基于LMA 和LF 的起重机械钢丝绳 电磁无损检测技术

贾华龙 李福森 王旭虹 王晓敏 王 乔
北京起重运输机械设计研究院有限公司 北京 100007

摘 要：钢丝绳是起重机械上承受载荷力的柔性部件，长期使用会造成机械疲劳损伤而发生断裂，因此是一种重要的安全部件[1]。目前国内对于在用起重机械钢丝绳的电磁无损检测技术应用与研究较少。文中结合起重机械钢丝绳现场使用情况和电磁无损检测结果相结合，通过分析钢丝绳损伤与对应信号的关系，建立在用起重机械钢丝绳损伤、剩余安全使用寿命预估、报废的评价体系，在保证使用单位经济效益的前提下，保证钢丝绳的使用安全。
关键词：起重机械； 钢丝绳； 电磁无损检测；研究
中图分类号：TD532 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）02-0087-04

0 引言
当前企业管理者对于起重机械设备的安全越来越重视，作为重要安全部件的钢丝绳更是日常监测检查的重点。由于缺乏相应的科学检测手段，钢丝绳检查只能靠维保人员日常检查，如肉眼检查有无断丝、磨损、变形、绳径减小等。由于大部分起重机械钢丝绳都有厚厚的润滑脂覆盖，故检测效率极低[2]，漏检概率极大。由于缺乏有效的检测手段，企业管理者基于安全的考虑，会根据以往经验或作业量选择报废当前钢丝绳。如港口设备中，岸边集装箱起重机根据作业箱量更换钢丝绳，港口门座起重机根据吊运量更换钢丝绳。有些被替换下来的钢丝绳经过肉眼检查，发现除了正常的磨损外，没有太严重的损伤，还可以继续使用，故造成不必要的浪费。

还有些钢丝绳本身质量或使用中意外损坏严重，虽然还没到规定的报废日期但是已经不能保证安全使用，存在巨大的安全隐患。

1 检测原理
起重机械钢丝绳一般选用由多股钢丝围绕绳芯螺旋捻制而成的阻旋钢丝绳。钢丝绳依靠其复杂的结构来承载并传递其所受的载荷力，内部的绳芯可分为纤维芯（FC）、钢芯（WC）或固态聚合物（SPC），其内部的间隙可用来存放润滑脂，用以减少绳股之间、钢丝之间的相互摩擦，均衡外层绳股受力，防止内部产生应力集中。

GB/T 5972—2016《起重机械钢丝绳保养、维护、检验和报废》（以下简称报废标准）中指出：钢丝绳报废基准为可见断丝、钢丝绳直径的减小、断股、腐蚀、畸形和损伤。其判废的主要出发点在于使用过程中造成钢丝绳的物理结构发生改变。如断丝、钢丝绳直径减小、断股、腐蚀会使钢丝绳截面积减小；畸形会使钢丝绳内部应力分布不均。

钢丝绳探伤仪根据永磁类检测原理，采用环绕式感应线圈作为传感器，同时检测钢丝绳中的轴向总磁通和钢丝绳中不连续（如断丝、锈蚀坑、变形等）引起的漏磁，从而进行钢丝绳损伤定性（损伤类型，如断丝、磨损、锈蚀或变形）和损伤程度（定量）的电磁无损检测[3]。金属横截面积损失[4]LMA (loss of metallic crosssectionalarea) 钢丝绳上特定区域中材料（质量）缺损
的相对度量由仪器进行检测，并通过比较检测点与钢丝绳上象征最大金属横截面积的基准点来测定。

局部损伤LF (local flaw) 钢丝绳中的不连续，诸如断丝、断丝的蚀坑、较深的钢丝磨损或其他钢丝绳局部物理状态的退化等。

综上可见，起重机械钢丝绳电磁无损检测技术并不能完全检测出报废标准中指定的几种报废条件。LMA可理解为横向损失量，即横截面积减少量。LF 可理解为轴向损失，即钢丝绳延轴向方向上的不连续。这里采用LMA 和LF 相结合的方法，将LMA 曲线和LF 曲线对比分析，可得出当前钢丝绳横截面积减少程度、断丝数。

2 实验与分析
实验开始前需要对被检测钢丝绳进行标定，标定参数包括钢丝绳的适用标准、组别、类别、钢丝绳结构、股结构、公称直径、绳芯结构、级别、外丝直径、公称金属横截面积、LMA 和LF。LMA 标定位置在靠近卷筒固定端安全圈处，起重机正常工作时不会用到安全圈处的钢丝绳，故可以将此段的钢丝绳横截面积作为初始横截面积。

