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(cè)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(cè)勢(shì)在必行。

1 鋼絲繩無損檢測(cè)方法原理

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

1.1 交流電磁類儀器檢測(cè)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(chǎng)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(cè)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(cè)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(cè)定磁場(chǎng)或穩(wěn)恒磁場(chǎng)變化的裝置測(cè)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(cè)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(cè)量的原理見圖1。

圖1 用霍爾裝置測(cè)量金屬橫截面積損失的示意圖

1.3 漏磁類儀器檢測(cè)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(cè)定LF，斷絲導(dǎo)致的漏磁檢測(cè)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(cè)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(chǎng)影響下，測(cè)定鋼絲繩內(nèi)剩余磁場(chǎng)的變化，用來測(cè)定金屬橫截面積的變化和局部損傷。磁化和檢測(cè)可以分步進(jìn)行也可以同步進(jìn)行。分步測(cè)試原理見圖3。

圖3 磁化和檢測(cè)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(cè)定，同時(shí)也能完成LAM的測(cè)定。

2 漏磁和剩磁檢測(cè)的優(yōu)缺點(diǎn)

鐵磁性材料對(duì)外部磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度隨外部磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化，如圖4[2]，當(dāng)外部磁場(chǎng)強(qiáng)度H達(dá)到Hm（飽和點(diǎn)）后，感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度B趨于穩(wěn)定。當(dāng)外部磁場(chǎng)強(qiáng)度不夠，感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度在在a-b之間，感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度受外部磁場(chǎng)強(qiáng)度變化特別敏感，較小的外部磁場(chǎng)強(qiáng)度變化都會(huì)引起較大的感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度改變，導(dǎo)致對(duì)檢測(cè)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(cè)通常施加的是強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度高于Hm，感應(yīng)磁場(chǎng)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(cè)重復(fù)性好。其缺點(diǎn)是所加強(qiáng)磁場(chǎng)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(cè)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(cè)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(cè)中，采用消磁器提供交變磁場(chǎng)來進(jìn)行消磁是可行的，它是利用交變磁場(chǎng)磁極的快速變化，打亂被消磁物體的磁場(chǎng)，使其原來的磁體排列無序，從而達(dá)到消磁的目。

剩磁檢測(cè)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(cè)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(cè)，外部磁性因素、磁化后的時(shí)間長(zhǎng)短、鋼絲繩抖動(dòng)等會(huì)對(duì)檢測(cè)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(chǎng)檢測(cè)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(chǎng)檢測(cè)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(cè)時(shí)，主要是比較測(cè)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(chǎng)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(cè)儀器的安裝

當(dāng)檢測(cè)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(chǎng)盡可能固定檢測(cè)裝置并使其檢測(cè)儀器的筒體軸線與鋼絲繩軸線平行。

3.3 外部磁場(chǎng)的影響

檢測(cè)過程中，外部磁場(chǎng)對(duì)感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度存在影響，尤其是對(duì)剩磁檢測(cè)影響較大，因此，在檢測(cè)前應(yīng)檢查現(xiàn)場(chǎng)磁場(chǎng)環(huán)境，確認(rèn)無外加磁場(chǎng)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(cè)結(jié)果的利用

通過無損檢測(cè)，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(cè)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(shì)，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(cè)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(cè)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(zhǎng)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。