無損檢測技術在礦山機械設備安全檢測中的應用

張丹　高崇　張宇

摘要：無損檢測指通過利用相關技術手段，在不破壞被測物體情況下實現對其性質、缺陷等內容檢測的技術。采用無損檢測技術對礦山機械設備重要承載部件進行檢測，可有效地遏制預防各類主軸開斷裂、懸掛裝置斷裂、葉片斷裂等機械事故帶來的惡性安全生產事故的發生。文章對無損檢測技術在礦山機械設備安全檢測中的應用進行了探討。

關鍵詞：無損檢測技術；礦山機械設備；在線檢測；安全檢測；生產事故 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG115 文章編號：1009-2374（2017）02-0145-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.070

1 超聲波探傷（UT）研究及應用

1.1 檢測要求

《煤礦安全規程》第412條規定立井提升容器與鋼絲繩的連接，應采用楔形連接裝置。每次更換鋼絲繩時，必須對連接裝置的主要部件進行探傷檢驗。《煤礦在用摩擦式提升機系統安全檢測檢驗規范》（AQ1014）、《煤礦在用纏繞式提升機系統安全檢測檢驗規范》（AQ1015）、《煤礦在用升絞車系統安全檢測檢驗規范》（AQ1016）中第4.2.1條規定提升機主軸、滾筒不得有降低機械性能和使用性能的缺陷。《礦山在用斜井人車安全性能檢測規范》（AQ2028-2010）中第5.2.3要求主牽引桿應能在導向箱內靈活伸縮，無裂紋。《礦用提升容器重要承載件無損探傷方法與驗收規范》（MT 684-1997）要求礦用提升容器重要承載件和承載天輪軸需要進行無損探傷。

1.2 概況

目前集團內的提升機主軸、楔形連接裝置、天輪軸、人車主拉桿、通風機主軸等鍛件都需要進行超聲波探傷檢測，要求被檢測工件完全拆卸后檢測以保證檢測覆蓋率達到100%，但在實際超聲探傷工作中存在許多問題。比如各礦更換提升機鋼絲繩時，通常要求在1～2個工作日內完成，楔形連接裝置的完全拆卸會占用很長的時間并增加工人的工作量，影響礦井的正常生產，而提升機主軸、天輪軸、通風機主軸完全拆卸更是無法完成。

1.3 超聲波探傷技術的研究

下面以軸類進行闡述：

1.3.1 軸類缺陷產生機理。引發軸類缺陷的主要原因是，在軸類用鋼的冶煉和加工過程中，往往會在軸類的表面和內部產生一些氣孔、砂眼、夾雜物和劃痕等缺陷。由于這些缺陷的存在，在運行過程中造成了軸類應力集中，在應力集中區域金屬的承載能力較小，極易延展出小裂紋，而在裂紋端頭又會形成新的應力集中。在連續承載情況下，裂紋不斷地擴展，使金屬能夠傳遞應力的部分越來越少，直至剩余部分不足以傳遞載荷時，金屬構件徹底崩潰，災難性事故也就隨之發生了。因此可見，軸類事故是遵循“應力集中→裂紋→新的應力集中→裂紋擴大→軸類破壞”的惡性循環過程發展而來，斷裂形式大多為疲勞斷裂。

