和尚嘴礦副井提升鋼絲繩在線檢測技術(shù)的研究應(yīng)用

科技信息 礦業(yè)論壇 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION 2014年第9期和尚嘴礦副井提升鋼絲繩在線檢測技術(shù)的研究應(yīng)用馬強(qiáng)（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)和尚嘴煤業(yè)有限公司山西大同037000）【摘要】為了確保煤礦提升設(shè)備的安全運(yùn)行，隨時(shí)掌握鋼絲繩的安全狀況，有效解決鋼絲繩運(yùn)行管理中“隱患、浪費(fèi)、低效”同在的三大矛盾，采用了TCK.W鋼絲繩檢測技術(shù)從十二個(gè)方面強(qiáng)化對(duì)鋼絲繩的安全保障作用,及時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼絲繩的內(nèi)外部損傷，有效避免重大鋼絲繩安全事故，保璋了生命財(cái)產(chǎn)安全，具有顯著的社會(huì)效益?！娟P(guān)鍵詞】鋼絲繩探傷；TCK.W鋼絲繩檢測技術(shù)應(yīng)用；鋼絲繩在線檢測1 立項(xiàng)原因?yàn)榇_保煤礦提升設(shè)備的安全運(yùn)行，煤礦安全規(guī)程對(duì)提升鋼絲繩做了詳細(xì)的規(guī)定，第401條：提升裝置使用的鋼絲繩做定期檢驗(yàn)時(shí)安全系數(shù)有下列情況之一時(shí)必須更換，專為升降人員用的小于7，升降人員物科用的鋼絲繩升降人員時(shí)小于7升降物料時(shí)小于6。專為升降物料和是掛吊盤用的小于5。在實(shí)際使用中安全系數(shù)選多大才合理昵。該礦進(jìn)行了提升鋼絲繩安全系數(shù)與使用壽命關(guān)系的探索發(fā)現(xiàn)鋼絲繩隨載荷的增加會(huì)有微量的伸長，當(dāng)載荷超過彈性極限時(shí)鋼絲繩就可能斷裂，實(shí)際上，鋼絲繩在工作時(shí)，除了受到靜載荷外，還受到因加速度和沖擊引起的動(dòng)載荷，因彎曲引起的附加載荷等，當(dāng)除了靜載荷以外的其他載荷增加時(shí)，實(shí)際的安全系數(shù)就會(huì)降低。根據(jù)煤礦鋼絲繩使用經(jīng)驗(yàn)，除少數(shù)鋼絲繩由于斷絲、磨損等超出規(guī)程外大多數(shù)采用定期更換的方法，由于檢測手段落后，無法掌握使用中鋼絲繩的損傷情況，疲勞程度，使鋼絲繩的安全管理存在著一定的隱患。我礦對(duì)能否在線檢測出鋼絲繩的實(shí)際承載能力，隨時(shí)掌握鋼絲繩的安全狀況，進(jìn)行了檢測方法的探索。TCK.W弱磁檢測技術(shù)一舉突破了困擾全球鋼絲繩無損探傷界的百年技術(shù)難題，為有效解決鋼絲繩運(yùn)行管理中“隱患、浪費(fèi)、低效”同在的三大矛盾，實(shí)現(xiàn)其“安全、節(jié)約、高效”運(yùn)行的三重目標(biāo)，提供了重要的安全技術(shù)保障2 研究內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)鋼絲繩作為重要提升、運(yùn)輸設(shè)備中的“高度危險(xiǎn)構(gòu)件”，始終是安全監(jiān)管的“盲點(diǎn)”，由于缺少有效的檢測控制手段，因此，長期以來，一直是影響煤炭系統(tǒng)安全生產(chǎn)的“重大危險(xiǎn)源”為了避免事故發(fā)生，目前煤炭企業(yè)普遍采用的方法是：人工檢測與定期換繩。