胡勇軍 洪有財 陳小星

（第七一五研究所，杭州，310023）

拖曳式聲吶在現代反潛、資源勘探和海洋水文測量中應用越來越廣泛，而拖曳系統中的拖纜對于拖曳安全有著至關重要的作用。隨著聲吶拖曳體的體積重量不斷增加，為了提高拖纜的強度并減小拖纜拖曳時的流體阻力，往往采用鋼絲鎧裝拖纜進行大型聲吶拖曳體的拖曳。隨著鋼絲鎧裝拖纜的長時間使用，其磨損、疲勞和腐蝕等原因會導致拖纜的強度下降，在拖纜強度下降到一定程度時容易導致拖纜斷裂造成拖曳事故。為了保證拖曳聲吶的正常使用，需要通過定期的檢查和維護保證拖曳聲吶的可靠性，但在定期維護過程中，對鋼絲鎧裝拖纜的檢查和測定往往是一個難題。

傳統的鋼絲鎧裝拖纜檢查方法主要是采用人工目視、手摸、游標卡尺測量、定期拉力試驗等方法做出判斷估算，但采用此類方法可能存在很大的誤差，有一定的安全隱患，且效率低，人力成本高，因鎧裝拖纜問題導致的事故也時有發(fā)生。海洋環(huán)境中鋼絲鎧裝拖纜強度檢測問題，其本質是將電磁檢測法用于鎧裝鋼絲，檢測其由于磨損、疲勞或銹蝕等原因導致的鋼絲截面積下降而引起的拖纜強度下降問題，對鎧裝鋼絲的剩余截面積進行精確測量即可定量判定鋼絲鎧裝拖纜的剩余破斷力。近年來，利用磁通量測定鋼絲繩截面積的電磁無損檢測方法逐漸成熟，本文將此方法應用于鋼絲鎧裝拖纜的強度檢測，利用電磁檢測法測定鎧裝電纜的剩余截面積，并通過拉力試驗對所檢測的鎧裝電纜進行了剩余破斷力試驗，以期得到兩者的對應關系。

1 無損檢測原理

鋼絲繩無損檢測和評價是在不破壞鋼絲繩使用狀態(tài)的情況下，應用一定的檢測技術和分析方法，對鋼絲繩的狀態(tài)特性加以測定，并按一定的準則對其評價的過程[1]。根據檢測結果推測其剩余的使用壽命及報廢時間，在保證鋼絲繩安全運行的前提下，減少鋼絲繩更換的盲目性[2]。

鋼絲繩無損檢測儀采用漏磁、磁通原理。檢測時，磁頭內置的一組永磁鐵使鋼絲繩飽和磁化，隨后磁頭包裹著鋼絲繩相對勻速運行進行信號采集。鋼絲繩中的缺陷如磨損、銹蝕等造成的金屬橫截面積的變化會引起磁通量的變化，斷絲、蝕坑等局部損傷位置會有漏磁場產生，從而被霍爾傳感器捕捉?；魻栐墓ぷ髟肀磉_式為

式中，UH為霍爾電壓，由霍爾傳感器測得；RH為材料的霍爾系數；I為電流；B為材料的磁場強度；d為材料直徑[3]。經過數據采集器與計算機連接，轉變?yōu)殡娦盘?，處理后輸出為直觀的模擬信號，檢測原理示意圖如圖1 所示[4]。

圖1 無損檢測原理示意圖

1.1 局部缺陷

局部缺陷（Localized Faults，LF）主要是指鋼絲繩中的斷絲、鋼絲的蝕坑、較深的鋼絲磨損或其它鋼絲繩局部物理狀態(tài)的退化等。LF 型缺陷的特點是鋼絲繩的金屬斷面積突然減小，其常見形式是斷絲[4]。LF 型缺陷主要采用漏磁法檢測，它是斷絲檢測中廣泛應用的檢測方法，它利用鋼絲的鐵磁特性，通過分析構件周圍的漏磁場來間接推斷構件的斷絲狀況[1]。如圖2 所示，軸向磁化鋼絲繩，使其處于穩(wěn)定的飽和磁化狀態(tài)，當鋼絲繩表面或內部存在局部斷絲缺陷時，將引起鋼絲繩局部磁場變化，在斷絲周圍會出現散漏磁場，鋼絲繩上裂紋內的磁場強度Hi與故障的幾何形狀有關，如斷口深度T、寬度S、裂紋中材料的相對磁導率μ和勵磁強度Ha，即

圖2 漏磁法檢測原理

式中，FL為考慮裂紋及裂紋中的填充物后的綜合系數，檢測時Ha恒定，μ為常數[5]。通過磁敏感元件檢測漏磁場畸變信號輔以掃場圖譜，便可直觀反映出鋼絲繩的局部缺陷情況及其位置。通過記錄、分析傳感器輸出的電信號，測定鋼絲繩的局部損傷[6]。

1.2 金屬橫截面積損失缺陷

金屬橫截面積損失（Loss of Metallic crosssectional Area，LMA）缺陷是指鋼絲繩橫截面上金屬截面積總和減小的損傷，主要包括磨損和銹蝕等。通過儀器進行檢測，并比較檢測點與鋼絲繩上最大金屬橫截面積的基準點來測定[4]。LMA 型缺陷主要采用磁通法檢測，根據電磁理論，被測鋼絲繩中橫截面的磁通量為

