔元件或其他能有效测定磁场或稳恒磁场变化的装置测定轴向主磁通，从而定量检测被测区域的截面损失，工作示意见图1，2。

图1 感应线圈检测LMA型缺陷示意

图2 霍尔元件检测LMA型缺陷示意

永磁磁化检测LF型缺陷的工作原理是:磁场通过钢丝绳中的不连续(如断丝、锈蚀、局部形状异常等)时会发生改变，形成漏磁；通过霍尔元件传感器、感应线圈或其他适当装置检测到电信号，通过记录输出的电信号判断钢丝绳的局部损失，工作示意见图3。

图3 霍尔元件检测LF型缺陷示意

常用的传感器类型有霍尔元件传感器和感应线圈两种。在实际使用中，移动传感器的速度会影响感应线圈传感器的输出信号，人工操作时不可能完全保证匀速，传感器输出信号会随着速度的不同产生变化，速度过低时传感器可能无信号。同时速度的变化会使得检测信号在时间轴上发生偏离，导致前后信号不一致而出现误判的情况。霍尔传感器的输出信号则不受速度影响，克服了线圈传感器的不足，而且霍尔元件体积小，对小间隙空间磁场的测量有很大的优越性，因此得到广泛应用[5]。

目前，市面上主要采用永磁磁化激励，及霍尔元件传感器的钢丝绳无损检测仪进行在役钢丝绳缺陷的检测。

3 钢丝绳无损检测中存在的问题

相对于国外钢丝绳的无损检测，我国在这方面起步较晚，但近年来发展很快，特别是一些大专院校将人工智能以及模式识别技术与钢丝绳无损检测相结合起来，改进传感器与钢丝绳的接触方式，实现了磨损和断丝的一体化检测。

《岁月》里的自行车，在这里已不仅仅是一个普通的物件，更是一种对过往的深深缅怀和那一代人永远也抹不掉的记忆。

钢丝绳无损检测技术已经应用于海工平台、桥梁索道、煤矿石油等行业，笔者对钢丝绳无损检测中存在的一些问题进行了简单的总结。

3.1 钢丝绳结构对检测的影响

钢丝绳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而成的。随着研制技术的发展，钢丝绳的结构越来越复杂。如8X109SWSNS结构钢丝绳横截面共有872根钢丝，而以往常见的6X19结构钢丝绳横截面钢丝数量只有114根。实际检测中发现同样断丝数的钢丝绳，结构复杂的相比结构简单的，传感器采集的信号强度要低，钢丝绳断丝所产生的漏磁场是非常微弱的，通常只有几高斯。当用霍尔传感器检测时，传感器的输出电压信号只有几毫伏，其信噪比较低，钢丝绳的结构复杂一点就会出现LF型缺陷漏检的情况；如果能够采取一些方法来增加信号放大电路的强度，则可以提高缺陷的检出率。

图4 钢丝绳结构示意

按钢丝绳股结构分类，钢丝绳可分为面接触、线接触、点接触钢丝绳，其结构如图4所示。霍尔传感器对钢丝绳进行扫查时，沿钢丝绳轴向方向会在钢丝绳股与股空隙处产生漏磁通，信号采集后的显示与正弦波类似，一般称为“股波”。在检测中，这类信号是无用信号，会对采集到的LF型缺陷信号产生干扰，从而降低信噪比，影响仪器的分辨力和缺陷检测能力。“股波”的幅度跟钢丝绳结构以及直径有关。一般来说，面接触钢丝绳幅度最小，点接触钢丝绳幅度最大，不同结构的钢丝受“股波”的影响不同，故检测时应具体分析其结构。现有的钢丝绳探伤仪很难消除结构对检测的影响；因此检测中，若在“股波”附近出现缺陷，则检出难度较大，往往只能通过经验进行判断。

3.2 LF型缺陷定量分析的问题

对于钢丝绳中断丝的定量判定，往往受到下面因素的影响：① 钢丝绳中钢丝的直径很小，如YB/T 5343-2015《制绳用圆钢丝》中规定的最小钢丝直径为0.08 mm；② 钢丝绳同一横断面出现多根断丝，甚至几根断丝就叠在一起；③ 多根断丝不在同一横断面，但之间的距离非常近。在这几种情况下，通过仪器采集到的输出信号(漏磁通幅值)跟断丝的数量不呈线性关系或者不呈其他形式的确定化关系[6]。这样在实际检测中，只能采取半定量的办法，即在检测区域内发现断丝后，根据漏磁通幅值大小大概确定一个断丝的范围值;继续扫查,若在下一处又发现断丝，再确定一个范围值;以此类推，在检测区域内完成检测后给出一个总的断丝范围。这种方法存在很大的误差，很多时候只能对缺陷的判别起到参考作用。找出合理的检测方法和手段来获取缺陷漏磁场信号，对缺陷尺寸进行定量评价是目前钢丝绳无损检测中急需解决的问题[7]。

3.3 现行标准概况及存在的问题

目前我国关于在役钢丝绳检测的标准有GB/T 9075-2008《索道用钢丝绳检验和报废规范》、GB/T 5972-2016《起重机 钢丝绳 保养、维护、检验和报废》、MT/T 970-2005《钢丝绳(缆)在线无损定量检测方法和判定规则》、GB 6067.1-2010《起重机械安全规程 第1部分:总则》等。

