三維磁信息感應(yīng)技術(shù)在鋼絲繩無(wú)損探傷中的應(yīng)用
冀慶亞
冀中能源峰峰集團(tuán) 河北邯鄲 056200
鋼絲繩作為起重、運(yùn)輸、提升及承載等重大裝備與設(shè)施中的主要組件，廣泛應(yīng)用于民經(jīng)濟(jì)各個(gè)域，是工程中主要的承載構(gòu)件，因此鋼絲繩的安使用也備受關(guān)注。
1、 鋼絲繩安管理中存在的主要問(wèn)題
長(zhǎng)期以來(lái)，由于鋼絲繩探傷技術(shù)手段問(wèn)題，導(dǎo)致鋼絲繩使用和管理始終存在5大“疾患”：
（1）安隱患 鋼絲繩使用過(guò)程中，多發(fā)因強(qiáng)度損耗而導(dǎo)致的斷繩事故。據(jù)美權(quán)威機(jī)構(gòu)對(duì)球8000家鋼絲繩用戶的調(diào)查，有12%的在用鋼絲繩處于“危險(xiǎn)或度危險(xiǎn)”狀態(tài)。
（2）經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)大 定期更換鋼絲繩造成大浪費(fèi)。70%以上被強(qiáng)制更換的鋼絲繩“很少或基本上沒(méi)有強(qiáng)度損耗”。
（3）工作率低 傳統(tǒng)的靠人工目視、手摸檢查方法，耗時(shí)、費(fèi)工、率低下。
（4）人為管理松 人工檢測(cè)不可及，安管理不到位，許多重大事故隱患難以發(fā)現(xiàn)。
（5）社會(huì)危害重 重大斷繩事故必然導(dǎo)致重大危害后果。以我為例，據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅在2004-2005年，煤礦共發(fā)生煤炭運(yùn)輸提升事故1065起，造成1142人死亡，其中大部分為鋼絲繩斷繩事。嚴(yán)重的鋼絲繩斷繩事故中，次死亡人數(shù)達(dá)到14人，重傷5人。
2、 三維磁信息感應(yīng)技術(shù)基本技術(shù)原理
鋼絲繩的探傷環(huán)境較惡劣，探傷系統(tǒng)受多種因素的干擾，因鋼絲繩結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在股間干擾信號(hào)，斷絲識(shí)別非常困難，怎樣將損傷信息客觀真實(shí)地反映出來(lái)，達(dá)到準(zhǔn)確定量地判定鋼絲繩損傷，是目前困擾鋼絲繩無(wú)損探傷域的個(gè)難題[1]。
在鋼絲繩被飽和磁化的情況下，會(huì)因諸如結(jié)構(gòu)征、材料缺陷、表面創(chuàng)傷、材質(zhì)變異及各種疲勞損傷等原因，使鋼絲繩內(nèi)部磁場(chǎng)不同程度地向其外部空間“泄漏”，完整地采集這些詞場(chǎng)信息對(duì)分析鋼絲繩狀態(tài)，合理使用更新能鋼絲繩，保障安生產(chǎn)十分重要。現(xiàn)在對(duì)鋼絲繩磁場(chǎng)信息的采集方法般采用霍爾元件法和感應(yīng)線圈法。由霍爾元件或者感應(yīng)線圈組成的傳感裝置，只能完成兩維空間的平面信息采集，而鋼絲繩內(nèi)外部的磁場(chǎng)，屬漫步于空間的、邊界模糊不確定的三維立體物理場(chǎng)，因此，上述兩類裝置無(wú)法面客觀地反映鋼絲繩的安狀態(tài)[2]。
圖1 傳感器三維布置示意
將6個(gè)柱狀線繞式電感傳感器，按正三棱錐三維空間形體配置，如圖1所示。每個(gè)傳感器作為正三棱錐的個(gè)棱邊，各三角形平面由3個(gè)傳感器尾相隨順序連成，利用正三棱錐體空間對(duì)稱的幾何點(diǎn)，形成各傳感器之間既相互立又相互共用的相關(guān)關(guān)系。磁場(chǎng)信息屬種空間物理場(chǎng)，能量集中表現(xiàn)于發(fā)生源（磁）附近空間，現(xiàn)行的感應(yīng)線圈（環(huán)狀）傳感器和霍爾應(yīng)（片狀）傳感器，只限于軸向（維）或面向（二維）采集，柱狀線繞式電感傳感器有明顯的取向接收性，三維磁信息感應(yīng)橋裝置獲得了空間多取向采集模式，如圖2所示，可有完成對(duì)磁場(chǎng)信息的完整采集。
圖2 空間多取向采集模式示意
