钢丝绳无损探伤系统在水闸工程中的应用

孙嘉良，戚政雅

（1.太湖流域管理局苏州管理局，江苏 苏州 215011；2.南通大学信息科学技术学院，江苏 南通 226019）

1 工程概况

望亭水利枢纽位于江苏省苏州市望亭镇以西，望虞河与京杭大运河交汇处，距望虞河入湖口2.2 km，是望虞河排泄太湖洪水及环太湖大堤重要口门的控制建筑物，对太湖流域防洪、排涝、引水及通航发挥着重要作用。该工程于1998年10月竣工验收。

望亭水利枢纽为2级水工建筑物，采用“上槽下洞”立交布置形式，平面上呈平行四边形。望虞河管涵（下部）与运河渡槽（上部）平面上呈60°斜交，渡槽作为京杭大运河航道，管涵两端连接望虞河，供排洪与引水。管涵为现浇箱形钢筋混凝土结构，共9孔，3孔一联，涵洞每孔净面积7.0 m×6.5 m（宽×高）；工作闸门及常用交通桥布置在上游管首，闸门为直升平板式钢闸门，自重18.4 t；钢丝绳为镀锌钢丝绳，直径20 mm；启闭机为固定卷扬式，启闭力为2×200 kN。

工程自建成至2020年底，望亭水利枢纽累计排洪183.49亿m3。自2002年起启动“引江济太”调水方案，通过望亭水利枢纽向太湖引水147.75亿m3。同时，工程8号和9号孔常年向望亭发电厂供水，年均供冷却水约5亿m3，累计向望亭电厂供水117.82亿m3，有力保障了电厂正常运行。

2 钢丝绳探伤实践

为保证工程长期稳定安全运行，望亭水利枢纽管理单位每年汛前和汛后开展定期检查和维护工作，检查对象包括闸室主体结构、启闭设施、电气设备和闸门钢丝绳等。其中，钢丝绳作为闸门提升系统重要构件之一，闸门启闭时频繁弯曲摩擦和长期受力，直接影响到工程运行安全。为提高钢丝绳检查效率和可靠性，解决人工检绳效率较低、易受人为因素影响（检查人员仅靠自身经验判断）和无法有效检验内部损伤等问题，2014年，管理单位购买了钢丝绳在线监测评估系统、探伤仪及配套设备，采用电磁检测技术对9孔闸门（每孔8段）的钢丝绳进行无损探伤，可检验内部损伤，智能诊断钢丝绳缺陷，有效预防了钢丝绳断绳事故的发生。

3 探伤设备介绍

3.1 探伤系统构成

该工程采用的钢丝绳无损检测设备主要包括传感部件（磁传感主机）、转换装置（实时报警器）、检测系统及转换信号线等。传感部件为起重机械基础式，使用前要将传感部件、转换装置与计算机相连接。传感部件与转换装置之前采用专用的双层屏蔽信号传输线连接，一端插在实时报警器上，另一端多插头端分别对应地插在传感主机上。电脑与实时报警器采用网线直联连接。

3.2 检测原理

传感部件主要由高磁积能稀土钕铁硼永久磁钢组成，圆形环绕排列，可全面地覆盖钢丝绳检查部分，当磁钢中的钢丝绳在轴向移动时，能快速磁化钢丝绳；同时，在聚磁构件中安装有阵列式霍尔元件，当检查的钢丝绳有局部损伤、金属横截面积变化等缺陷时，将产生漏磁场和磁通量的变化，这种变化作为输出的信号量，被霍尔元件感应接收后，通过高性能微处理器模数转换，最后将压缩数字信号输入计算机。经由专用检测评估软件实时解压处理，以图像和数值的形式，显示出钢丝绳内外断丝情况、金属截面积变化的程度，并自动形成有参考价值的诊断评估报告。

4 适用于水闸的钢丝绳探伤方法

4.1 动态检测法介绍

为避免钢丝绳探伤影响工程正常运行，望亭水利枢纽管理单位结合工程实际情况，总结多年现场操作经验，针对在役钢丝绳的检测改良形成了一种动态检测方法，即先将传感器安装在动滑轮上方的钢丝绳上，保持钢丝绳不动，工作人员在启闭机房通过钢丝绳出口下放尼龙绳，将绳的另一端与传感器相连，工作人员手拉尼龙绳并保持小于0.4 m/s的速度匀速向上拉起传感器的同时，开启检测软件对钢丝绳进行检测。

4.2 优点

与传统的静态检测法（保持传感器不动，移动钢丝绳）和手扶传感器法相比，动态检测法具有以下优点：1）不影响工程正常运行，解决静态检测法中频繁开关闸问题；2）保证了检测人员的安全，避免手扶传感器法中检测人员高空作业时安全事故的发生；3）提高了钢丝绳检测效率，简化检测操作步骤，通常在实际检测中操作一次即可获得可靠数据。

