于淑敏，劉雪芳

（華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450015）

電磁超聲導(dǎo)波技術(shù)在鋼絲繩檢測(cè)中的應(yīng)用

于淑敏，劉雪芳

（華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450015）

由于鋼絲繩本身結(jié)構(gòu)以及使用環(huán)境的不同，檢測(cè)較困難。介紹了電磁超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)及其原理，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)鋼絲繩電磁超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。利用超聲波在鋼絲繩中導(dǎo)波模式傳播，可快速提取鋼絲繩中缺陷的超聲信號(hào)，克服電磁檢測(cè)的盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩的長(zhǎng)距離、快速檢測(cè)。

鋼絲繩；電磁超聲導(dǎo)波；導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)；小波分析

0 引言

在役鋼絲繩的損傷情況和承載能力，與設(shè)備和人身安全緊密相關(guān)［1］。斷絲、磨損和銹蝕是鋼絲繩強(qiáng)度減弱的主要影響因素。人工檢查和磁性法檢測(cè)是鋼絲繩檢測(cè)的常用方法，其準(zhǔn)確程度差、效率低［2］。為了提高鋼絲繩的檢測(cè)效率，快速提取表征缺陷的超聲信號(hào)，并且克服電磁檢測(cè)的盲區(qū)，以達(dá)到對(duì)鋼絲繩長(zhǎng)距離快速檢測(cè)的目的，研制出一套電磁超聲導(dǎo)波（EMAT）檢測(cè)系統(tǒng)。本文通過(guò)對(duì)不同規(guī)格的鋼絲繩進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，研究電磁超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)在鋼絲繩檢測(cè)中的應(yīng)用。

1 電磁超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)

利用超聲導(dǎo)波在鋼絲繩中傳播的導(dǎo)波模式，EMAT檢測(cè)技術(shù)能快速地檢測(cè)鋼絲繩的斷絲和腐蝕，且能夠100%覆蓋被檢測(cè)區(qū)域。

使用超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，將探頭（鐵鈷合金磁鐵+柔性線圈）安裝到鋼絲繩上，通過(guò)激勵(lì)產(chǎn)生的超聲導(dǎo)波就可以沿著鋼絲繩進(jìn)行傳播，遇到斷絲和腐蝕的部位就會(huì)產(chǎn)生反射信號(hào)，以此來(lái)判斷缺陷的位置和反射波幅度。

2 鋼絲繩EMAT檢測(cè)系統(tǒng)

鋼絲繩材質(zhì)是鐵磁性的，利用其自身的磁致伸縮效應(yīng)可以直接激勵(lì)和接收導(dǎo)波，檢測(cè)原理如圖1所示。激勵(lì)線圈、檢測(cè)線圈和提供偏置磁場(chǎng)的磁化器組成了傳感器，結(jié)構(gòu)如圖2所示［3］。用排線制作的2種線圈分別纏繞在被檢鋼絲繩上，用于實(shí)現(xiàn)交變磁場(chǎng)和應(yīng)力波之間的能量與信號(hào)轉(zhuǎn)換。偏置磁場(chǎng)可以采用電磁或永磁方式加載，其方向沿軸線方向。偏置磁場(chǎng)的主要作用是提高磁能與聲能的換能效率，以及選擇導(dǎo)波模態(tài)［4］。進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，為了產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，先將大電流脈沖信號(hào)通入發(fā)射線圈；由于磁致伸縮效應(yīng)，發(fā)射線圈附近的鐵磁材料會(huì)受到交變應(yīng)力作用，這樣會(huì)激勵(lì)出超聲波脈沖；沿鋼絲繩軸線傳播的超聲脈沖，由于鋼絲繩的表面影響，會(huì)不斷在鋼絲繩內(nèi)部發(fā)生反射、折射和模式轉(zhuǎn)換，最終穩(wěn)定導(dǎo)波模態(tài)的形成正是由于超聲波脈沖經(jīng)過(guò)復(fù)雜的干涉和疊加的結(jié)果。若鋼絲繩內(nèi)部存在缺陷，鋼絲繩內(nèi)部缺陷處將反射導(dǎo)波；由于逆磁致伸縮效應(yīng)，反射回來(lái)的應(yīng)力波使通過(guò)檢測(cè)線圈的磁通量改變，磁通量變化經(jīng)過(guò)檢測(cè)線圈的轉(zhuǎn)換引起電動(dòng)勢(shì)變化；反射回來(lái)的超聲導(dǎo)波信號(hào)的時(shí)間和幅度可以通過(guò)測(cè)量檢測(cè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)間接得到，進(jìn)而可以知道缺陷的大小和位置等信息［5］。