2.1 TCK.W弱磁檢測技術(shù)原理TCK.W弱磁撿測技術(shù)是基于“空間磁場矢量合成”，采用寬距、非接觸式弱磁能勢感應(yīng)裝置，通過提取已施加磁載的鐵磁性材料上弱磁能勢分布差異信息，完成定位、定性和定量識(shí)別鋼絲繩內(nèi)外部各種缺陷的創(chuàng)新性電磁無損檢測技術(shù)。（如圖1、圖2），通過提取已施加磁載的鐵磁性材料上弱磁能勢分布差異信息，完成定位、定性和定量識(shí)別鋼絲繩內(nèi)外部各種缺陷的創(chuàng)新性電磁無損檢測技術(shù)。TCK.W弱磁檢測技術(shù)遵從國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO154:1988)規(guī)范的鋼絲繩安全承載能力校核原則，提取的鐵磁性材料物理場變信息，單值等效映射鋼絲繩上鐵磁性材料體積元的綜合退變特征，為系統(tǒng)評(píng)估鋼絲繩抗拉/彎/扭綜合承載性能、安全使用壽命和安全負(fù)菏系數(shù)，提供了科學(xué)的依據(jù)。注：磁能勢即磁場能量梯度；體積元，即鋼絲繩沿軸向的體積微分。體積元內(nèi)載荷材料的綜合退變特征也就是鋼絲繩金屬截面積損失（LMA)和局部缺陷（LF)的綜臺(tái)反映。TCK.W傳感器基于“空間磁場矢量合成原理”，釋能元鋼絲繩內(nèi)部各種缺陷產(chǎn)生在體積元的磁能勢差異件，提供一個(gè)給定弱電磁場Bx，與鋼絲繩體積元的弱TCK.W弱磁傳感器能夠清晰、完整、快速地識(shí)別和提磁場B關(guān)聯(lián)出磁場By，磁衡元件則把By的變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電量信號(hào),取這種物理場變信息。1）鐵磁性材料的磁特性.根據(jù)量子力學(xué)理論由于相鄰電子自旋磁矩的交換耦臺(tái)作用,使得鐵磁性介質(zhì)內(nèi)部排列形成一定形狀的“磁疇”每個(gè)磁疇內(nèi)部具有同一個(gè)自旋磁矩方向（如圖3）。如果某一方向的磁疇在統(tǒng)計(jì)學(xué)分布中具備數(shù)量或者體積上的優(yōu)勢，就會(huì)宏觀上顯示出材料磁性。而如果各磁疇的分布雜亂無章，在任一方向上均無憂勢，則不會(huì)有宏觀磁性產(chǎn)生。給定的外部磁場作用會(huì)改變某一方向的磁疇數(shù)量，使鐵磁性材料儲(chǔ)備或釋放一定的磁能。而且這種改變不隨外部磁場的退出而復(fù)原，卻形成所謂磁載。磁載在一定的對(duì)稱空間建立磁能勢場，只要沒有劇烈機(jī)械振動(dòng)或高溫變化等就會(huì)在鐵磁性材料內(nèi)部穩(wěn)定地保持較長時(shí)間。2）自然狀態(tài)下的鋼絲繩。磁能勢由磁載決定并依托于鋼絲繩體積元內(nèi)參與機(jī)械負(fù)荷的鐵磁性金屬材料（以下稱”載荷材料”）而分布由于制造、存儲(chǔ)、運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行等歷史過程對(duì)鋼絲繩留下了未知的磁載（其無序狀如圖4），所以自然狀態(tài)下的磁能勢還不能真實(shí)地反映體積元的材質(zhì)特征，即材料究竟是正常還是有缺陷。因此先需要一種方法以建立磁載與載菏材料材質(zhì)特征之間的物理對(duì)應(yīng)。3)弱磁規(guī)劃方法。弱磁規(guī)劃方法即弱磁能積規(guī)劃方法，也稱“弱磁加載”方法。向鐵磁性構(gòu)件（鋼絲繩）施加給定磁載，使所有敦荷材料具有同等適度的低量級(jí)磁能積（材料的磁能量密度），并且如果載荷材料沿鋼絲繩軸向等量均勻，連續(xù)分布，則任意體積元的磁能積也是等量均勻的。即沿鋼絲繩所建的軸向磁場均勻而且連續(xù)，穿過任意體積元的磁通等量，而且磁通密度均勻（如圖5）。