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      首頁 / 客戶評價 / 客戶評價 / 客戶評價 / 第二部分:TCK·W鋼絲繩在線自動檢測系統
      峰峰集團鋼絲繩檢測系統及鋼絲繩安全管理創新研究 -張步勤 冀慶亞 趙煥章

       

      摘  要:鋼絲繩廣泛應用于國民經濟的多個重要領域,多年來鋼絲繩在使用過程中始終存在安全隱患突出、經濟性差、事故危害大等世界性難題。目前,國內煤炭系統還一直沿用人工檢測方法進行鋼絲繩安全管理,造成煤炭系統多年來提升運輸事故不斷,損失十分巨大。峰峰集團根據當前煤礦鋼絲繩使用現狀,結合自身實際和鋼絲繩使用經驗,引用先進的TCK.W弱磁檢測技術對在用鋼絲繩進行科學定量檢測,并率先在國內煤炭系統建立鋼絲繩在線實時監測系統,在鋼絲繩科學、安全使用方面進行了富有成效的探索。

       

      關鍵詞:鋼絲繩檢測;在線監測;弱磁;安全管理

       

      鋼絲繩作為起重、運輸、提升及承載等重大裝備與重要設施中的主要組件,被廣泛應用于礦山、冶金、建筑、水利、旅游、港口碼頭、交通運輸、航空航天、石油鉆探、軍事工業等國民經濟各個領域。在礦井提升運輸設備中,鋼絲繩的使用十分普遍。 

      長期以來,由于復雜的結構、惡劣的使用環境和損傷的不可修復性(不可逆損傷),鋼絲繩的使用和管理始終是煤炭企業設備管理的難點,甚至是"盲點"。鋼絲繩也成為企業安全生產的重大隱患,多年來事故不斷。峰峰集團是國有重點煤礦,也多次發生鋼絲繩斷繩事故,直接的設備損失和間接的經濟損失巨大。 

      從全國的情況來看,據《中國煤礦事故暨專家點評集》統計,從1949年到1995年,在全國發生的煤礦運輸提升事故中,總計死亡19871人,占煤礦死亡總人數的15.06%,僅次于瓦斯和頂板事故,是煤炭系統第三大災難事故。在此期間國有重點煤礦共發生一次死亡3人以上的運輸提升事故91起,死亡421人。其中鋼絲繩斷繩事故34起,占37.36%,死亡193人,占45.84%,鋼絲繩的安全使用也因此而備受關注。 

      但是,與煤炭系統多年來鋼絲繩事故頻發形成鮮明對比的是,鋼絲繩的使用與管理多年來始終在低水平、低層次上徘徊,造成煤礦等行業提升設備中鋼絲繩安全使用問題依然十分嚴重。

       

      1 加強技術創新,探索鋼絲繩使用與科學管理之路

       

      峰峰集團目前共運行各種類型的大型提升設備60余臺,每年鋼絲繩使用量約1240t,用繩成本約為1050萬元。如何能夠科學管理和使用鋼絲繩一直是個難題。大家知道煤礦主、副井是煤礦生產的"咽喉"。鋼絲繩是主、副井提升設備的一個重要組成部分,它直接關系到煤礦正常生產、人員生命安全及經濟運轉。為確保煤礦提升設備的安全運行,《煤礦安全規程》(以下簡稱《規程》)對提升用鋼絲繩做了詳細的規定。目前,國內許多掌握鋼絲繩生產先進技術的企業,生產能力、技術水平逐步向國際化邁進,已具備生產高強度、高韌性、低松弛、捻制質量均勻鋼絲繩的能力。這些國內企業生產的鋼絲繩,其主要技術性能有:抗彎曲疲勞性能可以控制,且滿足設計要求;鋼絲繩結構伸長量、斷面收縮率滿足設計要求;整繩破斷拉力滿足標準規定的要求,且繩內各股繩之間捻制張力均勻;麻芯的含油量滿足使用中潤滑鋼絲的要求;在制繩工藝過程中,繩徑與絲徑的配置科學化,鋼絲繩的結構和繩徑一旦確定,絲徑的大小可精確到0.01mm;絲與絲之間、股與股之間的間隙控制數量化、鋼絲的晶粒度要求標準化、麻芯的徑向壓縮率規范化;鋼絲繩拆股做單絲力學性能檢驗,其鋼絲的抗拉強度、反復彎曲值和扭轉值,在滿足標準規定的條件下,可均勻的控制在一定范圍內等。 

