起重机用钢丝绳无损检测
（NDT CRANE WIRE ROPE）
摘要：
本文主要是介绍如何对在用起重设备钢丝绳进行无损检测以及如何对检测结果进行分析来发现钢丝绳缺陷。
The article describes how to do NDT and analyse testing result in use crane steel wire rope，so that find wire rope fault .
主题词：钢丝绳缺陷（wire rope fault），咬绳 压溃
前言：
起重设备是机械、冶金、建筑、港口、运输、铁路、水利、化工、石油、等领域普遍使用的一种重要设备。其主要任务是起吊重物和设备。起重设备均是由钢丝绳提升和下放来起吊重物和设备。由此可见，钢丝绳运行的安全与否，直接关系到起吊重物和设备的安全。因此为了保证钢丝绳的安全运行，在我国的强制标准GB6067-85《起重机械安全规程》、GB5144-94(代替GB5144-85)《塔式起重机安全规程》和GB5972-86《起重机用钢丝绳检验和报废实用规范》以及《电动葫芦安全检验标准》中对钢丝绳检验和报废都做出了明确规定。以此来加强和保证钢丝绳的安全使用。而目前起重机用钢丝绳的检验主要还是靠人工检查，为了确保安全，只能定期或提前报废钢丝绳。这给起重机用钢丝绳安全使用带来很大隐患，同时也给用户造成很大浪费。而用仪器检测起重机用钢丝绳客观、准确、效率高，因此应用仪器检测是非常必要的。目前国内、外虽推出了一些，但由于国外仪器昂贵，国内仪器又不能满足用户要求，因此给仪器在这一领域的应用带来了很大的困难。庆幸的是国内新研制的EMT智能钢丝绳探伤仪采用新数据压缩、通讯和数据采集处理技术以及后处理分析软件。仪器不仅体积小、重量轻、实时性好、操作简单而且定性、定量和定位准确，后处理分析功能全，便于分析多种缺陷。它将是钢丝绳检测人员有力的检测工具。以下就EMT智能钢丝绳探伤仪无损检测原理和应用以及起重机用钢丝绳的主要缺陷、无损检测结果的分析和评判等问题进行探讨。 1．EMT遥测智能钢丝绳探伤仪检测原理和应用
1.1检测原理
1.1.1断面损失的检测（LMA）其原理是主磁通测定法，即利用强磁场作为励磁源，将处于两磁极间的一段钢丝绳磁化到饱和。根据磁学的有关理论，铁磁材料在磁饱和情况下，材料内的磁通量与金属断面积的大小成正比，故由传感器所测出的磁通量的变化，即为钢丝绳金属断面积的变化。
1.1.2局部损伤的检测（LF）
局部损伤系指断丝、锈蚀坑等所引起的局部缺陷，检测此缺陷系采用漏磁检测的原理，即传感器将漏磁信号检出。将上述两路检测信号（LMA）和（LF）以及距离信号分别送入计算机进行处理，并在屏幕上实时显示出对应的曲线和距离以及速度。
1.2仪器组成
EMT智能钢丝绳探伤仪主要由探头、智能采集器、便携式计算机和钢丝绳探伤分析软件四部分组成，探头和智能信号采集器是采用多芯屏蔽电缆连接，智能信号采集器和便携式计算机通过串口连接，电气标准为RS232或RS485；也可选用无线数传模块或GSM以及GPRS模块以无线方式与计算机连接；或通过TCP/IP协议实现网络连接。检测分析软件运行在WINDOWS（98、2000、XP）平台。
1.3软件简介 EMT钢丝绳探伤分析软件结构清晰，运行稳定，使用方便，功能实用。软件使用了示波和分析组件，具有显示速度快，实时同步检测， 曲线可任意放大和移动，具有数字滤波和波形对比分析能力。软件使用了数据库保存所有测试参数，查找速度快，可以任意增加和修改各项记录，没有容量限制。
软件在功能上可分为：通信与控制模块，模块，检测模块，检测记录管理模块，曲线分析模块，仪器校准模块，系统参数与基准表管理模块，在线帮助等几大部分。
1.4仪器应用
该仪器已在索道、起重设备、电梯等行业应用取得良好的效果线。
