王曉蕾，姬治崗，郭向前，蔣大鵬，崔 凱，張 森，王 真，王照雨，梁家林

(1.呂梁學(xué)院礦業(yè)工程系，呂梁 033000；2.煤礦機械裝備維護與檢測試驗呂梁市重點實驗室，呂梁 033000)

中國是一個煤礦大國，煤炭對于中國經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義[1-2]。2017年，國家發(fā)改委發(fā)布《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》[3-4]，規(guī)劃中指出至2020年末中國煤炭消費比重減少到58%，可以看出，未來一段時間內(nèi)中國能源結(jié)構(gòu)還是以煤炭為主[5]。

隨著中國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機械化采煤已在煤礦廣泛使用，然而受煤礦地質(zhì)條件的影響[6-8]。大量的煤礦機械設(shè)備在長時間的運行中出現(xiàn)嚴重的損傷[9]。這些大型的機械裝備將要報廢，需要補充大量的新設(shè)備[10-11]。在某種程度上，對于煤礦來說這是一個比較大的經(jīng)濟損失[12]，而煤礦機械裝備維修再制造能夠有效降低這種因機械損傷造成的經(jīng)濟損失[13]。充分利用機械設(shè)備里的可重復(fù)使用的資源。降低成本，增加企業(yè)效益[14-15]。

由于這些設(shè)備是維修再制造，難免會有故障產(chǎn)生，給煤礦生產(chǎn)造成影響[16-18]。因此，要對其進行檢測。而無損檢測技術(shù)能夠很好地查找煤礦機械裝備中的安全隱患[19]，為有效排除機械設(shè)備隱患提供依據(jù)，大大降低煤礦機械裝備事故發(fā)生率[20]。

基于煤礦機械裝備維修再制造無損檢測技術(shù)研究成果，總結(jié)了煤礦機械裝備維修再制造無損檢測技術(shù)現(xiàn)狀，分析了煤礦機械裝備維修再制造無損檢測技術(shù)存在的不足，針對目前存在的問題，提出了未來煤礦機械裝備維修再制造無損檢測技術(shù)發(fā)展趨勢。

1 無損檢測技術(shù)

無損檢測技術(shù)不但要求煤礦機械裝備在檢測過程中不受到任何損害，而且對于后期的使用也不產(chǎn)生影響[21]。其原理是借助超聲波對設(shè)備進行探傷作業(yè)，超聲波具有方向性好、穿透力強的特點。在穿透的過程中遇到不同的介質(zhì)能夠有效反射，能夠?qū)C械裝備中的微小損傷進行探測[22-23]。在檢測作業(yè)中，要保持探頭與被探測物體能夠有效地接觸，不能有空氣隔閡，通常采用耦合劑增強其接觸性。該技術(shù)能夠有效探測設(shè)備運行狀態(tài)下的機械損傷難題[24]，特別是裝備配件的裂紋能夠有效預(yù)防，保證機械裝備配件的質(zhì)量，優(yōu)化制造工藝，降低制造成本。無損檢測有超聲、渦流、射線、磁粉和滲透等多種方式[25]。

1.1 超聲檢測

超聲檢測主要采用脈沖反射超聲波探傷儀器對被探測儀器進行機械內(nèi)部缺陷進行探傷[26-27]，當超聲波遇到不同介質(zhì)將發(fā)生反射，能夠迅速定位到損傷位置和范圍[28-29]。最后將反射的超聲波轉(zhuǎn)換為電信號[30]。其檢測系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 超聲檢測框架

超聲檢測主要包括缺點定位和定量兩個方面[31]。缺陷定位一般是根據(jù)缺陷波在水平方向上的位置進行確定，通常采用縱波直探頭和橫波斜探頭進行定位，如圖2所示[32]。

圖2 超聲檢測缺陷定位結(jié)構(gòu)

缺陷定量主要是檢測缺陷的大小、數(shù)量、產(chǎn)裝等信息[33]。缺陷定量的準確性如何直接影響測試結(jié)果的成敗。只有準確的確定缺陷大小才能夠使得煤礦企業(yè)及時完好的進行維修，避免重大事故的發(fā)生[34]。

陳源源[35]采用超聲波檢測技術(shù)對滾筒式采煤機再制造搖臂進行了無損探測。首先采用小錘敲擊查找較明顯裂紋，但無法準確確定其位置，因此采用超聲波進行，機械結(jié)構(gòu)如圖3所示。

