趙有魁

（甘肅省特種設備檢驗研究院，甘肅蘭州730030）

無損檢測技術(shù)在起重機械安全檢驗中的應用

趙有魁

（甘肅省特種設備檢驗研究院，甘肅蘭州730030）

起重機械是《中華人民共和國特種設備安全法》法定的特種設備之一。強化起重機械安全檢驗是實現(xiàn)起重機械本質(zhì)安全、預防事故發(fā)生的有效手段。無損檢測是提高起重機械安全檢驗質(zhì)量的重要手段，可在制造、安裝、維修等各個環(huán)節(jié)應用。主要探析無損檢測技術(shù)在起重機械安全檢驗中的應用。

起重機械；無損檢測；檢測方法應用

0 前言

起重機械是指用于垂直升降或者垂直升降并水平移動重物的機電設備，在現(xiàn)代化工業(yè)大生產(chǎn)中起著十分重要的作用。為了加強起重機械安全工作，預防事故，保障人身和財產(chǎn)安全，2014年1月1日起施行的《中華人民共和國特種設備安全法》對起重機械從生產(chǎn)、經(jīng)營、使用、檢驗檢測、監(jiān)督管理等各個方面的安全責任進行了法律規(guī)定。強化起重機械安全檢驗是實現(xiàn)起重機械本質(zhì)安全、預防事故發(fā)生的有效手段。近年來，隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，無損檢測在起重機械的制造和安全檢驗中發(fā)揮著越來越重要的作用，無損檢測已成為檢驗在用起重機械的重要手段，為科學監(jiān)管起重設備提供了有效的技術(shù)支撐。

1 起重機械應用無損檢測技術(shù)的必要性

無損檢測是指在不損害被檢測對象使用性能的前提下，采用射線、超聲、電磁、聲學等原理并結(jié)合儀器對材料、零部件進行缺陷和其他物理化學參數(shù)檢測的技術(shù)。應用于起重機械的無損檢測技術(shù)主要有射線檢測、超聲檢測、磁粉檢測、滲透檢測、渦流檢測和聲發(fā)射檢測等。

起重機械的主要零部件如吊鉤、鋼絲繩、滑輪、卷筒和制動器等，以及金屬結(jié)構(gòu)本體和焊縫，均不允許存在裂紋和永久變形等缺陷，這些零部件在使用過程中，經(jīng)常承受巨大的交變應力和沖擊載荷，很容易使材料本身的內(nèi)部缺陷或加工過程中因加工工藝產(chǎn)生的缺陷擴大，形成危險性裂紋。如果不能及時發(fā)現(xiàn)這些缺陷，就可能導致重要零部件或結(jié)構(gòu)件突然開裂或斷裂，從而引發(fā)重大安全事故。應用無損檢測技術(shù)對在用起重機械設備的關(guān)鍵零部件和重要焊縫進行安全檢測，及早發(fā)現(xiàn)故障隱患，及時進行處理，可以防患于未然。

2 起重機械檢驗檢測時常用的無損檢測方法

2.1 射線檢測

X射線能夠穿透可見光不能穿透的物體，并且在穿透物體的同時可以使原子發(fā)生電離，產(chǎn)生光化學反應。因此如果工件局部存在缺陷，會引起透射射線強度的變化，這時，利用膠片感光來檢測透射線強度，就可以判斷工件中是否存在缺陷以及確定缺陷的位置和大小。

射線檢測一般應用于起重機械受拉結(jié)構(gòu)件焊接接頭內(nèi)部缺陷的檢測。起重機械與鍋爐、壓力容器等承壓設備相比，壁厚較薄，采用常規(guī)X射線即可檢查起重機械的焊接質(zhì)量。射線檢測的對象主要是厚度均勻、形狀較規(guī)則的鋼板或鋼管制工件的連接焊縫，如吊鉤鉤片及懸掛夾板的焊縫、橋式和門式起重機主梁翼緣板和腹板的角接焊縫、主梁上下蓋板和腹板的對接焊縫、橋架的組裝焊縫以及塔式起重機中主要結(jié)構(gòu)件的對接焊縫等。射線檢測具有影像清晰和可以永久保存的特點，因此應用較多，如圖1、圖2所示。

圖1 射線檢測原理

2.2 超聲波檢測

超聲波是頻率高于20000Hz的機械波，其中超聲探傷常用的頻率為1～5 MHz。超聲波因具有方向性好，能量高，穿透能力強，遇界面產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換的特點常被用來進行探傷。

超聲波一般用于檢測起重機械金屬結(jié)構(gòu)和焊接接頭內(nèi)部缺陷。如檢測鍛造吊鉤內(nèi)部的裂紋、夾雜等缺陷，起重機金屬結(jié)構(gòu)的焊縫缺陷及高強度螺栓的內(nèi)部缺陷等。超聲波探傷的優(yōu)點是檢測靈敏度高、速度快、成本低、對人體無害，同時能對缺陷進行定位和定量；缺點是對缺陷的顯示不直觀，探傷結(jié)果容易受主觀因素影響，適合于厚度較大的零部件檢測，如圖3所示。