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2．起重机用钢丝绳的主要缺陷 2.1磨损
钢丝绳在操作时与其它物体接触并有相对运动，产生摩擦。在机械的、物理的和化学的作用下，钢丝绳的表面不断磨损。磨损是钢丝绳常见的损伤方式，一般分为外部磨损、变形磨损和内部磨损三种情况。图1所示为单丝磨损的几种断面形状。
磨损钢丝的典型断面形状
a) 外部均匀磨损 b) 变形磨损 c) 内部磨损 2.1.1外部磨损
钢丝绳在使用过程中其外周与滑轮槽、卷筒壁、钩头等物体表面接触而引起的磨损属于外部磨损。在外部磨损后绳径将变细，外周表面的细钢丝被磨平。钢丝绳的外部磨损使承受载荷的钢丝截面积减小，钢丝绳的破断载荷也相应降低。通过试验得到单周磨损较全周磨损更恶劣，所以应尽可能使单周磨损的钢丝改为全周均匀磨损。
2.1.2变形磨损
由于振动、碰撞造成的钢丝绳表面撞损，叫做变形磨损，这是一种局部磨损现象。如卷筒表面的钢丝绳受到其它物体的撞击，起重机起升钢丝绳相互打缠，或者由于滑轮与卷筒中心偏斜而产生的咬绳现象，都会使钢丝绳产生变形磨损。如把磨损后的表面细钢丝剖开，变形磨损和外部磨损的区别如图1所示。这种变形磨损因局部挤压而变形，其钢丝横断面在挤压处向两旁伸展成翅形。从外表看，钢丝宽度扩展，虽钢丝绳截面积减小不多，但局部挤压处的钢丝表面材质硬化了，极易断丝。
2.1.3内部磨损
在使用过程中，钢丝绳经过卷筒或滑轮时所承受的全部负荷压在钢丝绳的一侧，各根细钢丝的曲率半径不可能完全相同。同时，由于钢丝绳的弯曲，钢丝绳内部各根细钢丝就会相互产生作用力并且产生滑移，这时股与股之间接触应力增大，使相邻股间的钢丝产生局部压痕深凹。当反复循环拉伸弯曲时，在深凹处则产生应力集中而被折断，构成了内部磨损。通常细钢丝表面的压力与钢丝绳的压力成正比，在张力相同情况下，由于受压面积不同，单位面积承受的压力也不同。从表面受压磨损来看，采用线接触钢丝绳比采用点接触钢丝绳有利，采用面接触钢丝绳比采用线接触钢丝绳更有利。此外，钢丝绳的弯曲程度、运动速度，对钢丝绳的内部磨损均有影响。很明显，选择线接触或者面接触类型的钢丝绳是减少内部磨损的有效途径。
2.2疲劳
钢丝绳在使用过程中主要承受弯曲疲劳和拉伸、扭曲、振动引起的疲劳。
2.2.1弯曲疲劳
钢丝绳重复通过滑轮或卷筒中挠上挠下，无数次的弯曲，容易使钢丝产生疲劳，韧性下降，终导致断丝。而疲劳断丝出现在股的弯曲程度厉害的一侧外层钢丝上。通常情况下，疲劳断丝的出现意味着钢丝绳已经接近使用后期。
试验表明，钢丝绳的弯曲疲劳寿命与D/d比值(即卷筒直径D与钢丝绳直径d的比值)、安全系数和钢丝绳结构均有密切的关系。
2.2.2拉伸、扭曲和振动引起的疲劳
起重机钢丝绳在起动和制动的始末，捆扎钢丝绳在承受载荷的前后，变化的拉伸应力会引起金属疲劳。此外，钢丝绳经常受到扭曲和振动也是产生疲劳的原因。
疲劳损伤的原理是在变应力的作用下，细钢丝表面首先由于各种滑移形成初始裂纹，然后裂纹在切应力的作用下反复塑性变形，使裂纹扩展直至断裂。其疲劳引起的断丝一般断口平齐，多半出现在表层钢丝上，它们很有规律。
2.2.3防止钢丝绳疲劳损伤的途径
1)在条件许可的情况下，应尽可能使卷筒和滑轮的直径加大。
2)在安排滑轮布局时，应尽量避免使钢丝绳反向弯曲。试验数据表明，反向弯曲的破坏约为同向弯曲的2倍。
2.3锈蚀
钢丝绳一般在露天使用，日晒雨淋会使钢丝绳腐蚀，尤其是在有害气体与恶劣环境下使用的钢丝绳，腐蚀造成的损伤就更严重。因腐蚀而受损的钢丝绳表面存在氧亲和性的差异， 使表面的某一局部金属成为阳极，另一邻近的局部金属成为阴极，形成了大量的小电池。在小电池的作用下，表面便形成很多圆形腐蚀坑，并逐步加深。这些坑就成了应力集中点、疲劳裂纹的源泉。与此同时，腐蚀使钢丝绳的截面积减小、弹性和承受冲击的能力降低。
