电磁超声导波技术在钢丝绳检测中的应用

2016-02-13于淑敏刘雪芳

综合智慧能源 2016年12期

关键词：单丝导波钢丝绳

于淑敏，刘雪芳

（华电郑州机械设计研究院有限公司，郑州 450015）

电磁超声导波技术在钢丝绳检测中的应用

于淑敏，刘雪芳

（华电郑州机械设计研究院有限公司，郑州 450015）

由于钢丝绳本身结构以及使用环境的不同，检测较困难。介绍了电磁超声导波检测技术及其原理，通过试验对钢丝绳电磁超声导波检测技术进行了验证。利用超声波在钢丝绳中导波模式传播，可快速提取钢丝绳中缺陷的超声信号，克服电磁检测的盲区，实现对钢丝绳的长距离、快速检测。

钢丝绳；电磁超声导波；导波检测系统；小波分析

0 引言

在役钢丝绳的损伤情况和承载能力，与设备和人身安全紧密相关［1］。断丝、磨损和锈蚀是钢丝绳强度减弱的主要影响因素。人工检查和磁性法检测是钢丝绳检测的常用方法，其准确程度差、效率低［2］。为了提高钢丝绳的检测效率，快速提取表征缺陷的超声信号，并且克服电磁检测的盲区，以达到对钢丝绳长距离快速检测的目的，研制出一套电磁超声导波（EMAT）检测系统。本文通过对不同规格的钢丝绳进行检测试验，研究电磁超声导波检测技术在钢丝绳检测中的应用。

1 电磁超声导波检测技术

利用超声导波在钢丝绳中传播的导波模式，EMAT检测技术能快速地检测钢丝绳的断丝和腐蚀，且能够100%覆盖被检测区域。

使用超声导波检测系统时，将探头（铁钴合金磁铁+柔性线圈）安装到钢丝绳上，通过激励产生的超声导波就可以沿着钢丝绳进行传播，遇到断丝和腐蚀的部位就会产生反射信号，以此来判断缺陷的位置和反射波幅度。

2 钢丝绳EMAT检测系统

钢丝绳材质是铁磁性的，利用其自身的磁致伸缩效应可以直接激励和接收导波，检测原理如图1所示。激励线圈、检测线圈和提供偏置磁场的磁化器组成了传感器，结构如图2所示［3］。用排线制作的2种线圈分别缠绕在被检钢丝绳上，用于实现交变磁场和应力波之间的能量与信号转换。偏置磁场可以采用电磁或永磁方式加载，其方向沿轴线方向。偏置磁场的主要作用是提高磁能与声能的换能效率，以及选择导波模态［4］。进行检测时，为了产生交变磁场，先将大电流脉冲信号通入发射线圈；由于磁致伸缩效应，发射线圈附近的铁磁材料会受到交变应力作用，这样会激励出超声波脉冲；沿钢丝绳轴线传播的超声脉冲，由于钢丝绳的表面影响，会不断在钢丝绳内部发生反射、折射和模式转换，最终稳定导波模态的形成正是由于超声波脉冲经过复杂的干涉和叠加的结果。若钢丝绳内部存在缺陷，钢丝绳内部缺陷处将反射导波；由于逆磁致伸缩效应，反射回来的应力波使通过检测线圈的磁通量改变，磁通量变化经过检测线圈的转换引起电动势变化；反射回来的超声导波信号的时间和幅度可以通过测量检测线圈的感应电动势间接得到，进而可以知道缺陷的大小和位置等信息［5］。

图1 直接激励法磁致伸缩导波检测原理

图2 传感器原理

3 检测技术条件

3.1 检测仪器

检测仪器应具有信号激励、数据采集、信号波形显示、分析与存储的功能，且至少满足以下要求：（1）激励信号的频率、幅值、周期数、重复频率可调；（2）数据采集频率不低于激励信号最高频率的10倍，应与信号激励具有同步功能；（3）检测信号应能实时存储，以备后续处理和分析；（4）具有距离显示方式；（5）能够分析缺陷的位置，缺陷位置的最小分辨率应达到10mm。

3.2 传感器

每个传感器应给出被检钢丝绳材料和规格的适用范围。

3.3 试样

（1）校准试样。校准试样用于对检测设备进行灵敏度和各种功能的测试。校准试样选用直径为20mm，材料为45的圆钢，有2%，4%和6%截面损失率的横向环形切槽各1个，如图3所示。切槽的宽度为0.5～2.0mm，深度方向的公差为±0.2mm。

图3 校准试样示意

（2）对比试样。对比试样用于对被检测钢丝绳缺陷截面损失率当量进行评定。对比试样应采用与被检测钢丝绳规格相同的材料制作，试样的长度不小于5m，2个部位分别加工断丝，每处断丝的数量按截面损失率的6%进行计算，同一处断丝应紧密相邻，端部断丝位置距试样端部至少0.5m。

4 试验数据及结果分析

4.1 试验过程及结果

为研究超声导波在钢丝绳长距离、快速检测中的应用，使用钢丝绳电磁超声导波检测系统，通过试验对钢丝绳电磁超声导波检测技术进行讨论。试验从钢丝绳的参数（直径、股数、钢丝绳的单丝直径、端头距离缺陷的长度等）和电磁超声导波检测的参数（脉冲周期、发射频率、重复频率、发射接收探头间距等）方面进行研究，具体试验过程及结果如下。

4.1.1 直径8mm，单丝直径1mm，长度5650mm单股钢丝绳

采用单端发射、单端接收的方法对钢丝绳进行检测，磁化方式是将铁钴带用胶水固定在钢丝绳上，测试时要对铁钴带上磁处理，测试时发射处又加了磁铁增加磁化效果。将发射线圈和接收线圈接好后接通电源，打开探伤软件，在10～50 kHz范围内进行发射频率的调节，得出发射频率为30 kHz、脉冲周期为5时波形处于最佳模态。

调节检测范围在12m以上，将A和B阀门分别套在一次端头波和二次端头波上，在声速校准栏输入钢丝绳的长度5650mm，v=4536m／s进行声速校准（发射探头P20，接收探头P20），如图4所示，图中：横坐标为范围，mm；纵坐标为幅值，%；下同。在钢丝绳距端头约1580mm处锯1.0mm切槽进行测试，波形如图5所示，由图5可以看出：端头波A闸门位置为5650mm，缺陷波B闸门显示位置为4 051 mm，理论计算缺陷位置应为4 070mm，误差为19 mm，与缺陷实际位置比较吻合。