1.3.2 軸類疲勞斷裂過程。主軸的疲勞斷裂由以下過程組成：裂紋源形成→疲勞核形成→快速發展期→脆斷。

1.4 超聲波探傷方法的研究

下面以提升機主軸的超聲波探傷方法的研究來闡述：提升機主軸的超聲波探傷方法的研究。軸類的超聲波探傷通常在工件熱處理后機械加工之前進行，以減小工件幾何尺寸對探傷過程中的影響。而提升機主軸的超聲波探傷主軸要求完全拆卸后檢測，把各種因素的影響減少到最小。但提升機主軸的拆卸在實際的工作中需要幾個工作日和大量工作量，這極大地影響礦井生產秩序。對此，經中心領導研究決定對提升機主軸進行在線檢測，研究出在不拆卸提升機主軸的前提下，能夠保證有效準確率的超聲波探傷方法。實際在線檢測過程中，提升機主軸幾何尺寸復雜、裝配位置的限制都極大地影響了超聲覆蓋率，容易出現應力裂紋的軸肩和鍵槽等部位不能檢測到。例如：大明礦立井主井提升機主軸長度近9m，集團內其幾何尺寸最為復雜、長度最長（一般為2～5m）、裝配位置最為復雜，是在線檢測最難以檢測的主軸。為解決其幾何尺寸及裝配位置限制，在探傷過程中保證檢測覆蓋率這一難題，經不斷摸索中，研究制定出解決這些問題的垂直、斜角以及小角度縱波探傷這三種方法，隨后再將它們結合在一起對提升機主軸在線超聲波探傷檢測，探傷覆蓋率達到100%，未發現超標缺陷，達到快捷準確地完成檢測工作。經過大量的實踐證明提升機主軸的超聲波在線檢測是可行的，從而實現了對鐵煤集團內外的提升機主軸超聲波探傷的在線檢測。

1.5 缺陷回波的定量與非缺陷回波分析

1.5.1 缺陷回波定量。缺陷回波定量中主要有單個、分散以及密集三類：第一，單個缺陷回波。單個缺陷回波性質為高大于Φ2且間距超過50mm，其一般有主軸裂紋。針對單個缺陷回波探傷中，我們需根據其大小選擇相應方法，例如所探缺陷小，那么應使用當量法即可；第二，分散缺陷回波。該回波性質中高大于Φ2且在50mm立方體中超過5個，其常見于分散性夾層。目前在其探傷上，我們通常采取當量法即可；第三，密集缺陷回波。該回波主要

表現是數量多、間距小，甚至是有可能出現成片現象。

例：在一長度為2m的提升機主軸，在對其超聲波垂直探傷。用2.5MHz、Φ20的直探頭軸向探傷，要求缺陷當量<Φ2為合格。發現在深度1m處有一缺陷，缺陷回波波高為20dB。對這個缺陷進行定性與定量分析。

用主軸底面調節靈敏度，靈敏度調整為：

△dB=20lg（πXBΦ2/2λXf2）=57.5dB

缺陷的平底孔當量為：

ΦF=10△F/40ΦXF/XB=3.16mm

此缺陷平底孔當量為Φ3.16>Φ2，對其波形進行定性分析為裂紋，因此提升機主軸超聲波探傷不合格。

1.5.2 非缺陷回波分析。第一，三角反射波。三角反射波主要指示波屏中出現2個聲程大小是1.3d與1.67d的反射波，并且其波束擴散性較強。另外，判斷某個波是不是三角反射波中我們可以通過看其是否在底波B1后面；第二，

遲到波。遲到波聲程通常為0.76d，并且其也在B1后面。

1.6 超聲波探傷檢測發現的缺陷實例

在對大平礦斜向人車主拉桿的超聲波探傷中發現一處缺陷，應用各種方法在多個方向檢測后，確認其為長度9.7cm、深度2.3cm的裂紋。檢測后現場告知礦方，礦里立即停止了人車的運行，及時有效地避免了因主拉桿裂紋斷裂造成跑車的安全事故，保證了車上人員的人身安全。

2 通風機葉片的滲透探傷（PT）

通風機葉片作為通風機的重要部件，受工作特性、環境等因素所影響會導致其出現裂縫，如果沒有及時發現并處理這一缺陷，那么極易導致葉片因此而斷裂，進而造成礦井通風故障，因而通過開展滲透探傷來確保通風機葉片處于良好工況就顯得十分必要。