試驗過程中采用超聲波探傷儀ZDT300對再制造搖臂進行無傷檢測，特別是裂紋出現(xiàn)的地方，進行重點探測，超聲波儀器校準后，涂抹耦合劑機油，采用合適探頭進行探測，檢測現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 檢測現(xiàn)場

以牽引部連接耳孔為例，得出兩個探頭檢測結(jié)果，如圖5所示。

由圖5可知，波形中無底波，是由于探測深度超過允許值，由此可知，檢測部位不存在裂紋等問題缺陷，該殼體再制造性良好。

圖5 探頭探測結(jié)果

殷帥峰等[36]采用超聲波技術(shù)對綜放支架焊縫開裂進行探測，能夠非常準確地對內(nèi)部裂隙和表面貫通裂隙進行定位，效果較好；趙枰[37]采用相控延時超聲波技術(shù)對礦井綜采液壓支架構(gòu)件進行了無傷檢測，實現(xiàn)對液壓支架各種形狀各種類型的無傷探傷，探傷效果較好；董明等[38]采用超聲波檢測技術(shù)對礦山機電設(shè)備零部件進行超聲檢測，提出了針對不同配件的不同探測方法，對于煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義；王毅[39]采用超聲波探測技術(shù)對煤礦機械軸類零部件等進行了檢測應(yīng)用，提高了煤礦生產(chǎn)效率，為衡量煤礦自動化程度提供了技術(shù)支撐。

1.2 滲透檢測

滲透檢測也稱為滲透探傷，是無損探傷技術(shù)的一種[40]。它最早被應(yīng)用于煤油機車裂縫的檢查上。其探測原理是將一種含有染料的著色劑或者具有熒光的滲透劑涂抹上被探測物體表面[41]，在毛細作用下，由于液體的濕潤和毛細的雙重作用，滲透劑進入到被探測物體表面裂縫中[42]。然后去掉表面多余滲透劑[43]，同時，再涂抹顯現(xiàn)試劑。裂縫中的滲透劑在毛細作用下重新吸附在被探測物體表面形成了放大的圖像[44]，同時在燈光作用下顯現(xiàn)出來。其探測步驟分為清洗、施加滲透劑、去除多余滲透劑、施加顯像劑、顯示缺陷[45](圖6)。其使用的探傷試劑如圖7所示。張明等[46]采用滲透測試技術(shù)對設(shè)備冷卻水變換器鈦合金管的焊接密封性進行了分析。

圖6 滲透測試結(jié)構(gòu)(比例1∶20)

圖7 滲透探傷試劑

測試過程中使用刷子(非脫毛)將滲透探傷試劑均勻地噴在鈦合金管的表面。不宜過多，以免流進其內(nèi)部不易清洗。對于內(nèi)部施加寬度應(yīng)超過25 mm，保證被完全覆蓋。保持滲透時間超過600 s，其滲透檢測部位外觀如圖8所示。

圖8 檢測部位外觀(比例1∶100)

待滲透時間達到后去除多余滲透劑，用蘸有清洗劑的紙擦拭干凈，必須保持順時針或逆時針一個方向，待干燥都噴灑顯像劑，一般控制在10～60 min。待以上過程結(jié)束后采用放大鏡進行觀察，其缺陷如圖9所示。

圖9 缺陷

觀察缺點部位，記錄其數(shù)量、尺寸、位置，并用相機照相記錄，待測試結(jié)束后，用清洗劑進行清洗，去除表面有害物質(zhì)，恢復(fù)被測設(shè)備原貌。

胡雪君[47]采用滲透探傷技術(shù)對煤礦機械設(shè)備裂紋進行了分析，有效檢驗出設(shè)備缺陷部位，并對其進行了修復(fù)，該技術(shù)是一種有效的方法；劉保平等[48]采用滲透測試法對設(shè)備底板三層鋼板重疊部位焊接情況進行了研究，詳細敘述了檢測的步驟以及工藝參數(shù)，經(jīng)過檢測很好地找出缺陷部位，保證了設(shè)備運行的安全性；周可滎[49]采用該技術(shù)對管板角焊接進行了分析，在檢測臨界溫度只進行了研究，對比了溫度對于滲透檢測的影響；顧金寶等[50]采用該方法對壓力過濾機轉(zhuǎn)鼓隔條角焊縫密封性進行了研究，通過對比分析選出最優(yōu)檢測方法，并闡述了檢測過程中的安全防護；武金宇等[51]采用該技術(shù)對換熱器管箱內(nèi)表面的不銹鋼焊縫進行了研究，發(fā)現(xiàn)大量的缺陷，分析了缺陷原因。

