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峰峰集团钢丝绳检测系统及钢丝绳安全管理创新研究 -张步勤 冀庆亚 赵焕章

 

摘  要:钢丝绳广泛应用于国民经济的多个重要领域,多年来钢丝绳在使用过程中始终存在安全隐患突出、经济性差、事故危害大等世界性难题。目前,国内煤炭系统还一直沿用人工检测方法进行钢丝绳安全管理,造成煤炭系统多年来提升运输事故不断,损失十分巨大。峰峰集团根据当前煤矿钢丝绳使用现状,结合自身实际和钢丝绳使用经验,引用先进的TCK.W弱磁检测技术对在用钢丝绳进行科学定量检测,并率先在国内煤炭系统建立钢丝绳在线实时监测系统,在钢丝绳科学、安全使用方面进行了富有成效的探索。

 

关键词:钢丝绳检测;在线监测;弱磁;安全管理

 

钢丝绳作为起重、运输、提升及承载等重大装备与重要设施中的主要组件,被广泛应用于矿山、冶金、建筑、水利、旅游、港口码头、交通运输、航空航天、石油钻探、军事工业等国民经济各个领域。在矿井提升运输设备中,钢丝绳的使用十分普遍。 

长期以来,由于复杂的结构、恶劣的使用环境和损伤的不可修复性(不可逆损伤),钢丝绳的使用和管理始终是煤炭企业设备管理的难点,甚至是"盲点"。钢丝绳也成为企业安全生产的重大隐患,多年来事故不断。峰峰集团是国有重点煤矿,也多次发生钢丝绳断绳事故,直接的设备损失和间接的经济损失巨大。 

从全国的情况来看,据《中国煤矿事故暨专家点评集》统计,从1949年到1995年,在全国发生的煤矿运输提升事故中,总计死亡19871人,占煤矿死亡总人数的15.06%,仅次于瓦斯和顶板事故,是煤炭系统第三大灾难事故。在此期间国有重点煤矿共发生一次死亡3人以上的运输提升事故91起,死亡421人。其中钢丝绳断绳事故34起,占37.36%,死亡193人,占45.84%,钢丝绳的安全使用也因此而备受关注。 

但是,与煤炭系统多年来钢丝绳事故频发形成鲜明对比的是,钢丝绳的使用与管理多年来始终在低水平、低层次上徘徊,造成煤矿等行业提升设备中钢丝绳安全使用问题依然十分严重。

 

1 加强技术创新,探索钢丝绳使用与科学管理之路

 

峰峰集团目前共运行各种类型的大型提升设备60余台,每年钢丝绳使用量约1240t,用绳成本约为1050万元。如何能够科学管理和使用钢丝绳一直是个难题。大家知道煤矿主、副井是煤矿生产的"咽喉"。钢丝绳是主、副井提升设备的一个重要组成部分,它直接关系到煤矿正常生产、人员生命安全及经济运转。为确保煤矿提升设备的安全运行,《煤矿安全规程》(以下简称《规程》)对提升用钢丝绳做了详细的规定。目前,国内许多掌握钢丝绳生产先进技术的企业,生产能力、技术水平逐步向国际化迈进,已具备生产高强度、高韧性、低松弛、捻制质量均匀钢丝绳的能力。这些国内企业生产的钢丝绳,其主要技术性能有:抗弯曲疲劳性能可以控制,且满足设计要求;钢丝绳结构伸长量、断面收缩率满足设计要求;整绳破断拉力满足标准规定的要求,且绳内各股绳之间捻制张力均匀;麻芯的含油量满足使用中润滑钢丝的要求;在制绳工艺过程中,绳径与丝径的配置科学化,钢丝绳的结构和绳径一旦确定,丝径的大小可精确到0.01mm;丝与丝之间、股与股之间的间隙控制数量化、钢丝的晶粒度要求标准化、麻芯的径向压缩率规范化;钢丝绳拆股做单丝力学性能检验,其钢丝的抗拉强度、反复弯曲值和扭转值,在满足标准规定的条件下,可均匀的控制在一定范围内等。 

