胡勇軍 洪有財(cái) 陳小星
(第七一五研究所,杭州,310023)
拖曳式聲吶在現(xiàn)代反潛、資源勘探和海洋水文測(cè)量中應(yīng)用越來(lái)越廣泛,而拖曳系統(tǒng)中的拖纜對(duì)于拖曳安全有著至關(guān)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(qiáng)度并減小拖纜拖曳時(shí)的流體阻力,往往采用鋼絲鎧裝拖纜進(jìn)行大型聲吶拖曳體的拖曳。隨著鋼絲鎧裝拖纜的長(zhǎng)時(shí)間使用,其磨損、疲勞和腐蝕等原因會(huì)導(dǎo)致拖纜的強(qiáng)度下降,在拖纜強(qiáng)度下降到一定程度時(shí)容易導(dǎo)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(guò)定期的檢查和維護(hù)保證拖曳聲吶的可靠性,但在定期維護(hù)過(guò)程中,對(duì)鋼絲鎧裝拖纜的檢查和測(cè)定往往是一個(gè)難題。
傳統(tǒng)的鋼絲鎧裝拖纜檢查方法主要是采用人工目視、手摸、游標(biāo)卡尺測(cè)量、定期拉力試驗(yàn)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(wèn)題導(dǎo)致的事故也時(shí)有發(fā)生。海洋環(huán)境中鋼絲鎧裝拖纜強(qiáng)度檢測(cè)問(wèn)題,其本質(zhì)是將電磁檢測(cè)法用于鎧裝鋼絲,檢測(cè)其由于磨損、疲勞或銹蝕等原因?qū)е碌匿摻z截面積下降而引起的拖纜強(qiáng)度下降問(wèn)題,對(duì)鎧裝鋼絲的剩余截面積進(jìn)行精確測(cè)量即可定量判定鋼絲鎧裝拖纜的剩余破斷力。近年來(lái),利用磁通量測(cè)定鋼絲繩截面積的電磁無(wú)損檢測(cè)方法逐漸成熟,本文將此方法應(yīng)用于鋼絲鎧裝拖纜的強(qiáng)度檢測(cè),利用電磁檢測(cè)法測(cè)定鎧裝電纜的剩余截面積,并通過(guò)拉力試驗(yàn)對(duì)所檢測(cè)的鎧裝電纜進(jìn)行了剩余破斷力試驗(yàn),以期得到兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)和評(píng)價(jià)是在不破壞鋼絲繩使用狀態(tài)的情況下,應(yīng)用一定的檢測(cè)技術(shù)和分析方法,對(duì)鋼絲繩的狀態(tài)特性加以測(cè)定,并按一定的準(zhǔn)則對(duì)其評(píng)價(jià)的過(guò)程[1]。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果推測(cè)其剩余的使用壽命及報(bào)廢時(shí)間,在保證鋼絲繩安全運(yùn)行的前提下,減少鋼絲繩更換的盲目性[2]。
鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)儀采用漏磁、磁通原理。檢測(cè)時(shí),磁頭內(nèi)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(duì)勻速運(yùn)行進(jìn)行信號(hào)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(huì)引起磁通量的變化,斷絲、蝕坑等局部損傷位置會(huì)有漏磁場(chǎng)產(chǎn)生,從而被霍爾傳感器捕捉。霍爾元件的工作原理表達(dá)式為
式中,UH為霍爾電壓,由霍爾傳感器測(cè)得;RH為材料的霍爾系數(shù);I為電流;B為材料的磁場(chǎng)強(qiáng)度;d為材料直徑[3]。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)連接,轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),處理后輸出為直觀的模擬信號(hào),檢測(cè)原理示意圖如圖1 所示[4]。
圖1 無(wú)損檢測(cè)原理示意圖
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(diǎn)是鋼絲繩的金屬斷面積突然減小,其常見(jiàn)形式是斷絲[4]。LF 型缺陷主要采用漏磁法檢測(cè),它是斷絲檢測(cè)中廣泛應(yīng)用的檢測(cè)方法,它利用鋼絲的鐵磁特性,通過(guò)分析構(gòu)件周?chē)穆┐艌?chǎng)來(lái)間接推斷構(gòu)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(dāng)鋼絲繩表面或內(nèi)部存在局部斷絲缺陷時(shí),將引起鋼絲繩局部磁場(chǎng)變化,在斷絲周?chē)鷷?huì)出現(xiàn)散漏磁場(chǎng),鋼絲繩上裂紋內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hi與故障的幾何形狀有關(guān),如斷口深度T、寬度S、裂紋中材料的相對(duì)磁導(dǎo)率μ和勵(lì)磁強(qiáng)度Ha,即
圖2 漏磁法檢測(cè)原理
式中,F(xiàn)L為考慮裂紋及裂紋中的填充物后的綜合系數(shù),檢測(cè)時(shí)Ha恒定,μ為常數(shù)[5]。通過(guò)磁敏感元件檢測(cè)漏磁場(chǎng)畸變信號(hào)輔以掃場(chǎng)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(guò)記錄、分析傳感器輸出的電信號(hào),測(cè)定鋼絲繩的局部損傷[6]。
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(guò)儀器進(jìn)行檢測(cè),并比較檢測(cè)點(diǎn)與鋼絲繩上最大金屬橫截面積的基準(zhǔn)點(diǎn)來(lái)測(cè)定[4]。LMA 型缺陷主要采用磁通法檢測(cè),根據(jù)電磁理論,被測(cè)鋼絲繩中橫截面的磁通量為