1.3 射線檢測

射線探傷是利用射線來檢查焊接內(nèi)部缺陷得一種方法，常用的射線主要有兩種，分別是X射線和γ射線，煤礦探傷多采用X射線[52]。

X射線是一種非常短，能量非常大的電磁波[53]。直線傳播，當經(jīng)過電場或者磁場時不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其穿射能力與光子能量有非常緊密的關(guān)系[54]。由于其光短能量大，故穿透能力極強[55]。它主要由射線管和探測儀兩部分組成，對于射線管包括陰陽兩極[56]。當射線放出后經(jīng)過被測物體，在不同部位發(fā)生衰減，衰減后的射線經(jīng)過被測物體將被探測儀接收到，再傳到計算機得出結(jié)果[57]。結(jié)構(gòu)和實物分別如圖10、圖11所示。

圖10 X射線檢測儀結(jié)構(gòu)

圖11 X射線機實物

黃元麒[58]采用X射線對鋼絲繩芯輸送帶接頭故障進行了研究，為煤礦安全高效生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。其基于在線監(jiān)測技術(shù)與射線有機結(jié)合形成了連續(xù)監(jiān)測裝置，該裝置能夠?qū)崟r顯示、存儲，運用圖像處理和分析算法對鋼絲繩故障進行提取、分析、判斷，給出故障信號，其檢測框架如圖12所示，X射線探測器如圖13所示。

圖12 鋼絲繩輸送帶射線檢測框架

圖13 X射線探測器

探測過程中采用計算機進行操控，利用Halcon軟件實現(xiàn)檢測的設(shè)計與測試，其包含編寫串口、變量窗口等四部分，其界面如圖14所示。

圖14 文獻[58]中X射線探測器界面

采用該軟件控制監(jiān)測，將監(jiān)測的結(jié)果進行處理，并進行分析，可得出輸送帶缺陷圖像，根據(jù)X射線技術(shù)探傷實時監(jiān)測裝置得出的結(jié)果如圖15所示。

圖15 文獻[58]探測結(jié)果

由圖15能夠清晰地看到輸送帶接頭存在的問題，通過實時圖像進行觀察，能夠迅速找到問題，及時解決問題，對于煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

楊澤森[59]基于射線技術(shù)設(shè)計一種實時輸送帶在線監(jiān)測裝置，并在古城煤礦N1303工作面進行了應(yīng)用，該技術(shù)能夠大大提高檢測力度，具有非常好的效果；程玉龍[60]采用X射線技術(shù)對煤礦輸送帶進行了探傷，詳細敘述了探傷過程中的問題和基本原則，證實了該技術(shù)的可靠性；邊紅星等[61]基于X射線技術(shù)建立了數(shù)學(xué)模型，研發(fā)了系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)和識別模式，提高了生產(chǎn)效率，具有較大價值；王賓[62]采用X射線技術(shù)對強力輸送鋼絲繩進行了檢測，該技術(shù)能夠很好地進行檢測，產(chǎn)生實時畫面，不受外界干擾；季曉華[63]采用該技術(shù)對鋼絲繩進行了檢測，提高了機械運行效率；朱平等[64]基于X射線提出了一種新型的圖像分析方法，該方法能夠有效進行輸送帶圖像實時分析能力，檢測準確率高，具有非常好的有效性。

1.4 磁粉檢測

磁粉檢測技術(shù)于20世紀50年代在中國開始起步，隨后得到了有效發(fā)展，進入20世紀90年代，標準化技術(shù)檢測基本形成，至21世紀，該技術(shù)進入自動化和半自動話狀態(tài)[65]。磁粉檢測是通過磁粉分布來顯現(xiàn)和檢測被測物體表面附近的缺陷，主要檢測零件或者承壓設(shè)備的表面缺陷[66]。其探測原理是缺陷部位的能量泄露使得該部位存在磁場缺失(圖16)。

圖16 磁粉檢測原理圖

當磁性材料被磁化以后，由于缺陷的存在使得被測物體表面磁力線會發(fā)生變形引起磁場變化，形成所謂的漏磁場[67]，同時，在特定光線照射下，形成視覺上的磁性標記，通過這個標記可以清晰地看到缺陷的部位、尺寸、形狀等基本信息，為缺陷的治理提供了技術(shù)支持，該技術(shù)能夠檢測出不連續(xù)寬度可小到0.1 μm，通過綜合檢測技術(shù)能夠測出不同形狀各個方向的缺陷的物體[68]。