然而,对钢丝绳使用和管理还延续着以矿井设计选型为主,按照惯例,除少数钢丝绳由于断丝、磨损等性能指标超出《规程》规定外,大部分采用定期更换钢丝绳的方法,尚不能根据矿井的生产情况、使用环境科学合理的选用和使用管理在用钢丝绳。更可怕的是这种方法由于检测手段的落后,无法掌握在用钢丝绳实际的损伤情况、疲劳程度,这就不可避免的存在着潜在的安全隐患和牺牲可用资源换安全。如何能做到根据矿井的生产情况、使用环境,科学的选用钢丝绳的型号、等级和防腐形式,做到既经济又安全呢?钢丝绳的内外部损伤使承受载荷的钢丝绳截面积减少与钢丝绳的破断力下降存在何种定量关系呢?能否在线检测出钢丝绳的实际承载能力,使我们能随时掌握在用钢丝绳的安全状况呢?这些问题如能够解决,那么就会为钢丝绳的选用提供依据,实现规范化、科学化使用和管理钢丝绳。峰峰集团公司在此方面作了如下探索。 

(1)科学可靠的检测技术和检测方法方面的探索。为解决钢丝绳的定量检测问题,峰峰集团公司对国内外钢丝绳检测技术应用情况进行了考察。从20世纪初,国际上的科技人员,就开始研制钢丝绳无损检测装置,到现在已将近100年的历史。20世纪60年代,我国也开始有人研制这种装置了。国际范围内,理论上探讨过的检测方法有:声学检测法、机械检测法、射线检测法、电流检测法、光学检测法、电涡流检测法、超声波检测法、振动检测法、声发射检测法、磁检测法。目前,只有磁检测法在检测钢丝绳缺陷方面得到了较为广泛的应用。而现有的钢丝绳探伤仪是基于磁检测原理的2项技术:强磁检测技术和弱磁检测技术。强磁检测技术曾经得到很广泛的应用,但100年来,强磁检测技术没有明显的技术突破,相应的产品也不能完全适应工业场合的要求。传统强磁检测方法有:LF漏磁通法、LMA/LF主磁通法和LMA/LF回路磁通法,相应的检测元件有感应线圈、霍尔元件、磁通门等。这些检测方法所共有的缺陷是磁灵敏度较低(大约为12mV/mA·T)、温漂大、制成的传感器电路结构复杂且不可靠、运算过程中存在系统误差、受检测速度影响等不足。 

21世纪初,弱磁检测技术有了突破性的发展,基于弱磁检测技术的新仪器也进一步完善,替代传统的强磁检测技术已成为不可避免的趋势。 

峰峰集团公司注意到了国内自主创新、在全球范围内唯一采用弱磁检测方法的TCK.W钢丝绳检测技术。该技术是TCK.W钢丝绳检测技术有限公司研发人员在全球钢丝绳检测领域实现的一项重大突破,在理论上通过研究损伤场强和各项磁场矢量变量其和差关系,建立了其与钢丝绳损伤面积△S之间的数学模型,通过监测围绕钢丝绳出现主漏磁场Hz、局部漏磁场Hi(即:内外断丝造成的局部漏磁场Hd、内外磨损造成的漏磁场Hm、内外锈蚀所产生的局部漏磁场Hx及断面变小、钢丝焊点等所产生的其它漏磁场Hq等)以确定钢丝绳内部和表面缺陷,并通过实验得到了证明。如图1所示:在钢丝绳周围取一个环节,检测环带面积上的磁通密度或磁场强度,即可判定损伤面积△S。

B=μH

其中:μ——导磁率

在空气和真空中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

 

在环带上组装m个传感器,形成一种模式识别型的环形传感器,不但能识别某点场强的物理量,且可以识别钢丝绳损伤点所处的空间位置。钢丝绳损伤点的面积△S变成了场强Hi的函数。

 

实验证明,完全正确。运算速度也非常之快。这个数学模型的建立对断丝之类的缺陷已经完全满足了。对于锈蚀、磨损、疲劳、变形等在捻距中也能被测出。这项新技术实现了钢丝绳各种损伤的定量检测,解决了钢丝绳量化检测的难题。

 

(2)结合长期的物理试验方法,对钢丝绳直径减少率与破断力降低率关系进行了深入探索。众所周知,钢丝绳的内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。通过对大量新旧钢丝绳物理破断力试验数据分析,得到钢丝绳直径减小率与破断载荷降低率的关系曲线如下图所示。

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图2:钢丝绳直径减小率与破断载荷降低率的关系曲线

 

