钢丝绳无损检测技术在金属非金属矿山中的应用

时间：2024-10-24

姜群山

（辽宁省安全科学研究院，辽宁沈阳 110004）

钢丝绳是矿山提升系统的重要组成部分，在提升运输中，一旦出现断绳，极有可能发生群死群伤事故。为了防止这类事故的发生，GB16423-2006《金属非金属矿山安全规程》对矿山使用中的钢丝绳提出了定期检验和日常检查的要求，定期检验的要求是在使用中的钢丝绳截取样品，在实验室进行钢丝拉断和弯曲试验，日常检查的要求是以人工或采用仪器的方式对钢丝绳的断丝、缩径、磨损、表面状态、扭曲或变形等缺陷进行检查，达到更换指标时，立即更换。这种方式，既费时费力，又难以对内部缺陷进行检查。以往，对多绳摩擦式提升机用提升钢丝绳，只进行悬挂前检验，不对其进行定期检验，使提升系统的运行埋下隐患。GB16423-2020《金属非金属矿山安全规程》明确提出要求对摩擦式提升系统的首绳和圆尾绳由有专业资质的检验检测机构进行定期检验，在无法进行实验室检验的情况下，在线无损检测势在必行。

1 钢丝绳无损检测方法原理

钢丝绳无损检测方法有4种[1]：交流电磁类仪器检测、直流和永磁（磁通）类仪器检测、漏磁类仪器检测、剩磁类仪器检测。

1.1 交流电磁类仪器检测原理

初级线圈和次级线圈环绕在钢丝绳上，钢丝绳磁特性的任何关键变化会通过次级线圈的电压变化（幅度和相位）反映出来[1]。采用交流磁化，由于磁场会出现集肤效应和涡流，使得钢丝绳磁化深度不够，对钢丝绳内部缺陷漏检的可能性很大，影响检测的正确性，会留下较大的安全隐患。

1.2 直流和永磁（磁通）类仪器检测原理

直流和永磁类仪器提供恒定磁通，通过传感器头磁化一段钢丝绳，钢丝绳中的轴向总磁通，通过有效测定磁场或稳恒磁场变化的装置测定。当钢丝绳截面积变化或存在其他缺陷时，钢丝绳磁通量变化，检测传感器感应钢丝绳的轴向磁通量，输出的电压信号，输出电压值与金属截面积变化成正比。用霍尔装置测量的原理见图1。

图1 用霍尔装置测量金属横截面积损失的示意图

1.3 漏磁类仪器检测原理

由直流和永磁类部件提供恒定磁通，磁化钢丝绳，通过传感器检钢丝绳中不连续所引起的漏磁。这类仪器用来测定LF，断丝导致的漏磁检测原理见图2。

图2 断丝导致漏磁的示意图

1.4 剩磁类仪器检测原理

由直流和永磁类磁化装置对钢丝绳磁化后，在无外加磁场影响下，测定钢丝绳内剩余磁场的变化，用来测定金属横截面积的变化和局部损伤。磁化和检测可以分步进行也可以同步进行。分步测试原理见图3。

图3 磁化和检测分步方式示意图

目前，有一些设备采用漏磁和磁通相结合的方式，不仅实现LF的测定，同时也能完成LAM的测定。

2 漏磁和剩磁检测的优缺点

铁磁性材料对外部磁场感应强度随外部磁场强度的变化而变化，如图4[2]，当外部磁场强度H达到Hm（饱和点）后，感应磁场强度B趋于稳定。当外部磁场强度不够，感应磁场强度在在a-b之间，感应磁场强度受外部磁场强度变化特别敏感，较小的外部磁场强度变化都会引起较大的感应磁场强度改变，导致对检测结果的缺陷判定不准确。

图4 铁磁材料的磁化曲线

漏磁检测通常施加的是强磁场，磁场强度高于Hm，感应磁场强度稳定，因此，其优点抗干扰能力强，受外部磁性因素影响小，检测重复性好。其缺点是所加强磁场对多绳摩擦式提升系统的磁性开关会产生影响，因此，在检测前要解除开关安全回路，以免误动作对安全产生影响，检测后，应进行消磁处理。

消磁方法有很多，如高温、振动等，在矿山钢丝绳在线无损检测中，采用消磁器提供交变磁场来进行消磁是可行的，它是利用交变磁场磁极的快速变化，打乱被消磁物体的磁场，使其原来的磁体排列无序，从而达到消磁的目。

剩磁检测通常施加的是弱磁，其特点是感应传感器要求灵敏度高，优点是对多绳摩擦式提升系统的磁性开关不产生影响，检测不必考虑在此方面的安全性。其缺点是抗干扰性不如漏磁检测，外部磁性因素、磁化后的时间长短、钢丝绳抖动等会对检测结果产生影响，对较小缺陷的检出后的确认比较困难。

3 影响现场检测结果的因素

采用经过校准的仪器设备进行现场检测时，应考虑一下方面的影响：

3.1 钢丝绳的标定

在进行LMA检测时，主要是比较测试点钢丝绳截面积与基准点的截面积，从而获得截面积损失，当作为基准的钢丝绳段选择错误，将导致截面积损失评定产生较大偏离。有条件的情况下，可以用悬挂前的留样钢丝绳作为标定样品，当现场没有这样的样品，对于多绳摩擦式提升钢丝绳可以选择在未经过导向轮和摩擦轮弯折部分的钢丝绳段作为标定段，对于缠绕式提升钢丝绳可以选择在卷筒上或卷筒内的余留绳作为标定段。

3.2 检测仪器的安装

当检测仪器的筒体轴线与钢丝绳轴线不平行时，检出的漏磁或剩磁会产生误差，因此，在现场尽可能固定检测装置并使其检测仪器的筒体轴线与钢丝绳轴线平行。

3.3 外部磁场的影响

检测过程中，外部磁场对感应磁场强度存在影响，尤其是对剩磁检测影响较大，因此，在检测前应检查现场磁场环境，确认无外加磁场或影响。

3.3.1 缺陷波形

各类缺陷的LAM（金属横截面积损失）、LF（钢丝绳中的不连续）波形见图5。

图5 缺陷波形

3.3.2 检测结果的利用

通过无损检测，一方面可以获得矿山提升钢丝绳当前断丝、截面积损失的结果，确定钢丝绳当前的安全状况；另一方面也可以利用2次或多次不同时期的检测结果分析，在某个时期，钢丝绳缺陷的变化程度以及预判未来一段时间内其劣化趋势，这些变化可能由哪些因素导致的，如提升循环变化、环境条件恶劣、维护保养不到位、操作不当或意外导致的制动频繁等，在采取改进措施后，通过再次测试验证措施的有效性以提高钢丝绳的使用寿命。