鋼絲繩無損檢測技術(shù)在金屬非金屬礦山中的應(yīng)用

姜群山

（遼寧省安全科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110004）

鋼絲繩是礦山提升系統(tǒng)的重要組成部分，在提升運(yùn)輸中，一旦出現(xiàn)斷繩，極有可能發(fā)生群死群傷事故。為了防止這類事故的發(fā)生，GB16423-2006《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》對(duì)礦山使用中的鋼絲繩提出了定期檢驗(yàn)和日常檢查的要求，定期檢驗(yàn)的要求是在使用中的鋼絲繩截取樣品，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鋼絲拉斷和彎曲試驗(yàn)，日常檢查的要求是以人工或采用儀器的方式對(duì)鋼絲繩的斷絲、縮徑、磨損、表面狀態(tài)、扭曲或變形等缺陷進(jìn)行檢查，達(dá)到更換指標(biāo)時(shí)，立即更換。這種方式，既費(fèi)時(shí)費(fèi)力，又難以對(duì)內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢查。以往，對(duì)多繩摩擦式提升機(jī)用提升鋼絲繩，只進(jìn)行懸掛前檢驗(yàn)，不對(duì)其進(jìn)行定期檢驗(yàn)，使提升系統(tǒng)的運(yùn)行埋下隱患。GB16423-2020《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》明確提出要求對(duì)摩擦式提升系統(tǒng)的首繩和圓尾繩由有專業(yè)資質(zhì)的檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行定期檢驗(yàn)，在無法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)的情況下，在線無損檢測勢在必行。

1 鋼絲繩無損檢測方法原理

鋼絲繩無損檢測方法有4種[1]：交流電磁類儀器檢測、直流和永磁（磁通）類儀器檢測、漏磁類儀器檢測、剩磁類儀器檢測。

1.1 交流電磁類儀器檢測原理

初級(jí)線圈和次級(jí)線圈環(huán)繞在鋼絲繩上，鋼絲繩磁特性的任何關(guān)鍵變化會(huì)通過次級(jí)線圈的電壓變化（幅度和相位）反映出來[1]。采用交流磁化，由于磁場會(huì)出現(xiàn)集膚效應(yīng)和渦流，使得鋼絲繩磁化深度不夠，對(duì)鋼絲繩內(nèi)部缺陷漏檢的可能性很大，影響檢測的正確性，會(huì)留下較大的安全隱患。

1.2 直流和永磁（磁通）類儀器檢測原理

直流和永磁類儀器提供恒定磁通，通過傳感器頭磁化一段鋼絲繩，鋼絲繩中的軸向總磁通，通過有效測定磁場或穩(wěn)恒磁場變化的裝置測定。當(dāng)鋼絲繩截面積變化或存在其他缺陷時(shí)，鋼絲繩磁通量變化，檢測傳感器感應(yīng)鋼絲繩的軸向磁通量，輸出的電壓信號(hào)，輸出電壓值與金屬截面積變化成正比。用霍爾裝置測量的原理見圖1。

圖1 用霍爾裝置測量金屬橫截面積損失的示意圖

1.3 漏磁類儀器檢測原理

由直流和永磁類部件提供恒定磁通，磁化鋼絲繩，通過傳感器檢鋼絲繩中不連續(xù)所引起的漏磁。這類儀器用來測定LF，斷絲導(dǎo)致的漏磁檢測原理見圖2。

圖2 斷絲導(dǎo)致漏磁的示意圖

1.4 剩磁類儀器檢測原理

由直流和永磁類磁化裝置對(duì)鋼絲繩磁化后，在無外加磁場影響下，測定鋼絲繩內(nèi)剩余磁場的變化，用來測定金屬橫截面積的變化和局部損傷。磁化和檢測可以分步進(jìn)行也可以同步進(jìn)行。分步測試原理見圖3。

圖3 磁化和檢測分步方式示意圖

目前，有一些設(shè)備采用漏磁和磁通相結(jié)合的方式，不僅實(shí)現(xiàn)LF的測定，同時(shí)也能完成LAM的測定。

2 漏磁和剩磁檢測的優(yōu)缺點(diǎn)

鐵磁性材料對(duì)外部磁場感應(yīng)強(qiáng)度隨外部磁場強(qiáng)度的變化而變化，如圖4[2]，當(dāng)外部磁場強(qiáng)度H達(dá)到Hm（飽和點(diǎn)）后，感應(yīng)磁場強(qiáng)度B趨于穩(wěn)定。當(dāng)外部磁場強(qiáng)度不夠，感應(yīng)磁場強(qiáng)度在在a-b之間，感應(yīng)磁場強(qiáng)度受外部磁場強(qiáng)度變化特別敏感，較小的外部磁場強(qiáng)度變化都會(huì)引起較大的感應(yīng)磁場強(qiáng)度改變，導(dǎo)致對(duì)檢測結(jié)果的缺陷判定不準(zhǔn)確。