凌張偉等[69]采用磁粉技術(shù)對球罐焊縫缺陷進行了探傷分析，研發(fā)了爬壁檢測機器人能夠?qū)崟r進行采集磁粉檢測，如圖17所示。

圖17 爬壁機器人檢測

探測開始時，對被探測物體進行清洗，防止附著物對磁粉探傷產(chǎn)生影響，探測方向應(yīng)使磁力線在可行范圍內(nèi)且必須貫穿整個缺陷。

使用干粉連續(xù)法的探測方式，當檢測結(jié)束后，進行退磁操作，并進行磁場檢驗，待完全退磁后，把磁粉徹底清洗干凈，避免有剩余磁粉堵塞缺陷部位，為后續(xù)修復(fù)產(chǎn)生不必要的麻煩。得出的磁粉檢測圖像如圖18所示。

由圖18可知，圖像具有非常明顯的顏色和飽和度差別，若從顏色進行分析，方式單一，準確度較低。為了提高準確度對其進行圖像識別處理，其流程如圖19所示。

圖18 磁粉檢測圖像(比例1∶10)

圖19 磁粉檢測圖像識別流程

依據(jù)磁粉檢測圖像識別流程圖對磁粉檢測數(shù)據(jù)圖進行處理分析，確定了每張圖像是否包含缺陷，共識別了82張圖片，其中有缺陷、無缺陷、無法識別缺陷圖片分別是32、39、20張，該技術(shù)對于提高檢測效率和準確度具有非常高的效果。

田麗[70]采用該技術(shù)對礦用提升運輸連接裝置進行了檢測，為煤礦安全提供了保證；趙永亮[71]采用該技術(shù)對煤礦楔形連接裝置進行浪費分析，定期監(jiān)測避免嚴重事故發(fā)生；高羚[72]利用磁粉檢測技術(shù)對鋼結(jié)構(gòu)裂紋進行了研究，詳細敘述了探測與驗證過程；張梅[73]采用該技術(shù)對礦用提升容器重要承載件表面進行了研究，敘述了其優(yōu)缺點和局限性，該技術(shù)的利用為煤礦機械使用提供了技術(shù)支持。

1.5 渦流檢測

渦流檢測是一種非接觸性無損傷檢測技術(shù)，其檢測原理主要是電磁感性[73](圖20)。在檢測時，檢測線圈接通電源，當有電流通過時在線圈周圍必然會有磁場產(chǎn)生，當這種不斷交變磁場發(fā)生移動時，在導(dǎo)體上必然會產(chǎn)生渦電流[74-75]。在進行機械探傷測試時，若存在缺陷或者結(jié)構(gòu)發(fā)生變化是會影響渦電流，進而會使得疊加的磁場發(fā)生變化[76]。這種測試方式測試過程中不需要耦合劑，但是僅用于導(dǎo)電材料的檢測，存在不能可視化的問題，而且對于零部件內(nèi)部無法測量[77]。其無缺陷和有缺陷渦流分布如圖21所示。

圖20 渦流檢測原理

圖21 渦流分布

李超等[78]基于渦流檢測技術(shù)對煤礦大型磨機齒輪進行了檢測，并用CT(電子計算機斷層掃描)掃描技術(shù)將其以圖像形式展現(xiàn)出來。其檢測的是澳大利亞某選煤廠的球磨機齒輪(圖22)。采用雙人進行操作，共進行了580多個齒面的檢測工作，在檢測過程中不考慮其休息是轉(zhuǎn)動時間。

圖22 球磨機大齒輪

采用便攜式渦流檢測裝置，依據(jù)大齒輪的結(jié)構(gòu)特點，選擇定制的探頭進行測試，該探頭測試可以一次性覆蓋所有齒輪，其渦流檢測探頭如圖23所示。

圖23 渦流檢測探頭

在測試中嚴格按照渦流檢測流程進行，按齒輪順序進行，從前至后依次進行，測試的過程中對齒輪編號，并把實時測試的CT照片進行保存，得出的19號齒輪以及CT圖像分別如圖24和圖25所示。

圖24 齒輪表面結(jié)構(gòu)