这些标准对于LMA型缺陷的要求基本是：按照钢丝绳的公称直径进行标定，如MT/T 970-2005中规定被测钢丝绳实测有效截面积的损失量相对于标称有效截面积的百分比为判定依据：① 面积损失百分比小于5%，为正常；② 面积损失百分比大于5%，但小于10%,被测钢丝绳可在加强养护的条件下继续使用；③ 面积损失百分比大于等于10%，但小于15%,被测钢丝绳可在加强监测的条件下使用；④ 面积损失百分比大于等于15%，但小于20%,被测钢丝绳应谨慎使用，接近上限应更换。GB/T 9075-2008中对LMA型缺陷的要求见表1(表中L为待检样品长度，d为钢丝绳直径)。GB/T 5972-2016中规定:外部磨损使钢丝绳实际直径比其公称直径减少7%或更多，即使无可见断丝，钢丝绳也应报废。按照标准的要求进行LMA型缺陷测试时，只要标定好公称直径，按轴向扫查，测量检测信号的变化量，以此对比是否在标准要求的范围内。

对于LF型缺陷，各个标准的要求差异较大。如MT/T 970-2005中对LF型缺陷没有相应的技术要求。GB/T 9075-2008对于LF型缺陷的报废要求只是针对目视能检查的外层钢丝，对于内层钢丝没有做具体的技术要求。同时在GB/T 9075-2008中专门提到，不论采用无损检测法或目视法，在钢丝绳相关长度内一个多处断裂的钢丝应算作一根断丝。GB/T 5972-2016中规定了可见断丝数达到或超过报废的标准，对内层钢丝没有对应标准。

综上所述，现行的标准对LMA型缺陷均做出了明确的要求。实际检测中，发现采用无损检测的手段进行钢丝绳LMA型缺陷检测的准确率比较高，对在役钢丝绳是否需要报废起到了很好的指导作用。对于LF型缺陷，由于现有仪器不能完全满足检测要求，标准没有明确的技术要求，故在检测中只能采用半定量的办法提供一个断丝的范围值。

表1 GB/T 9075-2008中对LMA型缺陷判定要求

3.4 LMA、LF型缺陷与钢丝绳强度的关系

考核钢丝绳是否合格需要进行直径、不圆度、捻距、拆股钢丝抗拉强度、弯曲、扭转、整绳破断拉力等试验,其中最重要的项目就是整绳破断拉力试验。检测LMA、LF型缺陷的目的就是为了保证整绳强度达到使用的要求。目前标准中规定的判废依据都是经验值或是实验室理想状态下的结论，与实际使用工况相比还存在一定的误差。故笔者认为，对在役钢丝绳进行无损检测时，若发现LMA、LF型缺陷后再进行整绳破断拉力试验，测得其剩余强度；收集大量数据后，找出LMA、LF型缺陷对钢丝绳强度的影响，从而可以更好地判断钢丝绳的使用寿命。

4 结论

相对来说,钢丝绳无损检测是一个新兴的门类。通过近年来的检测情况来看，现有的钢丝绳无损探伤仪基本上能够满足LMA型缺陷的检测需求；对于LF型的定量分析，受到现有仪器的限制，只能进行半定量分析。希望无损探伤仪的生产厂家针对现有的钢丝绳结构进行深入研究，加强LF型缺陷中电磁场特性的研究，找出电磁信号与LF缺陷间准确的定量关系。如果无损探伤仪可以定量检测LF型缺陷，找出LMA、LF型缺陷与钢丝绳强度的关系，检测者可结合在役钢丝绳的工况环境来分析获得的数据，准确预测在役钢丝绳的使用寿命，减少盲目更换钢丝绳引起的资源浪费。

[1] 许建芹，邹建华，黄凯，等.电梯曳引钢丝绳检测仪及国内钢丝绳质量标准的改进建议[J]. 无损检测, 2013, 35(11): 11-14.

[2] 安红艳， 罗云东.钢丝绳无损检测技术在宝钢的应用[J]. 无损检测, 2001, 23(7): 302-305.

[3] 韩利哲,刘德宇,王祯中,等. 超声导波技术在跨越索结构检测中的应用[J]. 中国特种设备安全, 2012(3): 37-39.

[4] 魏宏，吕英辉.GNDT钢丝绳电脑探伤仪在电梯检测中的应用[J].中国仪器仪表，2009(10): 56-58.

[5] 曹印妮,张东来,徐殿国.钢丝绳定量无损检测现状[J].无损检测, 2005, 27(2):91-95.

[6] 陈辉,王新虎,冯耀荣,等. 钢丝绳无损检测技术的发展及现状[J].石油工程建设, 2006, 32(1): 62-65.

[7] 金建华,康宜华.用集成霍尔元件定量检测缺陷漏磁场的特点[J].无损检测，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

吴 澎(1980-),男,硕士,高级工程师,主要从事钢丝绳产品的质量检测工作

吴 澎，280938@qq.com

10.11973/wsjc201706015

TG115.28

A

1000-6656(2017)06-0065-04