鋼絲繩無損檢測技術在金屬非金屬礦山中的應用

姜群山

（遼寧省安全科學研究院，遼寧 沈陽 110004）

鋼絲繩是礦山提升系統的重要組成部分，在提升運輸中，一旦出現斷繩，極有可能發生群死群傷事故。為了防止這類事故的發生，GB16423-2006《金屬非金屬礦山安全規程》對礦山使用中的鋼絲繩提出了定期檢驗和日常檢查的要求，定期檢驗的要求是在使用中的鋼絲繩截取樣品，在實驗室進行鋼絲拉斷和彎曲試驗，日常檢查的要求是以人工或采用儀器的方式對鋼絲繩的斷絲、縮徑、磨損、表面狀態、扭曲或變形等缺陷進行檢查，達到更換指標時，立即更換。這種方式，既費時費力，又難以對內部缺陷進行檢查。以往，對多繩摩擦式提升機用提升鋼絲繩，只進行懸掛前檢驗，不對其進行定期檢驗，使提升系統的運行埋下隱患。GB16423-2020《金屬非金屬礦山安全規程》明確提出要求對摩擦式提升系統的首繩和圓尾繩由有專業資質的檢驗檢測機構進行定期檢驗，在無法進行實驗室檢驗的情況下，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

初級線圈和次級線圈環繞在鋼絲繩上，鋼絲繩磁特性的任何關鍵變化會通過次級線圈的電壓變化（幅度和相位）反映出來[1]。采用交流磁化，由于磁場會出現集膚效應和渦流，使得鋼絲繩磁化深度不夠，對鋼絲繩內部缺陷漏檢的可能性很大，影響檢測的正確性，會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恒磁場變化的裝置測定。當鋼絲繩截面積變化或存在其他缺陷時，鋼絲繩磁通量變化，檢測傳感器感應鋼絲繩的軸向磁通量，輸出的電壓信號，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所引起的漏磁。這類儀器用來測定LF，斷絲導致的漏磁檢測原理見圖2。

圖2 斷絲導致漏磁的示意圖

1.4 剩磁類儀器檢測原理

由直流和永磁類磁化裝置對鋼絲繩磁化后，在無外加磁場影響下，測定鋼絲繩內剩余磁場的變化，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行也可以同步進行。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，有一些設備采用漏磁和磁通相結合的方式，不僅實現LF的測定，同時也能完成LAM的測定。

2 漏磁和剩磁檢測的優缺點

鐵磁性材料對外部磁場感應強度隨外部磁場強度的變化而變化，如圖4[2]，當外部磁場強度H達到Hm（飽和點）后，感應磁場強度B趨于穩定。當外部磁場強度不夠，感應磁場強度在在a-b之間，感應磁場強度受外部磁場強度變化特別敏感，較小的外部磁場強度變化都會引起較大的感應磁場強度改變，導致對檢測結果的缺陷判定不準確。

圖4 鐵磁材料的磁化曲線

漏磁檢測通常施加的是強磁場，磁場強度高于Hm，感應磁場強度穩定，因此，其優點抗干擾能力強，受外部磁性因素影響小，檢測重復性好。其缺點是所加強磁場對多繩摩擦式提升系統的磁性開關會產生影響，因此，在檢測前要解除開關安全回路，以免誤動作對安全產生影響，檢測后，應進行消磁處理。

消磁方法有很多，如高溫、振動等，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，從而達到消磁的目。

剩磁檢測通常施加的是弱磁，其特點是感應傳感器要求靈敏度高，優點是對多繩摩擦式提升系統的磁性開關不產生影響，檢測不必考慮在此方面的安全性。其缺點是抗干擾性不如漏磁檢測，外部磁性因素、磁化后的時間長短、鋼絲繩抖動等會對檢測結果產生影響，對較小缺陷的檢出后的確認比較困難。

3 影響現場檢測結果的因素

采用經過校準的儀器設備進行現場檢測時，應考慮一下方面的影響：

3.1 鋼絲繩的標定

在進行LMA檢測時，主要是比較測試點鋼絲繩截面積與基準點的截面積，從而獲得截面積損失，當作為基準的鋼絲繩段選擇錯誤，將導致截面積損失評定產生較大偏離。有條件的情況下，可以用懸掛前的留樣鋼絲繩作為標定樣品，當現場沒有這樣的樣品，對于多繩摩擦式提升鋼絲繩可以選擇在未經過導向輪和摩擦輪彎折部分的鋼絲繩段作為標定段，對于纏繞式提升鋼絲繩可以選擇在卷筒上或卷筒內的余留繩作為標定段。

3.2 檢測儀器的安裝

當檢測儀器的筒體軸線與鋼絲繩軸線不平行時，檢出的漏磁或剩磁會產生誤差，因此，在現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，外部磁場對感應磁場強度存在影響，尤其是對剩磁檢測影響較大，因此，在檢測前應檢查現場磁場環境，確認無外加磁場或影響。

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）波形見圖5。

圖5 缺陷波形

3.3.2 檢測結果的利用

通過無損檢測，一方面可以獲得礦山提升鋼絲繩當前斷絲、截面積損失的結果，確定鋼絲繩當前的安全狀況；另一方面也可以利用2次或多次不同時期的檢測結果分析，在某個時期，鋼絲繩缺陷的變化程度以及預判未來一段時間內其劣化趨勢，這些變化可能由哪些因素導致的，如提升循環變化、環境條件惡劣、維護保養不到位、操作不當或意外導致的制動頻繁等，在采取改進措施后，通過再次測試驗證措施的有效性以提高鋼絲繩的使用壽命。

4 結語

采用適宜的無損檢測方法，不僅可以實現金屬非金屬礦山摩擦式提升系統首繩和圓尾繩的定期檢驗要求，同時也可以幫助礦山企業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，為礦山企業在確保安全的前提下，節約成本提供技術支持。