      然而,對鋼絲繩使用和管理還延續著以礦井設計選型為主,按照慣例,除少數鋼絲繩由于斷絲、磨損等性能指標超出《規程》規定外,大部分采用定期更換鋼絲繩的方法,尚不能根據礦井的生產情況、使用環境科學合理的選用和使用管理在用鋼絲繩。更可怕的是這種方法由于檢測手段的落后,無法掌握在用鋼絲繩實際的損傷情況、疲勞程度,這就不可避免的存在著潛在的安全隱患和犧牲可用資源換安全。如何能做到根據礦井的生產情況、使用環境,科學的選用鋼絲繩的型號、等級和防腐形式,做到既經濟又安全呢?鋼絲繩的內外部損傷使承受載荷的鋼絲繩截面積減少與鋼絲繩的破斷力下降存在何種定量關系呢?能否在線檢測出鋼絲繩的實際承載能力,使我們能隨時掌握在用鋼絲繩的安全狀況呢?這些問題如能夠解決,那么就會為鋼絲繩的選用提供依據,實現規范化、科學化使用和管理鋼絲繩。峰峰集團公司在此方面作了如下探索。 

      (1)科學可靠的檢測技術和檢測方法方面的探索。為解決鋼絲繩的定量檢測問題,峰峰集團公司對國內外鋼絲繩檢測技術應用情況進行了考察。從20世紀初,國際上的科技人員,就開始研制鋼絲繩無損檢測裝置,到現在已將近100年的歷史。20世紀60年代,我國也開始有人研制這種裝置了。國際范圍內,理論上探討過的檢測方法有:聲學檢測法、機械檢測法、射線檢測法、電流檢測法、光學檢測法、電渦流檢測法、超聲波檢測法、振動檢測法、聲發射檢測法、磁檢測法。目前,只有磁檢測法在檢測鋼絲繩缺陷方面得到了較為廣泛的應用。而現有的鋼絲繩探傷儀是基于磁檢測原理的2項技術:強磁檢測技術和弱磁檢測技術。強磁檢測技術曾經得到很廣泛的應用,但100年來,強磁檢測技術沒有明顯的技術突破,相應的產品也不能完全適應工業場合的要求。傳統強磁檢測方法有:LF漏磁通法、LMA/LF主磁通法和LMA/LF回路磁通法,相應的檢測元件有感應線圈、霍爾元件、磁通門等。這些檢測方法所共有的缺陷是磁靈敏度較低(大約為12mV/mA·T)、溫漂大、制成的傳感器電路結構復雜且不可靠、運算過程中存在系統誤差、受檢測速度影響等不足。 

      21世紀初,弱磁檢測技術有了突破性的發展,基于弱磁檢測技術的新儀器也進一步完善,替代傳統的強磁檢測技術已成為不可避免的趨勢。 

      峰峰集團公司注意到了國內自主創新、在全球范圍內唯一采用弱磁檢測方法的TCK.W鋼絲繩檢測技術。該技術是TCK.W鋼絲繩檢測技術有限公司研發人員在全球鋼絲繩檢測領域實現的一項重大突破,在理論上通過研究損傷場強和各項磁場矢量變量其和差關系,建立了其與鋼絲繩損傷面積△S之間的數學模型,通過監測圍繞鋼絲繩出現主漏磁場Hz、局部漏磁場Hi(即:內外斷絲造成的局部漏磁場Hd、內外磨損造成的漏磁場Hm、內外銹蝕所產生的局部漏磁場Hx及斷面變小、鋼絲焊點等所產生的其它漏磁場Hq等)以確定鋼絲繩內部和表面缺陷,并通過實驗得到了證明。如圖1所示:在鋼絲繩周圍取一個環節,檢測環帶面積上的磁通密度或磁場強度,即可判定損傷面積△S。

      B=μH

      其中:μ——導磁率

      在空氣和真空中μ=1

      所以:H = B    H∞△S

      △S0 =∫∫h(x,y)dxdy

      △S0max =∫ d0 ∫ h(r Cosθ, r Sinθ)rdr       △S0max =0→2π △S0min =0→0

       

      在環帶上組裝m個傳感器,形成一種模式識別型的環形傳感器,不但能識別某點場強的物理量,且可以識別鋼絲繩損傷點所處的空間位置。鋼絲繩損傷點的面積△S變成了場強Hi的函數。

       

      實驗證明,完全正確。運算速度也非常之快。這個數學模型的建立對斷絲之類的缺陷已經完全滿足了。對于銹蝕、磨損、疲勞、變形等在捻距中也能被測出。這項新技術實現了鋼絲繩各種損傷的定量檢測,解決了鋼絲繩量化檢測的難題。

       

      (2)結合長期的物理試驗方法,對鋼絲繩直徑減少率與破斷力降低率關系進行了深入探索。眾所周知,鋼絲繩的內外部磨損使承受載荷的鋼絲截面積減小,鋼絲繩的破斷載荷也相應降低。通過對大量新舊鋼絲繩物理破斷力試驗數據分析,得到鋼絲繩直徑減小率與破斷載荷降低率的關系曲線如下圖所示。

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      圖2:鋼絲繩直徑減小率與破斷載荷降低率的關系曲線

       