2.1 滲透探傷概述

滲透探傷是將一種含有染料的滲透劑涂覆在零件表面上，在毛細作用下、將滲透劑滲入表面開口缺陷中去，然后去除零件表面上多余的滲透劑，再往零件表面上涂上一薄層顯像劑，缺陷中的滲透劑在毛細作用下被顯像劑吸附到零件表面上形成缺陷顯示。在檢測過程中選擇了DPT-5系列溶劑去除型著色滲透探傷劑，這種探傷劑是罐裝噴劑，具有便于攜帶、顯像快速、靈敏度高、操作方便、成本低等優點。

2.2 探傷部位的確定

在仔細分析了葉片的結構后發現，葉片的受力部位和缺陷易產生的部位位于葉片的根部。在這一部位葉片的尺寸較厚，有明顯的圓弧過渡區，是最容易產生鑄造缺陷的地方：因為風機的葉片和葉輪是用螺絲連接，在風機運行過程中葉片根部所受的扭矩最大，圓弧部位應力較集中。在安裝葉片時，工人們使用的工具經常會撞擊葉片根部的表面，葉片的脆性使得葉片的表面對撞擊的耐性不好，輕微的撞擊都會使葉片表面被劃傷和碰傷。這些人為的傷痕就是新的應力源，有產生應力裂紋的可能。鑒于以上等原因，規定了葉片根部周圍150mm范圍內為檢測的必檢區域，在這個區域包含了尺寸變化最大區、圓弧過渡區、人為應力集中區，其他區域可視具體情況而定，必要時對整個葉片表面進行檢測。

2.3 滲透探傷步驟及注意事項

葉片滲透探傷的步驟一般為：（1）表面處理；（2）清洗劑預清洗；（3）滲透劑滲透（同時用標準試塊檢測靈敏度）；（4）顯像；（5）觀察；（6）后清洗。

檢測中的注意事項：（1）通風機為長時運轉機械，由于受到抽出的氣體中煤塵、水分的影響，葉片表面通常有煤泥層附著，只用水和清洗劑難以符合要求，對此我們可以采取機械方法小心清理其表面；（2）如需把葉片拆卸進行滲透探傷，在拆卸過程中必須輕拿輕放，以此避免風機運行時因葉片碰撞變形而出現大幅度振動現象；（3）因為滲透劑含有微毒，在檢測過程中要保證現場通風良好，避免檢測人員中毒。

2.4 滲透探傷其他應用實例

大隆礦主井提升機滾筒內部發現有兩處裂紋，礦方采用在裂紋可見頂端處打孔以防止裂紋繼續發展。在提升機運行一段時間后發現裂紋繼續擴大，后經過打孔處理也未能阻止裂紋發展。經過對其進行滲透探傷，確定了這兩處裂紋的最前端及其發展方向，后經處理未再發展。

3 結語

通過研究和應用此科學準確、簡便有效的無損探傷技術，對集團內各個礦井及其他煤礦和省內金屬非金屬礦山設備的重要承載零部件進行安全探傷檢測，有效地遏制預防了各類主軸開斷裂、懸掛裝置斷裂、葉片斷裂等機械事故帶來的惡性安全生產事故的發生，對保證礦山安全生產具有非常重要的現實意義。

例如：大平礦人車主拉桿一處缺陷，三臺子煤礦天輪軸一處缺陷，大隆礦主井提升機滾筒內部發現有兩處裂紋等設備零部件安全檢測中探測到的缺陷，如不能及時發現后果不堪設想，正是由此研究的應用，以科學可靠的技術手段來保障礦山機械安全運行，從而為礦山全面安全生產做出貢獻，取得了很好的安全效益和經濟效益。近年來創直接經濟效益達100余萬元，并填補了無損檢測技術在鐵煤集團礦井機械設備在役無損檢測技術上的空白，提高了鐵煤集團監督檢測中心安全檢測公司的檢測水平。

作者簡介：張丹（1983-），男，遼寧鐵嶺人，鐵法煤業（集團）有限責任公司監督檢測中心工程師，研究方向：礦山機電設備檢測。

（責任編輯：秦遜玉）