采用三維磁信息感應(yīng)技術(shù)將各單傳感器裝置在三維空間里對(duì)稱布置，組成空間對(duì)稱軸線重合安置狀態(tài)，形成對(duì)被測(cè)鋼絲繩周向的完整包容，可準(zhǔn)確有地完成磁場(chǎng)矢量變化信息和磁聚集信息的高分辨采集。
3、 三維磁信息感應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用
鋼絲繩是主、副井提升設(shè)備的個(gè)重要組成部分，它直接關(guān)系到煤礦正常生產(chǎn)、人員生命安及經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)。為確保煤礦提升設(shè)備的安運(yùn)行，《煤礦安規(guī)程》對(duì)提升用鋼絲繩做了詳細(xì)的規(guī)定。
檢測(cè)人員的安性是所有重大裝備鋼絲繩用戶為關(guān)注的問(wèn)題。在澳大利亞，采礦行業(yè)規(guī)定人員不能進(jìn)入距運(yùn)轉(zhuǎn)鋼絲繩4 m的區(qū)域范圍內(nèi)；在，礦山行業(yè)的人工檢測(cè)安繩速范圍為0.3 m/s以下；在起重行業(yè)，很多需要檢測(cè)的點(diǎn)都是人員難以到達(dá)的位置。采用三維磁信息感應(yīng)技術(shù)的鋼絲繩探傷系統(tǒng)具有良好的自動(dòng)運(yùn)行能力，可檢測(cè)人員難以到達(dá)位置的鋼絲繩，無(wú)需檢測(cè)人員靠近鋼絲繩，并且能夠適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境。
峰峰集團(tuán)目前共運(yùn)行各種類型的大型提升設(shè)備60余臺(tái)，每年鋼絲繩使用量約1240 t，用繩成本約為1050萬(wàn)元。以峰峰集團(tuán)目前大淑村礦為例，主井為4繩摩擦式提升機(jī)，提升高度227米,以每繩速度0.3 m/s計(jì)算,驗(yàn)1根繩用時(shí)12 min,4根繩共計(jì)48 min。即使采用手持式無(wú)損探測(cè)設(shè)備，以每繩0.5 m/s計(jì)算,驗(yàn)4根繩也需30 min左右。鋼絲繩在線探傷系統(tǒng)有著24 h在線不間斷監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，大地提高了對(duì)提升鋼絲繩的檢測(cè)率。
同時(shí)，鋼絲繩在線探傷系統(tǒng)也為峰峰集團(tuán)帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)益:峰峰集團(tuán)每年鋼絲繩使用量1240 t，成本1050萬(wàn)元。使用鋼絲繩自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)后，每年可將低用繩量1/3，節(jié)約成本350萬(wàn)元；減少停機(jī)檢測(cè)時(shí)間4/5，創(chuàng)造利潤(rùn)4000萬(wàn)元；節(jié)約檢測(cè)能耗成本達(dá)百萬(wàn)元以上。
4、 結(jié)束語(yǔ)
利用三維磁信息感應(yīng)技術(shù)原理研究并開(kāi)發(fā)出鋼絲繩無(wú)損探傷系統(tǒng)，通過(guò)科學(xué)檢測(cè)，可以杜人工檢測(cè)的各種弊。探傷系統(tǒng)的建立為鋼絲繩的科學(xué)管理奠定了基礎(chǔ)，構(gòu)建個(gè)能及時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)記錄過(guò)程，以及具有數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸功能的業(yè)化鋼絲繩監(jiān)測(cè)平臺(tái)。利用該技術(shù)，可準(zhǔn)確解析被測(cè)鋼絲繩的損傷等，為評(píng)估鋼絲繩的安狀態(tài)提供了客觀依據(jù)。
參考文獻(xiàn)
[1]江四厚,王漢功,陽(yáng)能軍,等. 小波分析在鋼絲繩檢測(cè)信號(hào)處理中的應(yīng)用[J]. 無(wú)損檢測(cè), 2006,28（2）：70-72.
[2]竇毓棠，楊 旭，竇伯莉. 鋼絲繩(纜)息定量無(wú)損檢測(cè)[J]. 礦山機(jī)械， 2001， 29(5):549-53.