圖4 鐵磁材料的磁化曲線

漏磁檢測通常施加的是強(qiáng)磁場，磁場強(qiáng)度高于Hm，感應(yīng)磁場強(qiáng)度穩(wěn)定，因此，其優(yōu)點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)，受外部磁性因素影響小，檢測重復(fù)性好。其缺點(diǎn)是所加強(qiáng)磁場對(duì)多繩摩擦式提升系統(tǒng)的磁性開關(guān)會(huì)產(chǎn)生影響，因此，在檢測前要解除開關(guān)安全回路，以免誤動(dòng)作對(duì)安全產(chǎn)生影響，檢測后，應(yīng)進(jìn)行消磁處理。

消磁方法有很多，如高溫、振動(dòng)等，在礦山鋼絲繩在線無損檢測中，采用消磁器提供交變磁場來進(jìn)行消磁是可行的，它是利用交變磁場磁極的快速變化，打亂被消磁物體的磁場，使其原來的磁體排列無序，從而達(dá)到消磁的目。

剩磁檢測通常施加的是弱磁，其特點(diǎn)是感應(yīng)傳感器要求靈敏度高，優(yōu)點(diǎn)是對(duì)多繩摩擦式提升系統(tǒng)的磁性開關(guān)不產(chǎn)生影響，檢測不必考慮在此方面的安全性。其缺點(diǎn)是抗干擾性不如漏磁檢測，外部磁性因素、磁化后的時(shí)間長短、鋼絲繩抖動(dòng)等會(huì)對(duì)檢測結(jié)果產(chǎn)生影響，對(duì)較小缺陷的檢出后的確認(rèn)比較困難。

3 影響現(xiàn)場檢測結(jié)果的因素

采用經(jīng)過校準(zhǔn)的儀器設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場檢測時(shí)，應(yīng)考慮一下方面的影響：

3.1 鋼絲繩的標(biāo)定

在進(jìn)行LMA檢測時(shí)，主要是比較測試點(diǎn)鋼絲繩截面積與基準(zhǔn)點(diǎn)的截面積，從而獲得截面積損失，當(dāng)作為基準(zhǔn)的鋼絲繩段選擇錯(cuò)誤，將導(dǎo)致截面積損失評(píng)定產(chǎn)生較大偏離。有條件的情況下，可以用懸掛前的留樣鋼絲繩作為標(biāo)定樣品，當(dāng)現(xiàn)場沒有這樣的樣品，對(duì)于多繩摩擦式提升鋼絲繩可以選擇在未經(jīng)過導(dǎo)向輪和摩擦輪彎折部分的鋼絲繩段作為標(biāo)定段，對(duì)于纏繞式提升鋼絲繩可以選擇在卷筒上或卷筒內(nèi)的余留繩作為標(biāo)定段。

3.2 檢測儀器的安裝

當(dāng)檢測儀器的筒體軸線與鋼絲繩軸線不平行時(shí)，檢出的漏磁或剩磁會(huì)產(chǎn)生誤差，因此，在現(xiàn)場盡可能固定檢測裝置并使其檢測儀器的筒體軸線與鋼絲繩軸線平行。

3.3 外部磁場的影響

檢測過程中，外部磁場對(duì)感應(yīng)磁場強(qiáng)度存在影響，尤其是對(duì)剩磁檢測影響較大，因此，在檢測前應(yīng)檢查現(xiàn)場磁場環(huán)境，確認(rèn)無外加磁場或影響。

3.3.1 缺陷波形

各類缺陷的LAM（金屬橫截面積損失）、LF（鋼絲繩中的不連續(xù)）波形見圖5。

圖5 缺陷波形

3.3.2 檢測結(jié)果的利用

通過無損檢測，一方面可以獲得礦山提升鋼絲繩當(dāng)前斷絲、截面積損失的結(jié)果，確定鋼絲繩當(dāng)前的安全狀況；另一方面也可以利用2次或多次不同時(shí)期的檢測結(jié)果分析，在某個(gè)時(shí)期，鋼絲繩缺陷的變化程度以及預(yù)判未來一段時(shí)間內(nèi)其劣化趨勢，這些變化可能由哪些因素導(dǎo)致的，如提升循環(huán)變化、環(huán)境條件惡劣、維護(hù)保養(yǎng)不到位、操作不當(dāng)或意外導(dǎo)致的制動(dòng)頻繁等，在采取改進(jìn)措施后，通過再次測試驗(yàn)證措施的有效性以提高鋼絲繩的使用壽命。

4 結(jié)語

采用適宜的無損檢測方法，不僅可以實(shí)現(xiàn)金屬非金屬礦山摩擦式提升系統(tǒng)首繩和圓尾繩的定期檢驗(yàn)要求，同時(shí)也可以幫助礦山企業(yè)分析鋼絲繩使用中的影響因素，采取有效措施，降低劣化程度，延長使用壽命，為礦山企業(yè)在確保安全的前提下，節(jié)約成本提供技術(shù)支持。