圖2 金屬結(jié)構(gòu)對接焊縫X射線底片

圖3 檢測人員在現(xiàn)場對起重機金屬結(jié)構(gòu)的焊縫進行超聲檢測

2.3 磁粉檢測

鐵磁性工件被磁化后，在工件表面有缺陷處會形成漏磁場，然后利用漏磁場吸附磁粉形成磁痕的原理，可以觀察缺陷的位置、大小及形狀。磁粉檢測有以下特點：（1）可檢測出鐵磁性材料表面和近表面（一般小于3 mm）開口和不開口的缺陷；（2）能直觀地顯示出缺陷的位置、大小和形狀；（3）檢測靈敏度高，可檢測微米級寬度的缺陷；（4）檢測成本低、速度快。因此磁粉檢測特別適合于起重機械鑄件、鍛件、焊縫和機械加工件的表面及近表面缺陷檢測。圖4為檢測人員用磁粉檢測鋼板對接焊縫。

2.4 滲透檢測

滲透檢測是一種以毛細作用原理為基礎的檢查表面開口缺陷的無損檢測方法?？梢詸z測金屬材料和非金屬材料的表面裂紋、疏松、夾渣等缺陷。這些細微的表面開口缺陷，直接目視檢查難以發(fā)現(xiàn)。滲透檢測不受被檢工件物理性能和化學成分的限制，可以檢查磁性材料和非磁性材料、金屬材料和非金屬材料。由于不用水電，滲透檢測特別適合于野外現(xiàn)場檢測。滲透檢測不受工件幾何形狀和缺陷方向的影響，但檢測速度慢，因使用的檢測劑為化學試劑，對人體的健康和環(huán)境有較大影響，如圖5所示。

圖4 檢測人員在現(xiàn)場用磁粉檢測鋼板對接焊縫

圖5 滲透檢測軸類零件的表面裂紋缺陷

2.5 渦流檢測

渦流檢測原理如圖6所示，將通有交流電的線圈置于待測的金屬板上方，這時線圈內(nèi)及其附近將產(chǎn)生交變磁場，使試件中產(chǎn)生呈旋渦狀的感應交變電流，這就是渦流。渦流的分布和大小除與線圈的形狀和尺寸、電流的大小和頻率有關(guān)外，還取決于試件的電導率、磁導率、形狀尺寸、以及試件表面有無裂紋缺陷等。

圖6 渦流檢測原理

渦流檢測的原理就是用激磁線圈使導電構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生渦電流，借助探測線圈測定渦電流的變化量，從而獲得構(gòu)件缺陷的有關(guān)信息。但由于渦流是交變電流，具有集膚效應，因此檢測到的信息僅能反映試件表面或近表面處的情況。

渦流檢測時線圈無需與被測工件直接接觸，可以進行高速檢測，易于實現(xiàn)自動化；適用于管材、線材、棒材等工件的檢測；缺點是只能檢測導電材料的表面和近表面缺陷，缺陷顯示不直觀。

鋼絲繩檢測儀就是采用渦流檢測原理。檢測時，先用一組永磁鐵使鋼絲繩磁飽和。然后，磁頭包裹著鋼絲繩相對勻速運行。鋼絲繩中的任何缺陷如斷絲、磨損、銹蝕等都會引起漏磁量和磁通量的變化，從而被霍爾傳感器捕捉，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，輸出直觀的模擬信號。

2.6 聲發(fā)射檢測

材料在應力作用下的變形與裂紋擴展是結(jié)構(gòu)失效的重要機制。材料中局部區(qū)域應力集中，進而快速釋放能量并產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射，也稱為應力波發(fā)射。聲發(fā)射技術(shù)是1950年由德國人凱撒（Kaiser）開始研究的，20世紀60年代初，美國人格林（Green）等人開始了聲發(fā)射技術(shù)在無損檢測領(lǐng)域方面的研究，從此獲得迅速發(fā)展。

聲發(fā)射檢測就是通過接收和分析材料的聲發(fā)射信號來評定材料性能或結(jié)構(gòu)完整性的無損檢測方法。材料的塑性變形、應力腐蝕、裂紋形成以及擴展的過程都會產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象。檢測到聲發(fā)射信號，就可以連續(xù)監(jiān)視材料內(nèi)部變化的整個過程，因此，聲發(fā)射檢測是一種動態(tài)無損檢測方法。