采用電磁檢測(cè)法測(cè)定鋼絲繩的LMA 值要求被測(cè)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(hù)套及水密層、內(nèi)部的銅制導(dǎo)線以及包裹銅導(dǎo)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(zhì)。通過(guò)對(duì)鋼絲鎧裝拖纜的組成分析發(fā)現(xiàn),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(gòu)件,是本文的主要研究對(duì)象。同時(shí),鍍鋅高碳鋼絲在氧化腐蝕后形成無(wú)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(wú)損檢測(cè)法對(duì)鋼絲鎧裝拖纜進(jìn)行檢測(cè)。
圖3 磁通法檢測(cè)原理
本次檢測(cè)采用BKT 系列鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)儀,對(duì)鎧裝鋼絲拖纜進(jìn)行LF型和LMA型缺陷一體化檢測(cè)。試驗(yàn)采用新舊鋼絲鎧裝拖纜比對(duì)檢測(cè)法進(jìn)行,1#試驗(yàn)樣品為銹蝕鎧裝拖纜,長(zhǎng)度為30 m;2#試驗(yàn)樣品為全新鎧裝拖纜,長(zhǎng)度為1.5 m。將2#全新鎧裝拖纜測(cè)定的LMA 值作為標(biāo)準(zhǔn)值,測(cè)定1#銹蝕鎧裝拖纜的LMA 值后與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì),實(shí)際操作分別如圖4~5 所示。
圖4 LMA 值標(biāo)定
圖5 銹蝕鎧裝拖纜檢測(cè)
銹蝕鎧裝拖纜無(wú)損檢測(cè)結(jié)果如圖6 所示,檢測(cè)圖譜表現(xiàn)出了典型的銹蝕信號(hào)特征,說(shuō)明該纜的損傷形式以銹蝕為主,根據(jù)對(duì)1#試驗(yàn)樣品的人工觀察也發(fā)現(xiàn),整根樣纜表面都存在不同程度的銹蝕,但無(wú)明顯磨損情況,認(rèn)為樣纜金屬橫截面積損失基本由銹蝕造成。根據(jù)圖6 所示,由LF 信號(hào)表征的拖纜銹蝕嚴(yán)重程度位置與由LMA 信號(hào)表征的拖纜金屬橫截面積損失位置一一對(duì)應(yīng),拖纜銹蝕最嚴(yán)重位置的LMA 最大值為24%。
圖6 無(wú)損檢測(cè)圖譜
為了找出LMA 值與破斷力之間的關(guān)系,在樣纜截面積損失輕微(樣纜1#)、中等(樣纜2#)、嚴(yán)重(樣纜3#)的部位截取3 段樣纜進(jìn)行破斷力試驗(yàn)。根據(jù)無(wú)損檢測(cè)結(jié)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(yàn)樣纜,如圖7 所示。將銹蝕的樣纜纜端進(jìn)行澆鑄,進(jìn)行破斷力試驗(yàn),試驗(yàn)樣纜1(LMA=10%)的破斷力為222.0 kN,試驗(yàn)樣纜2(LMA=13.6%)的破斷力為166.6 kN,試驗(yàn)樣纜3(LMA=24.0%)的破斷力為129.2 kN,破斷力試驗(yàn)后樣纜如圖8 所示,試驗(yàn)結(jié)果如圖9 所示。
圖7 破斷力樣纜選取
圖8 破斷力試驗(yàn)后樣纜
圖9 破斷力試驗(yàn)結(jié)果
3 段破斷力試驗(yàn)樣纜的LMA 值和破斷力損失率之間的關(guān)系如表1 和圖10 所示,全新拖纜破斷力標(biāo)準(zhǔn)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(guān)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(wú)損檢測(cè)與破斷力試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)
圖10 LMA 值與破斷力損失率關(guān)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(guò)程中的疲勞損傷或金屬材質(zhì)性能發(fā)生改變(如氫脆)也會(huì)引起破斷力下降,但不會(huì)引起金屬橫截面積損失,測(cè)得的LMA 值無(wú)法體現(xiàn)疲勞引起的非斷絲損傷與金屬材質(zhì)性能改變帶來(lái)的力學(xué)性能下降;
(2)試驗(yàn)的銹蝕鎧裝拖纜外部鋼絲采用的是雙層反向螺旋結(jié)構(gòu),銹蝕后鋼絲尺寸發(fā)生變化,會(huì)影響到鋼絲局部拉伸、扭轉(zhuǎn)、剪切力的應(yīng)力集中,從而影響拖纜的破斷力;
(3)LMA 值標(biāo)定存在一定的誤差;
(4)檢測(cè)時(shí)銹蝕鎧裝拖纜相對(duì)傳感器的徑向晃動(dòng)、外界的電磁干擾等,會(huì)對(duì)檢測(cè)信號(hào)造成較大影響[5]。
本文通過(guò)對(duì)銹蝕鎧裝拖纜進(jìn)行電磁無(wú)損檢測(cè)和破斷力試驗(yàn),結(jié)果表明通過(guò)電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以對(duì)鎧裝拖纜的剩余破斷力進(jìn)行初步評(píng)估,但破斷力的下降并不與截面積損失成簡(jiǎn)單線性關(guān)系,僅僅通過(guò)三次樣段檢測(cè)試驗(yàn)無(wú)法得出鎧裝拖纜的破斷力損失率與LMA 值的定量關(guān)系,后續(xù)可通過(guò)積累銹蝕鎧裝拖纜的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù),并進(jìn)行數(shù)據(jù)建模和有損試驗(yàn)驗(yàn)證,得出鎧裝拖纜的破斷力損失率與LMA 值的定量關(guān)系,從而對(duì)鎧裝拖纜的剩余強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。