(3)钢丝绳安全系数与钢丝绳使用寿命关系的探索。钢丝绳随着载荷的增加会有微量的伸长,当载荷超过弹性极限时,钢丝绳就可能断裂。通常,把钢丝绳承受的静载荷控制在安全负荷内。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。另外,《规程》第401条规定:提升装置使用的钢丝绳做定期检验时,安全系数有下列情况之一的,必须更换:①专为升降人员用的小于7;②升降人员和物料用的钢丝绳:升降人员时小于7;升降物料时小于6;③专为升降物料用和悬挂吊盘用的小于5。我们在实际应用中选择安全系数多大时为合理呢?比如,我们对一条升降人员的提升钢丝绳选择安全系数7.1合理还是10.1甚至更大合理呢?通过对一个具体提升装置提升钢丝绳安全系数与其使用寿命关系的研究,就会为我们科学合理的选用钢丝绳提供科学依据。

 

下图是试验得到安全系数与钢丝绳寿命的关系曲线。

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图3:安全系数与钢丝绳寿命关系

 

2   建立科学的管理系统

确保钢丝绳使用安全 通过长期对在用钢丝绳的使用管理和检测技术的探索,峰峰集团公司认识到建立一个科学的在用钢丝绳管理系统是十分必要的。于是,峰峰集团公司建立了以TCK.W弱磁检测技术为核心的矿山重大提升设备中钢丝绳安全使用管理系统。通过该系统可以实现对钢丝绳内外部磨损、断丝、锈蚀以及疲劳等损伤的检测,并通过MT/T970-2005法定的判定规则,对所检测的钢丝绳进行损伤程度分析和更换与否进行判定。

 

(1)实现在用钢丝绳的在线检测。目前,国内外绝大多数钢丝绳检测仪对钢丝绳的运行速度是有限制的,一般在0-8m/s。而这项弱磁检测技术不受钢丝绳运行速度的影响,为实现在线检测创造了条件。如图4所示:

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图4:钢丝绳检测装置

(2)建立钢丝绳安全使用管理系统。由于实现了钢丝绳的在线检测,峰峰集团公司采集了大量的现场在用钢丝绳工况数据,通过对工况数据的分析,以及通过无数次的物理试验和对钢丝绳的解体观测,峰峰集团公司建立了钢丝绳安全使用管理系统。该系统根据钢丝绳型号、制造商等信息对钢丝绳的外部磨损、内部磨损、外部锈蚀、内部锈蚀、外部断丝、内部断丝、压溃和疲劳程度等因素综合分析设定一个上限,把在线检测到的在用钢丝绳的损伤程度与该上限进行比较。小于上限的30%属轻度损伤,判定为继续使用;最大损伤量值在判定上限 30% 到 60% 的,属中度损伤,判定为加强保养;最大损伤量值在判定上限 60% 到 80% 的,属较重损伤,判定为加强监测;最大损伤量值在判定上限 80% 至判定上限间的,属严重损伤,判定为近期更换;最大损伤量值达到或超过判定上限的,属超限损伤,判定为停止使用。 

例如:下表是我们对一条6*37-36钢丝绳检测和系统分析实例 

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从上表我们可以看出,通过科学检测,可以杜绝人工检测的各种弊端,系统的建立为钢丝绳的科学管理奠定了基础。


结语

提升设备在用钢丝绳安全使用过程中更为重要的问题是对钢丝绳从出厂、使用、甚至报废过程的全程管理,而不仅仅是对钢丝绳进行安全检测,对钢丝绳的检测和在线监测仅仅是钢丝绳管理体系中的一个环节而已。如何处理检测结果,如何根据检测结果对钢丝绳的使用提出对策,即针对钢丝绳使用情况的评估诊断、日常维护、处置方案是钢丝绳管理的更为重要的研究方向。 

目前,根据峰峰集团对全国煤炭系统钢丝绳使用单位的调查研究,企业真正需要的不仅仅是损伤检测,更重要的是通过损伤的检测,告诉钢丝绳的使用者应该如何对钢丝绳进行保养维护,如何调整钢丝绳的使用方法,如何针对钢丝绳的损伤调整提升设备的运行状况,也就是得到钢丝绳使用的全程管理方案。针对以上问题,峰峰集团在钢丝绳在线检测和监测系统的基础上,正在进行钢丝绳数据库的建立,进而开发填补国内外空白、具有国际领先水平的钢丝绳全程管理系统,对钢丝绳进行从购买、存储、转运、使用、检测、维护到更换的全过程系统管理。

 

作者简介:张步勤(1962),男,汉族,机电高级工程师,学士学位,1984年8月毕业于山西矿业学院,现任峰峰集团煤炭生产部副部长、从事机电管理工作。


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