      (3)鋼絲繩安全系數與鋼絲繩使用壽命關系的探索。鋼絲繩隨著載荷的增加會有微量的伸長,當載荷超過彈性極限時,鋼絲繩就可能斷裂。通常,把鋼絲繩承受的靜載荷控制在安全負荷內。但鋼絲繩實際上往往處于運動狀態,鋼絲繩在工作時除了要承受貨物、吊物、自重等靜載荷外,還要受到因加速度和沖擊引起的動載荷,因彎曲引起的附加載荷,因摩擦引起的阻力載荷等等。由此可見,當除了靜載荷以外的其它載荷增多時,實際的安全系數就降低了。另外,《規程》第401條規定:提升裝置使用的鋼絲繩做定期檢驗時,安全系數有下列情況之一的,必須更換:①專為升降人員用的小于7;②升降人員和物料用的鋼絲繩:升降人員時小于7;升降物料時小于6;③專為升降物料用和懸掛吊盤用的小于5。我們在實際應用中選擇安全系數多大時為合理呢?比如,我們對一條升降人員的提升鋼絲繩選擇安全系數7.1合理還是10.1甚至更大合理呢?通過對一個具體提升裝置提升鋼絲繩安全系數與其使用壽命關系的研究,就會為我們科學合理的選用鋼絲繩提供科學依據。

       

      下圖是試驗得到安全系數與鋼絲繩壽命的關系曲線。

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      圖3:安全系數與鋼絲繩壽命關系

       

      2   建立科學的管理系統

      確保鋼絲繩使用安全 通過長期對在用鋼絲繩的使用管理和檢測技術的探索,峰峰集團公司認識到建立一個科學的在用鋼絲繩管理系統是十分必要的。于是,峰峰集團公司建立了以TCK.W弱磁檢測技術為核心的礦山重大提升設備中鋼絲繩安全使用管理系統。通過該系統可以實現對鋼絲繩內外部磨損、斷絲、銹蝕以及疲勞等損傷的檢測,并通過MT/T970-2005法定的判定規則,對所檢測的鋼絲繩進行損傷程度分析和更換與否進行判定。

       

      (1)實現在用鋼絲繩的在線檢測。目前,國內外絕大多數鋼絲繩檢測儀對鋼絲繩的運行速度是有限制的,一般在0-8m/s。而這項弱磁檢測技術不受鋼絲繩運行速度的影響,為實現在線檢測創造了條件。如圖4所示:

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      圖4:鋼絲繩檢測裝置

      (2)建立鋼絲繩安全使用管理系統。由于實現了鋼絲繩的在線檢測,峰峰集團公司采集了大量的現場在用鋼絲繩工況數據,通過對工況數據的分析,以及通過無數次的物理試驗和對鋼絲繩的解體觀測,峰峰集團公司建立了鋼絲繩安全使用管理系統。該系統根據鋼絲繩型號、制造商等信息對鋼絲繩的外部磨損、內部磨損、外部銹蝕、內部銹蝕、外部斷絲、內部斷絲、壓潰和疲勞程度等因素綜合分析設定一個上限,把在線檢測到的在用鋼絲繩的損傷程度與該上限進行比較。小于上限的30%屬輕度損傷,判定為繼續使用;最大損傷量值在判定上限 30% 到 60% 的,屬中度損傷,判定為加強保養;最大損傷量值在判定上限 60% 到 80% 的,屬較重損傷,判定為加強監測;最大損傷量值在判定上限 80% 至判定上限間的,屬嚴重損傷,判定為近期更換;最大損傷量值達到或超過判定上限的,屬超限損傷,判定為停止使用。 

      例如:下表是我們對一條6*37-36鋼絲繩檢測和系統分析實例 

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      從上表我們可以看出,通過科學檢測,可以杜絕人工檢測的各種弊端,系統的建立為鋼絲繩的科學管理奠定了基礎。


      結語

      提升設備在用鋼絲繩安全使用過程中更為重要的問題是對鋼絲繩從出廠、使用、甚至報廢過程的全程管理,而不僅僅是對鋼絲繩進行安全檢測,對鋼絲繩的檢測和在線監測僅僅是鋼絲繩管理體系中的一個環節而已。如何處理檢測結果,如何根據檢測結果對鋼絲繩的使用提出對策,即針對鋼絲繩使用情況的評估診斷、日常維護、處置方案是鋼絲繩管理的更為重要的研究方向。 

      目前,根據峰峰集團對全國煤炭系統鋼絲繩使用單位的調查研究,企業真正需要的不僅僅是損傷檢測,更重要的是通過損傷的檢測,告訴鋼絲繩的使用者應該如何對鋼絲繩進行保養維護,如何調整鋼絲繩的使用方法,如何針對鋼絲繩的損傷調整提升設備的運行狀況,也就是得到鋼絲繩使用的全程管理方案。針對以上問題,峰峰集團在鋼絲繩在線檢測和監測系統的基礎上,正在進行鋼絲繩數據庫的建立,進而開發填補國內外空白、具有國際領先水平的鋼絲繩全程管理系統,對鋼絲繩進行從購買、存儲、轉運、使用、檢測、維護到更換的全過程系統管理。

       

      作者簡介:張步勤(1962),男,漢族,機電高級工程師,學士學位,1984年8月畢業于山西礦業學院,現任峰峰集團煤炭生產部副部長、從事機電管理工作。


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