圖1 直接激勵(lì)法磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)原理

圖2 傳感器原理

3 檢測(cè)技術(shù)條件

3.1 檢測(cè)儀器

檢測(cè)儀器應(yīng)具有信號(hào)激勵(lì)、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)波形顯示、分析與存儲(chǔ)的功能，且至少滿足以下要求：（1）激勵(lì)信號(hào)的頻率、幅值、周期數(shù)、重復(fù)頻率可調(diào)；（2）數(shù)據(jù)采集頻率不低于激勵(lì)信號(hào)最高頻率的10倍，應(yīng)與信號(hào)激勵(lì)具有同步功能；（3）檢測(cè)信號(hào)應(yīng)能實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，以備后續(xù)處理和分析；（4）具有距離顯示方式；（5）能夠分析缺陷的位置，缺陷位置的最小分辨率應(yīng)達(dá)到10mm。

3.2 傳感器

每個(gè)傳感器應(yīng)給出被檢鋼絲繩材料和規(guī)格的適用范圍。

3.3 試樣

（1）校準(zhǔn)試樣。校準(zhǔn)試樣用于對(duì)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行靈敏度和各種功能的測(cè)試。校準(zhǔn)試樣選用直徑為20mm，材料為45的圓鋼，有2%，4%和6%截面損失率的橫向環(huán)形切槽各1個(gè)，如圖3所示。切槽的寬度為0.5～2.0mm，深度方向的公差為±0.2mm。

圖3 校準(zhǔn)試樣示意

（2）對(duì)比試樣。對(duì)比試樣用于對(duì)被檢測(cè)鋼絲繩缺陷截面損失率當(dāng)量進(jìn)行評(píng)定。對(duì)比試樣應(yīng)采用與被檢測(cè)鋼絲繩規(guī)格相同的材料制作，試樣的長(zhǎng)度不小于5m，2個(gè)部位分別加工斷絲，每處斷絲的數(shù)量按截面損失率的6%進(jìn)行計(jì)算，同一處斷絲應(yīng)緊密相鄰，端部斷絲位置距試樣端部至少0.5m。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

為研究超聲導(dǎo)波在鋼絲繩長(zhǎng)距離、快速檢測(cè)中的應(yīng)用，使用鋼絲繩電磁超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)鋼絲繩電磁超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行討論。試驗(yàn)從鋼絲繩的參數(shù)（直徑、股數(shù)、鋼絲繩的單絲直徑、端頭距離缺陷的長(zhǎng)度等）和電磁超聲導(dǎo)波檢測(cè)的參數(shù)（脈沖周期、發(fā)射頻率、重復(fù)頻率、發(fā)射接收探頭間距等）方面進(jìn)行研究，具體試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果如下。

4.1.1 直徑8mm，單絲直徑1mm，長(zhǎng)度5650mm單股鋼絲繩

采用單端發(fā)射、單端接收的方法對(duì)鋼絲繩進(jìn)行檢測(cè)，磁化方式是將鐵鈷帶用膠水固定在鋼絲繩上，測(cè)試時(shí)要對(duì)鐵鈷帶上磁處理，測(cè)試時(shí)發(fā)射處又加了磁鐵增加磁化效果。將發(fā)射線圈和接收線圈接好后接通電源，打開(kāi)探傷軟件，在10～50 kHz范圍內(nèi)進(jìn)行發(fā)射頻率的調(diào)節(jié)，得出發(fā)射頻率為30 kHz、脈沖周期為5時(shí)波形處于最佳模態(tài)。