聲發(fā)射檢測如圖7、圖8所示。聲發(fā)射檢測的特點為：（1）聲發(fā)射檢測儀器探測到的能量來自被測試物體本身，而不像超聲或射線那樣由無損檢測儀器提供；（2）可顯示或提供工件缺陷隨載荷、時間、溫度等外變量變化而變化的實時信息，因此特別適用于大型起重機械作業(yè)過程的在線監(jiān)控和安全性評估；（3）聲發(fā)射檢測對線性缺陷較為敏感，能探測到在外加應力下這些缺陷的活動情況，穩(wěn)定的缺陷不產(chǎn)生聲發(fā)射信號；（4）由于不要求接近被檢工件，因此特別適合于危險環(huán)境下的檢測，如高低溫、核輻射、易燃、易爆及有毒等環(huán)境。

在起重機安全性能的檢測過程中，除上述幾種無損檢測方法外，還有目視檢測和振動測試用于對起重機各部件和金屬結(jié)構(gòu)整體性能的測試。

2.7 目視檢測

目視檢測也是一種常用的無損檢測方法，用于觀察零部件、設備和金屬結(jié)構(gòu)等的表面狀態(tài)，主要檢測內(nèi)容有：

圖7 聲發(fā)射檢測原理

圖8 聲發(fā)射檢測現(xiàn)場

（1）機械部分。

主要有金屬結(jié)構(gòu)和主要零部件的幾何尺寸測量、表面質(zhì)量檢查、安全保護裝置試驗和載荷試驗等。

（2）電氣部分。

主要檢查電控裝置、饋電設備、各種電氣元件、聯(lián)鎖保護、緊急斷電開關(guān)等安全保護裝置是否安全可靠。檢驗方法主要采用電工工具測量和機構(gòu)試運行等。

（3）動剛度測試。

動剛度就是起重機金屬結(jié)構(gòu)在動載荷下抵抗變形的能力。起重機在起吊、卸載以及起制動過程中，均會引起沖擊載荷，使起重機產(chǎn)生一定的振幅和振動頻率，影響起重機司機的心理狀態(tài)和正常作業(yè)。所以，起重機在設計階段應依據(jù)其使用的工作條件對動剛度加以控制。

靜剛度一般用結(jié)構(gòu)在靜載荷產(chǎn)生的變形大小來衡量，動剛度則是用結(jié)構(gòu)的自振頻率來衡量。標準要求：對于橋門式起重機，當小車位于跨中時的滿載自振頻率要求f≥2 Hz。實際測試時，小車開到跨中位置，在主梁跨中處任選一點作為檢測點，把應變片貼在檢測點上，接上引線，然后起升額定載荷至一定高度，待穩(wěn)定后全速下降，快接近地面處緊急制動，從示波器記錄的曲線上求出其頻率，即為起重機的動剛度。

3 結(jié)論

在起重機械安全檢驗中，加強無損檢測技術(shù)的應用，可以將以前只能定性分析的問題科學準確地拿出定量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對問題的定性定量分析，提升了起重機械的檢驗質(zhì)量。同時，檢測結(jié)果可以為起重機械管理者提供有力的科學依據(jù)。無損檢測這一現(xiàn)代技術(shù)手段在起重機械安全檢驗中的廣泛應用，必將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益、安全效益和社會效益。

[1]JB/T 10559-2006，起重機械無損檢測鋼焊縫超聲檢測[S].

[2]GB3811-2008，起重機設計規(guī)范[S].

[3]TSG Q7015-2008，起重機械定期檢驗規(guī)則[S].

[4]TSG Q7016-2008，起重機械安裝改造重大維修監(jiān)督檢驗規(guī)則[S].

[5]NB/T 47013-2015，承壓設備無損檢測[S].

[6]吳彥，沈功田，葛森.起重機械無損檢測技術(shù)[J].無損檢測，2006（7）：367-372.

[7]胡天明.超聲探[M].武漢：武漢測繪科技大學出版社，1994.

[8]張阿舟.振動控制工程[M].北京：中國宇航出版社，1989.

[9]王福綿.起重機械技術(shù)檢驗[M].北京：學苑出版社，2000.

Application of nondestructive testing technology in safety inspection of hoisting machinery

ZHAO Youkui
（Gansu Special Equipment Inspection and Research Institute，LanZhou 730030，China）

Hoisting machinery is one of the special equipments defined in the"Special equipment safety law of The People's Republic of China".Strengthening the safety inspection of hoisting machinery is an effective mean for realizing the safety of hoisting machinery and preventing accidents.Nondestructive testing is an important method to improve the quality of safety inspection of hoisting machinery.It could be used in the manufacture，installation，maintenance and other links.In this paper，the application of nondestructive testing technology in safety inspection of hoisting machinery is discussed and analyzed.

hoisting machinery；nondestructive testing；application of detection method

TG446

：A

1001-2303（2015）09-0059-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.12

2015-06-10

趙有魁（1977—），男，甘肅會寧人，學士，工程師，主要從事特種設備檢驗檢測及無損檢測工作。