注：磁能積反映單位體積的磁載儲(chǔ)存能量水平，類似于物理學(xué)中運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的勢能。2.2 鋼絲繩損傷及其磁性特征在拉、彎、扭等機(jī)械負(fù)荷及其它次生負(fù)荷的反復(fù)作用下，鋼絲繩某些體積元的材料組織出現(xiàn)變異、退化、損失或者應(yīng)力集中?；蛞蚶焖苄詮娇s、碾壓/研磨/銹蝕性缺損(LMA)，或因疲勞裂隙、裂斷等突變/間斷（LF),磁力線在這些退變的體積元中只能沿不規(guī)則的低能耗路徑排布，磁通密度隨之變化，磁能積分布不均勻，使各體積元產(chǎn)生磁能勢差異。而且，這些退變的程度越嚴(yán)重，磁能勢差異就越突出。發(fā)生退變的體積元，或因拉伸塑性徑縮、碾壓/研磨/銹蝕性缺損（LMA)或因疲勞裂隙、裂斷等突變，間斷（LF),磁力線在這些退變的體積元中只能沿不規(guī)則的低能耗路徑排布，磁通密度隨之變化，磁能積分布不均勻，使各體積元產(chǎn)生磁能勢差異。而且，這些退變的程度越嚴(yán)重，磁能勢差異就越突出。236只要對(duì)鋼絲繩正常載荷材料體積元進(jìn)行“完好定義”_標(biāo)定無缺陷體積元的磁能勢特征量，通過與提取的鋼絲繩全部載荷材料體積元磁能勢特征量的模式對(duì)比，即可有效識(shí)別載荷材料因退變產(chǎn)生的磁能勢差異，并由這種載荷材料物理場變量映射其機(jī)械承載性能相關(guān)變化的定量關(guān)系，也就實(shí)現(xiàn)了無損條件下定位、定性和定量檢測鋼絲繩各種退變特征的技術(shù)目標(biāo)2.3 TCK.W鋼絲繩在線自動(dòng)檢測系分析軟件TCK.W鋼絲繩在線自動(dòng)撿測系統(tǒng)，采用專家型計(jì)算機(jī)控制應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了無人值守、自動(dòng)檢測、自動(dòng)數(shù)據(jù)集成、并自動(dòng)生成檢測報(bào)告的系統(tǒng)化功能，根據(jù)行業(yè)性監(jiān)管模式，具備“數(shù)據(jù)表格/損傷曲線統(tǒng)計(jì)圖表多重預(yù)置”。“后臺(tái)數(shù)據(jù)運(yùn)算”、“自動(dòng)建檔”、“系統(tǒng)自撿”及“故障預(yù)普處置”等強(qiáng)大功能3 應(yīng)用情況及經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益重大提升運(yùn)輸設(shè)TCK.W鋼絲繩在線實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測系統(tǒng),與傳統(tǒng)的鋼絲繩檢測及管理方式相比,從十二個(gè)主要方面強(qiáng)化了對(duì)鋼絲繩的安全保障作用.通過鋼絲繩數(shù)據(jù)庫和管理系統(tǒng)的建立運(yùn)行,將徹底改變陳舊的鋼絲繩管理方式,對(duì)安全生產(chǎn)意義重大。通過實(shí)施在線實(shí)時(shí)監(jiān)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼絲繩的內(nèi)外部損傷，并可隨時(shí)跟進(jìn)各類損傷的發(fā)展趨勢極大地提高了重大運(yùn)輸設(shè)備的本質(zhì)安全程度，有效避免重大鋼絲繩安全事故，保障了生命財(cái)產(chǎn)安全，具有顯著的社會(huì)效益。4 推廣應(yīng)用前