圖25 齒輪掃描圖像

由圖24可知，19齒輪表面存在3個凹坑，當渦流檢測經(jīng)過此時，線圈上的阻抗發(fā)生了變化，對于缺陷越大，其變化越明顯。對應(yīng)的CT圖像上明顯存在3個高點，且其中兩個非常明顯。渦流檢測對于缺陷檢測具有非常好的效果。

付勝等[79]采用低頻渦流技術(shù)對煤礦震動篩裂紋進行了探測，結(jié)合仿真技術(shù)得出了檢測頻率與相位之間的關(guān)系，具有很好的效果；劉軼等[80]采用該技術(shù)對振動篩大梁進行了檢測，提出了超聲與低頻渦流結(jié)合的方法，具有很好的實用性；許曉東等[81]采用渦流技術(shù)對煤礦振動篩進行了研究，結(jié)合現(xiàn)場實際情況與檢測要求標準，提出了適用于振動篩檢測的有效方法。

2 存在問題

2.1 超聲檢測存在問題

超聲檢測技術(shù)主要用于零部件內(nèi)部的缺陷檢測，特別對于對于大面積型缺陷具有非常高的檢出率。但其探測結(jié)果在定性、定量困難，對于復(fù)雜形狀檢測存在一定困難，且檢測結(jié)果不直觀，測試時必須使用耦合劑，耦合劑在一定程度上影響探測準確度[82-83]。

2.2 滲透檢測存在的問題

滲透檢測主要用于零部件表面缺陷的檢測，特別是裂紋、氣孔、疏松缺陷具有很好的效果，而對于零部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷不能夠檢測。同時，該檢測技術(shù)不受檢測材料的限制，其檢測結(jié)果直觀性強，具有操作快捷、簡單的有點。但該檢測技術(shù)不能定量地進行操作，全憑操作人員的經(jīng)驗和視力情況，同時，難以檢測多孔的材料，不適用由于外來因素堵塞形成的缺陷。

2.3 射線檢測存在的問題

射線檢測技術(shù)能夠很好地檢測表面和內(nèi)部缺陷，特別對于焊縫的檢測具有非常好的效果，同時，其檢測零部件不受形狀的限制，可進行深層缺陷的探測。而該技術(shù)檢測成本較高，檢測精度較低，具有輻射性，對人體能夠產(chǎn)生傷害，對于檢測環(huán)境具有一定的要求，檢測效率比較低。

2.4 磁粉檢測存在的問題

磁粉檢測技術(shù)主要用于檢測磁性材料的表面缺陷。操作簡便，成本較低，能夠直觀顯示缺陷，靈敏度較高，且不受被測物體外形的影響。而該技術(shù)僅僅能測磁性材料，檢測材料范圍窄，對于檢測物體表面光滑度要求較高，一次檢測范圍較小且檢測速度慢，不適用大型磁性材料的檢測。

2.5 渦流檢測存在的問題

渦流檢測技術(shù)主要用于導(dǎo)電材料的缺陷檢測，無需耦合劑，同時也不需要接觸，具有檢測速度快，便于實現(xiàn)自動化的優(yōu)點，特別對于表面的檢測靈敏度較高。但該技術(shù)僅僅能檢測導(dǎo)電材料，檢測過程中難以判斷缺點的形狀和大小，同時，干擾因素多，容易引起雜亂信號。對于深層缺陷無法檢測。

3 結(jié)論與展望

(1)超聲波檢測其未來發(fā)展方向應(yīng)為智能化數(shù)字化；射線檢測由于其輻射問題，其未來發(fā)展方向應(yīng)更加安全；滲透檢測耗材價高且有毒，其未來發(fā)展方向應(yīng)為低成本環(huán)保型檢測材料；磁粉檢測其未來發(fā)展方向檢測結(jié)果準確度高，且具有高效率；渦流檢測其未來發(fā)展方向應(yīng)降低材料本身對于檢測結(jié)果的影響[82-83]。

(2)由于煤礦地下環(huán)境復(fù)雜性，其未來檢測應(yīng)建立基于煤礦環(huán)境的無損檢測評價體系以及技術(shù)網(wǎng)絡(luò)，提高檢測效率和準確度。

(3)未來無損檢測方法的發(fā)展趨勢將由人工操作轉(zhuǎn)向智能化、全自動化、圖像化檢測。由單一模式向復(fù)合模型發(fā)展，檢測設(shè)備向低能耗、高信噪比發(fā)展。