防止钢丝绳锈蚀损伤的方法有两种，一种是勤涂油，对于经常处于运动状态的钢丝绳涂油 是必不可少的。新钢丝绳麻芯一般含有12%～15%的油脂，而报废的钢丝绳在损耗大的部位仅含2.4%的油脂，在同一根钢丝绳的绳端，即使没有经过滑轮也仍含有12.7%～14.5% 的油脂。试验表明，涂油钢丝绳在试验后期发生的断丝约为不涂油的半数。一根钢丝绳初的含油量只能维持寿命的40%，其后如不加油则断丝急剧增加。二是对使用环境恶劣、相对运动较少的钢丝绳可选择镀锌、镀铝等特种钢丝绳。这些钢丝绳暴露在大气中的镀锌或镀铝表面会形成氢氧化锌和氢氧化铝薄膜，能有效地防止钢丝绳的腐蚀。
2.4变形
很多断绳事故是因为钢丝绳事先受到过变形损伤而没有引起人们的足够重现，结果酿成大祸。变形的主要原因有以下几种：
2.5外伤
在操作过程中，钢丝绳与其它设备不正常的接触容易造成外伤。明显的外伤是钢丝绳在滑轮里滑槽，在卷筒上跳出挡板，结果常常使几十米乃至数百米的钢丝绳因为局部轧坏而报废。
防止钢丝绳外伤的关键在于完善起重机设备。滑轮应设置可靠的防滑槽挡圈，挡圈与滑轮外圈的间隙不大于钢丝绳直径的1/5。卷筒上的钢丝绳不能松弛太多，以防绳圈跳出挡板在缠紧时轧坏。
2.6压溃
钢丝绳在卷筒上卷乱后容易产生压溃现象。钢丝绳在卷筒上卷乱时，相互倾轧，在操作时会发出“轧吱轧吱”的声响。由压溃造成的钢丝绳损伤会在局部迅速出现断丝与压扁的痕迹。
防止的措施是应按设计规范选择滑轮与卷筒的偏角，必要时可在起升机构中设置排绳器或者 压绳装置，防止钢丝绳出现卷乱现象。
2.7扭结
钢丝绳在局部扭曲后产生的变形叫做钢丝绳扭结。扭曲的方向与钢丝绳旋向一致的称为正扭结，反之称为负扭结。普通钢丝绳带有自转性，如果绳股的端部不加捆扎便施加张力，则绳股会向倒捻方向旋转，这是造成钢丝绳扭结的内在因素。钢丝绳在扭结后，经过多次起吊受载，也只有局部绳芯外露，一般没有断丝现象。但试验表明，钢丝绳在扭结损伤后强度将显著降低。正扭结的强度只有原强度的60%～80%，负扭结的强度还不到原强度的50%。严重时强度将降低到只有原来的10%～20%。
防止钢丝绳扭结可采取以下措施：
1)在重要的起重设备上选用不旋转钢丝绳。
2)在钢丝绳的自由端设置转子(也称防转装置)。
3)加强操作人员工作责任心，发现扭结迹象立即停止操作，释放还原。
2.8咬绳
钢丝绳咬绳损伤现象一般发生在多层卷绕的起重机卷筒上，有槽双层卷绕的起重卷筒更甚。
2.9过载
钢丝绳随着载荷的增加会有微量的伸长，当载荷过弹性极限时，钢丝绳就可能断裂。通常把钢丝绳承受的静载荷控制在破断载荷的1/10～1/5，叫作安全负荷。安全负荷表示的是钢 丝绳允许承受的额定静负荷。但钢丝绳实际上往往处于运动状态，钢丝绳在工作时除了要承受货物、吊物、自重等静载荷外，还要受到因加速度和冲击引起的动载荷，因弯曲引 起的附加载荷，因摩擦引起的阻力载荷等等。由此可见，当除了静载荷以外的其它载荷增多时，实际的安全系数就降低了，钢丝绳往往由此而引起过载。
因过载而破断的钢丝绳，其断口呈松散状，6股的钢丝绳断口位置大多数不在一起，绳芯外露，这是钢丝绳因过载而断裂的特征。过载的钢丝绳即使不发生断裂事故，也会大大地缩短 使用寿命。
2．钢丝绳无损检测结果的分析和评判 起重机用钢丝绳损伤多数为断丝、磨损、锈蚀、变形、压溃和咬绳。而对于断丝、磨损、锈蚀检测结果的分析和评判参见“提升钢丝绳无损检测”。下面着重介绍变形、压溃和咬绳无损检测结果的分析和评判。由上图2、3不难看出钢丝绳断丝曲线与变形曲线明显不同，首先断丝处LF幅值比信号幅值要高2倍以上，而变形处LF幅值与信号幅值相差不大一般为1.5~2.5，而且LMA呈波浪式变化。与断丝LMA波形变化截然不同。压溃和咬绳无损检测的曲线与变形和断丝波形曲线相近。需要结合人工检查来判断钢丝绳的损伤程度。
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