采用電磁檢測法測定鋼絲繩的LMA 值要求被測定的鋼絲繩具有鐵磁性。一般的鋼絲鎧裝拖纜往往由最外層的鍍鋅高碳鋼絲、次外層的聚氨酯或橡膠護套及水密層、內部的銅制導線以及包裹銅導線的聚氨酯絕緣層組成，極少量情況下存在鋁制屏蔽層等非鐵磁性物質。通過對鋼絲鎧裝拖纜的組成分析發(fā)現，具有鐵磁性的材料只有鍍鋅高碳鋼絲，而這也是鋼絲鎧裝拖纜的主要承力構件，是本文的主要研究對象。同時，鍍鋅高碳鋼絲在氧化腐蝕后形成無磁性的三氧化二鐵，造成鋼絲繩的LF 型缺陷和LMA 型缺陷，因此可以采用電磁無損檢測法對鋼絲鎧裝拖纜進行檢測。

圖3 磁通法檢測原理

2 銹蝕鎧裝拖纜檢測

本次檢測采用BKT 系列鋼絲繩無損檢測儀，對鎧裝鋼絲拖纜進行LF型和LMA型缺陷一體化檢測。試驗采用新舊鋼絲鎧裝拖纜比對檢測法進行，1#試驗樣品為銹蝕鎧裝拖纜，長度為30 m；2#試驗樣品為全新鎧裝拖纜，長度為1.5 m。將2#全新鎧裝拖纜測定的LMA 值作為標準值，測定1#銹蝕鎧裝拖纜的LMA 值后與標準值進行比對，實際操作分別如圖4～5 所示。

圖4 LMA 值標定

圖5 銹蝕鎧裝拖纜檢測

銹蝕鎧裝拖纜無損檢測結果如圖6 所示，檢測圖譜表現出了典型的銹蝕信號特征，說明該纜的損傷形式以銹蝕為主，根據對1#試驗樣品的人工觀察也發(fā)現，整根樣纜表面都存在不同程度的銹蝕，但無明顯磨損情況，認為樣纜金屬橫截面積損失基本由銹蝕造成。根據圖6 所示，由LF 信號表征的拖纜銹蝕嚴重程度位置與由LMA 信號表征的拖纜金屬橫截面積損失位置一一對應，拖纜銹蝕最嚴重位置的LMA 最大值為24%。

圖6 無損檢測圖譜

3 銹蝕樣纜破斷力試驗

為了找出LMA 值與破斷力之間的關系，在樣纜截面積損失輕微（樣纜1#）、中等（樣纜2#）、嚴重（樣纜3#）的部位截取3 段樣纜進行破斷力試驗。根據無損檢測結果，分別以7.6 m、18.9 m 和14.7 m 為中心，左右均延伸1.4 m 截取破斷力試驗樣纜，如圖7 所示。將銹蝕的樣纜纜端進行澆鑄，進行破斷力試驗，試驗樣纜1（LMA=10%）的破斷力為222.0 kN，試驗樣纜2（LMA=13.6%）的破斷力為166.6 kN，試驗樣纜3（LMA=24.0%）的破斷力為129.2 kN，破斷力試驗后樣纜如圖8 所示，試驗結果如圖9 所示。

圖7 破斷力樣纜選取

圖8 破斷力試驗后樣纜

圖9 破斷力試驗結果

4 結果分析

3 段破斷力試驗樣纜的LMA 值和破斷力損失率之間的關系如表1 和圖10 所示，全新拖纜破斷力標準值取平均值為265.18 kN。從圖中可以看出，LMA 值與破斷力損失率之間并不一致，但存在一定的正比關系，10%的LMA 值可造成16%的破斷力損失，但24%的LMA值造成51%的破斷力損失。

表1 無損檢測與破斷力試驗結果比對

圖10 LMA 值與破斷力損失率關系圖

LMA 值與破斷力損失率不一致原因主要有：

（1）銹蝕鎧裝拖纜破斷力下降除了銹蝕原因外，使用過程中的疲勞損傷或金屬材質性能發(fā)生改變（如氫脆）也會引起破斷力下降，但不會引起金屬橫截面積損失，測得的LMA 值無法體現疲勞引起的非斷絲損傷與金屬材質性能改變帶來的力學性能下降；

（2）試驗的銹蝕鎧裝拖纜外部鋼絲采用的是雙層反向螺旋結構，銹蝕后鋼絲尺寸發(fā)生變化，會影響到鋼絲局部拉伸、扭轉、剪切力的應力集中，從而影響拖纜的破斷力；

（3）LMA 值標定存在一定的誤差；

（4）檢測時銹蝕鎧裝拖纜相對傳感器的徑向晃動、外界的電磁干擾等，會對檢測信號造成較大影響[5]。

5 結論

本文通過對銹蝕鎧裝拖纜進行電磁無損檢測和破斷力試驗，結果表明通過電磁無損檢測技術可以對鎧裝拖纜的剩余破斷力進行初步評估，但破斷力的下降并不與截面積損失成簡單線性關系，僅僅通過三次樣段檢測試驗無法得出鎧裝拖纜的破斷力損失率與LMA 值的定量關系，后續(xù)可通過積累銹蝕鎧裝拖纜的無損檢測數據，并進行數據建模和有損試驗驗證，得出鎧裝拖纜的破斷力損失率與LMA 值的定量關系，從而對鎧裝拖纜的剩余強度進行評估。