調(diào)節(jié)檢測(cè)范圍在12m以上，將A和B閥門(mén)分別套在一次端頭波和二次端頭波上，在聲速校準(zhǔn)欄輸入鋼絲繩的長(zhǎng)度5650mm，v=4536m／s進(jìn)行聲速校準(zhǔn)（發(fā)射探頭P20，接收探頭P20），如圖4所示，圖中：橫坐標(biāo)為范圍，mm；縱坐標(biāo)為幅值，%；下同。在鋼絲繩距端頭約1580mm處鋸1.0mm切槽進(jìn)行測(cè)試，波形如圖5所示，由圖5可以看出：端頭波A閘門(mén)位置為5650mm，缺陷波B閘門(mén)顯示位置為4 051 mm，理論計(jì)算缺陷位置應(yīng)為4 070mm，誤差為19 mm，與缺陷實(shí)際位置比較吻合。

圖4 聲速校準(zhǔn)

圖5 距端頭1580mm鋸1.0mm深缺陷波形

4.1.2 不同單絲直徑、鋼絲繩直徑、發(fā)射接收探頭間距、探頭頻率的試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)不同單絲直徑、鋼絲繩直徑、發(fā)射／接收探頭間距、探頭頻率，采用單端發(fā)射、單端接收的方法對(duì)鋼絲繩進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1，在10～120 kHz范圍內(nèi)確定最佳發(fā)射頻率及脈沖周期，進(jìn)而得到波形最佳模態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6～15所示。

圖6 試驗(yàn)1結(jié)果

圖7 試驗(yàn)2結(jié)果

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）對(duì)于不同單絲直徑和鋼絲繩直徑，調(diào)節(jié)發(fā)射頻率和脈沖周期，在一定距離范圍內(nèi)可得到導(dǎo)波信號(hào)的最佳模態(tài)。

（2）鋼絲繩單絲直徑越大，單股絲數(shù)越少，接收到的反射波高越高，檢測(cè)效果越好。

表1 鋼絲繩電磁超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)試驗(yàn)參數(shù)

圖8 試驗(yàn)3結(jié)果

圖9 試驗(yàn)4結(jié)果

圖10 試驗(yàn)5結(jié)果

圖11 試驗(yàn)6結(jié)果

圖12 試驗(yàn)7結(jié)果

圖13 試驗(yàn)8結(jié)果

圖14 試驗(yàn)9結(jié)果

圖15 試驗(yàn)10結(jié)果

（3）導(dǎo)波傳播距離越大受鋼絲繩結(jié)構(gòu)影響越大。

5 結(jié)論

使用鋼絲繩電磁超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置不同試驗(yàn)參數(shù)，對(duì)鋼絲繩電磁超聲導(dǎo)波檢測(cè)得出以下結(jié)論：（1）可對(duì)一定長(zhǎng)度的鋼絲繩進(jìn)行快速、高效的檢測(cè)；（2）導(dǎo)波傳播距離受鋼絲繩結(jié)構(gòu)影響很大；（3）單絲越粗，單股絲數(shù)越少，效果越好；單絲越細(xì)，單股絲數(shù)越多，效果越差。

［1］喬巨忠.強(qiáng)力輸送帶無(wú)損探傷儀的研制［J］.山西焦煤科技，2005，29（3）：32-33.

［2］曹印妮，張東來(lái)，徐殿國(guó).鋼絲繩定量無(wú)損檢測(cè)現(xiàn)狀［J］.無(wú)損檢測(cè)，2005，27（2）：91-95，106.

［3］柯巖.基于磁致伸縮導(dǎo)波的鋼管無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2006.

［4］段鴻杰，林鳴，李文波.基于磁致伸縮技術(shù)的吊桿檢測(cè)應(yīng)用研究［J］.湖南交通科技，2014，40（1）：104-106.

［5］鋼絲繩電磁超聲導(dǎo)波檢測(cè)導(dǎo)則：QB／HDMDI 001—2015［S］.

（本文責(zé)編：白銀雷）

TG 87

B

1674-1951（2016）12-0009-03

于淑敏（1988—），女，河南開(kāi)封人，助理工程師，碩士，從事無(wú)損檢測(cè)方面的工作（E-mail：yusm＠hdmdi.com）。

2016-09-29；

2016-11-04

鄭州市技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)經(jīng)費(fèi)支持項(xiàng)目（141PCGZH477）

劉雪芳（1963—），女，河南許昌人，高級(jí)工程師（教授級(jí)），從事無(wú)損檢測(cè)方面的工作（E-mail：liuxf＠hdmdi.com）。