4.3 抽检区段的选择

固定卷扬式水闸在关闸状态时，大部分钢丝绳绕出卷筒与闸门竖直相连，此处的钢丝绳易于检查，并且与长期缠绕在卷筒上作为固定圈和安全圈的钢丝绳相比较，竖直段钢丝绳使用次数更多，遭受摩擦、弯曲、挤压等更为频繁，发生损伤和故障的概率更大，因此选择此部分作为抽检区段。

4.4 注意事项

检测中需注意：1）工作人员在手拉尼龙绳时要保持匀速，速度宜小于0.4 m/s，以保证检测数据成果的可靠性；2）在传感器移动过程中，应注意避免拉扯传感器、转换器和电脑间的连接线，防止接线端松动造成数据丢失；3）在探伤过程中，应避免强磁靠近传感器，防止影响设备磁场变化，造成检查误差。

5 成果及分析

望亭水利枢纽为实时掌握在役钢丝绳的性能状态，每年至少开展2次钢丝绳探伤工作，使用电磁探伤系统检查9孔闸门钢丝绳的局部损伤情况（断丝数量）与截面积损失量。选取其中一段长度为8.60 m的钢丝绳，对其检测结果进行分析。

5.1 局部损伤

在水工钢丝绳的使用过程中，内部和外部的磨损较为常见。内部磨损是指钢丝绳中的钢丝变形不一致时，钢丝之间发生相对位移，从而产生的磨损；外部磨损指钢丝绳表面与闸门动滑轮、启闭机卷筒等接触物体间的磨损。磨损将导致钢丝绳的直径减小，钢丝磨损处产生微裂纹，在应力的作用下，裂纹逐渐延伸，最终形成断丝。检测段的局部损伤评估图见图1。

图1 局部损伤评估图

从图1可知，这段钢丝绳的金属断丝共有5处，同一截面内断丝最多为1根，位置在2.167，2.236，3.212，4.132和4.201 m；在1个捻距内断丝最多为2根，位置在2.167，4.132 m。工程在役钢丝绳为钢芯单层股钢丝绳，直径20 mm，6×19结构，根据现行《起重机钢丝绳保养、维护、检验和报废》规范中6.2.4条，钢丝绳在6倍直径的范围内达到报废程度的最少可见断丝数为5个，得出结论：检测段断丝情况未达报废标准。

5.2 横截面积损失

金属截面积的变化可体现出钢丝绳的磨损、锈蚀等问题，在未发生严重锈蚀时，可由金属横截面积来推算钢丝绳的直径变化。根据理论计算和实践经验，钢丝绳横截面积损失与钢丝绳直径的缩小间的比值，一般不小于1.5倍。截面积变化评估图见图2。

图2 截面积变化评估图

由图2可知，钢丝绳金属截面积损失最严重段发生在0～1.068 m之间，损失率为1.02 %，根据现行《起重机钢丝绳保养、维护、检验和报废》规范中6.3.1条，钢芯单层股钢丝绳直径的等值减少量报废标准为不小于7.5%，得出结论：检测段的直径缩小量远未达报废标准。需要注意的是，如果钢丝绳存在严重锈蚀，钢丝绳横截面积可能增加，将不能反映钢丝绳真实情况。

5.3 综合判断

在钢丝绳检查中，除了使用探伤仪检查断丝数量与截面积损失量外，还需人工对钢丝绳的外形进行检查，检查钢丝绳有无形状畸变、腐蚀和其他损伤，综合判断钢丝绳是否符合现行规范。若发现钢丝绳有折弯、扭结、波浪形畸形和局部扁平等问题，应立即采取应对措施，及时更换已达报废标准的钢丝绳，对未达报废标准但有一定畸形和损伤的钢丝绳，如需继续使用要增加检查频次。

6 结语

通过对在役钢丝绳的探伤，一方面可保证钢丝绳满足使用要求，确保工程运行安全；另一方面可避免钢丝绳在可继续使用的情况下过早报废，增加不必要的采购支出，造成资源浪费。目前，钢丝绳无损探伤技术逐渐趋于成熟，从望亭水利枢纽管理单位多年的探伤实践来看，电磁探伤设备操作便捷、检测数据准确、探伤结果可靠。水闸管理单位应高度重视钢丝绳检查工作，使用先进的探伤设备，科学开展钢丝绳无损探伤，及时分析在役钢丝绳性能状况，杜绝钢丝绳断绳等重大事故的发生，确保水利工程能长期稳定安全运行，持续发挥防洪减灾、引水供水及航运等综合效益。