实验对象为某型门式起重机械主起升钢丝绳，型号为：6×36WS+IWR-32-1770。检测工况为吊钩位于下极限状态，此时卷筒固定端仍剩余5 圈安全圈，吊钩空载上升的同时进行检测，稳定检测速度为0.89 m/min。图1 为整个检测过程中的数据图，检测钢丝绳长度为243.62 m。

图1 整体检测数据图

由图2 可以看出，刚开始阶段的LMA 处于较高的水平，达到0.55%，检测开始6.7 m 之后，LMA 出现较明显的下降，达到-0.37%，差值达到0.92%。钢丝绳在工作过程中绳与绳之间会产生相互挤压、摩擦，久而久之钢丝绳外丝与内丝都会出现不同程度的磨损，其金属横截面积与初始值相比会有所下降。现场检查发现，钢丝绳外丝有磨损，见图3。由此可见，LMA 的趋势与钢丝绳实际磨损量呈正比关系，其变化的数值可以反映当前钢丝绳磨损情况。

图2 起始阶段的LMA 图

图3 现场发现的钢丝绳外丝磨损

整体检测数据间图4，可以看到LMA、LF 和速度有3 处较大的波动。LMA 减少是由钢丝绳金属截面积突然较小，从而引起钢丝绳横截面磁场减小。LMA 曲线呈凹陷型，波谷值达到-4.1%。LF 出现波动，最大值为225 mV，最小值为-442 mV，并呈现多波峰多波谷状态。结合LMA 减少，推测此位置有多处连续断丝，造成钢丝绳局部漏磁场，最终导致LF 波形发生畸变。速度突然上升，然后下降到正常值。推测是钢丝绳外丝断丝引起凹坑，断丝突出，钢丝绳变形或钢丝绳上有异物等原因，影响到探头绳速轮运行，从而引起速度突变。由于现场条件限制，对钢丝绳进行核查并未发现外丝断丝损伤。

3 结论与不足
通过现场钢丝绳电磁无损检测，发现了钢丝绳磨损和断丝对应的LMA、LF 和速度曲线图。由于现场条件较差，钢丝绳涂满润滑脂不易清洗，卷筒出绳端不易接近等原因。最终经过核查，确认了磨损缺陷，但未能找到外丝断丝缺陷。未能找到断丝缺陷是整个实验最大的遗憾，当然也有可能是钢丝绳内部断丝，所以无法观测到。
1）钢丝绳电磁无损检测技术的优点
①检测效率高 可以快速指出钢丝绳中损伤位置及其它损伤信息，比人工检查速度快很多。
②检测结果较为准确 不受人为因素影响，重复检测一致性高。

图4 断丝处的LMA、LF 和速度曲线图

③对同根绳的不同使用状态进行定期检测，可以检测到新产生的缺陷，并可做到此条钢丝绳的安全使用寿命预测。

2）存在的缺点与不足
①断丝检测并非完全准确，现场还需要人工进行核查。而起重机钢丝绳一般都有厚重的油污，而且所在位置人工未必能够达到，再者人工检查对于内部断丝没有任何办法。

②检测速度对检测结果影响较大，检测过程中，钢丝绳不能急加速或急减速，尤其不能停止，否则钢丝绳会被过度磁化严重影响检测结果。如果遇到以上情况，需要进行二次检测。

③探头周围的铁磁性材料会对检测产生不利影响，检测过程中，应尽量远离金属物体。
④检测过程中钢丝绳与探头不能有太大的晃动，否则检测数据会出现偏差。
⑤检测结果对分析人员的素质要求较高，需要有丰富的经验，对钢丝绳结构、受力、材料、力学性能、磁特性都有较深的理解。

综上所述，起重机械钢丝绳电磁无损检测可以高效地发现日常巡检过程中难以发现的钢丝绳损伤问题，并指出其所在位置、严重情况等信息。再结合人工现场核查，可以定量、定性的分析当前钢丝绳的安全状态。此外，可以根据检测结果制定科学的检测周期，在检测周期内对钢丝绳进行终生信息记录，通过对比历史数据和人工核查信息，可以做到钢丝绳的安全使用寿命预测，为企业提供安全、科学、经济的换绳决策，保障企业安全生产，降低维修成本，提高企业经济效益。

参考文献
[1] 贾社民，张平萍，张德英，等. 钢丝绳使用寿命与安全评估[J]. 煤矿安全，2015（S1）：85-88,93.
[2] 张敬博，张建忠，孙之厚. 钢丝绳探伤仪在矿用提升钢丝绳上的应用[J]. 矿山机械2009（9）：116-118.
[3] 吴澎，花虎跃. 钢丝绳无损检测中存在问题的探讨[J].无损检测，2017（6）：65-68.
[4] GB/T 21837—2008 铁磁性钢丝绳电磁检测方法[S].