鋼絲繩無損檢測技術探討

張蘭娣 霍珍珍 宋明星 倪笑宇 戴美魁

摘要：主要探討了鋼絲繩的無損檢測技術，對鋼絲繩的斷絲缺陷特征、無損磁檢測原理、鋼絲繩的磁化和漏磁通檢測進行了研究，這些研究對鋼絲繩檢測儀器的研發有重要指導意義。

關鍵詞：鋼絲繩 無損檢測 斷絲缺陷 磁化 漏磁通

鋼絲繩是起重機械和提升設備中的關鍵部件，在很多工程領域中使用，鋼絲繩的使用安全性非常重要。它的優點是承載能力大、卷繞性好、卷繞平穩等，而且繩股中鋼絲的斷裂過程是慢慢發生的，并不是在一瞬間發生的事情，因此工作時較為可靠。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 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。

2 無損磁檢測原理

優質高碳鋼經過多次冷拔制成鋼絲，然后鋼絲再經過多重捻制形成的復雜空間螺旋結構的鐵磁性構件就是鋼絲繩。它不僅具有良好的導磁能力，在磁化后還能夠有一定的剩余磁感應強度和矯頑力，保證可以采用無損磁檢測方法。

磁檢測原理是根據鐵磁性材料的磁導率遠遠大于比空氣的磁導率。把一磁場集中到鐵磁性材料中的時候，如果鐵磁材料表面存在缺陷如裂紋等，因為鐵磁材料局部的磁阻增加，磁導率下降，部分磁場從材料中外泄，外泄的磁場即漏磁場，由傳感器檢測漏磁場。材料中的磁力線不管是遇到外部還是內部缺陷造成的材料間斷，都會聚集在一起形成畸變，所以可以檢測出漏磁變化。

鐵磁性材料的磁化特性曲線如圖1所示。其中abcd是磁化特性曲線，def是退磁曲線，defghkd回路組成磁滯回復曲線。根據材料在不同曲線上隨磁場的變化而變化，可得到一些特殊檢測方法。在磁檢測中，主要利用abcd曲線和def曲線。

由曲線圖可知，磁化力H從a點增大至b點，磁感應強度B和磁化力H都呈現非線性增大。當磁化力H從b點向c點增大時，磁感應強度B增大顯著。當磁化力從c點變化到d點時，磁感應強度B的增長越來越小。而磁化力H緩緩增大。e點稱為磁飽和點。磁飽和后，去除外磁場，磁感應強度B回到Br即e點，這就是剩磁，即磁化力H=0時的磁感應強度B。剩磁對晶體結構、材料應力和缺陷程度都特別敏感，它們容易使得磁通趨于磁飽和傾向。當磁化力H緩慢反向時，最初存在磁化力H是負值，而磁感應強度B是正值的情況。鐵磁材料可保持這種退磁狀況，直到它不能再保持磁通為止，這時外加磁場有足夠的能量以克服保持磁通的力。當發生這種情況時，磁化力H的微小增量，就可以使磁通反向，并且幾乎達到反向飽和。使磁感應強度下降到零時，所需要的磁化力H即為矯頑磁力Hc。

在無損磁檢測過程中，不連續性附近局部區域的磁感應強度B和磁化力H的值可能會發生變化，這樣可采用漏磁通檢測的方法以評價材料的缺陷尺寸。在剩磁場檢測時，被檢測對象必須被充分磁化，在缺陷處才會產生漏磁場。

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

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。對研究成果的相應推廣，可以減少不合理更換鋼絲繩而引起的巨大資源浪費，可以提高鋼絲繩檢測的準確性和速度。

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基金項目：河北建筑工程學院科學技術研究基金資助（項目批準號Y-201314）。