無損檢測(cè)技術(shù)在起重機(jī)械安全檢驗(yàn)中的應(yīng)用

趙有魁

（甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，甘肅蘭州730030）

無損檢測(cè)技術(shù)在起重機(jī)械安全檢驗(yàn)中的應(yīng)用

趙有魁

（甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，甘肅蘭州730030）

起重機(jī)械是《中華人民共和國(guó)特種設(shè)備安全法》法定的特種設(shè)備之一。強(qiáng)化起重機(jī)械安全檢驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)起重機(jī)械本質(zhì)安全、預(yù)防事故發(fā)生的有效手段。無損檢測(cè)是提高起重機(jī)械安全檢驗(yàn)質(zhì)量的重要手段，可在制造、安裝、維修等各個(gè)環(huán)節(jié)應(yīng)用。主要探析無損檢測(cè)技術(shù)在起重機(jī)械安全檢驗(yàn)中的應(yīng)用。

起重機(jī)械；無損檢測(cè)；檢測(cè)方法應(yīng)用

0 前言

起重機(jī)械是指用于垂直升降或者垂直升降并水平移動(dòng)重物的機(jī)電設(shè)備，在現(xiàn)代化工業(yè)大生產(chǎn)中起著十分重要的作用。為了加強(qiáng)起重機(jī)械安全工作，預(yù)防事故，保障人身和財(cái)產(chǎn)安全，2014年1月1日起施行的《中華人民共和國(guó)特種設(shè)備安全法》對(duì)起重機(jī)械從生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、使用、檢驗(yàn)檢測(cè)、監(jiān)督管理等各個(gè)方面的安全責(zé)任進(jìn)行了法律規(guī)定。強(qiáng)化起重機(jī)械安全檢驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)起重機(jī)械本質(zhì)安全、預(yù)防事故發(fā)生的有效手段。近年來，隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，無損檢測(cè)在起重機(jī)械的制造和安全檢驗(yàn)中發(fā)揮著越來越重要的作用，無損檢測(cè)已成為檢驗(yàn)在用起重機(jī)械的重要手段，為科學(xué)監(jiān)管起重設(shè)備提供了有效的技術(shù)支撐。

1 起重機(jī)械應(yīng)用無損檢測(cè)技術(shù)的必要性

無損檢測(cè)是指在不損害被檢測(cè)對(duì)象使用性能的前提下，采用射線、超聲、電磁、聲學(xué)等原理并結(jié)合儀器對(duì)材料、零部件進(jìn)行缺陷和其他物理化學(xué)參數(shù)檢測(cè)的技術(shù)。應(yīng)用于起重機(jī)械的無損檢測(cè)技術(shù)主要有射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)、渦流檢測(cè)和聲發(fā)射檢測(cè)等。

起重機(jī)械的主要零部件如吊鉤、鋼絲繩、滑輪、卷筒和制動(dòng)器等，以及金屬結(jié)構(gòu)本體和焊縫，均不允許存在裂紋和永久變形等缺陷，這些零部件在使用過程中，經(jīng)常承受巨大的交變應(yīng)力和沖擊載荷，很容易使材料本身的內(nèi)部缺陷或加工過程中因加工工藝產(chǎn)生的缺陷擴(kuò)大，形成危險(xiǎn)性裂紋。如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些缺陷，就可能導(dǎo)致重要零部件或結(jié)構(gòu)件突然開裂或斷裂，從而引發(fā)重大安全事故。應(yīng)用無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)在用起重機(jī)械設(shè)備的關(guān)鍵零部件和重要焊縫進(jìn)行安全檢測(cè)，及早發(fā)現(xiàn)故障隱患，及時(shí)進(jìn)行處理，可以防患于未然。

2 起重機(jī)械檢驗(yàn)檢測(cè)時(shí)常用的無損檢測(cè)方法

2.1 射線檢測(cè)

X射線能夠穿透可見光不能穿透的物體，并且在穿透物體的同時(shí)可以使原子發(fā)生電離，產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)。因此如果工件局部存在缺陷，會(huì)引起透射射線強(qiáng)度的變化，這時(shí)，利用膠片感光來檢測(cè)透射線強(qiáng)度，就可以判斷工件中是否存在缺陷以及確定缺陷的位置和大小。

射線檢測(cè)一般應(yīng)用于起重機(jī)械受拉結(jié)構(gòu)件焊接接頭內(nèi)部缺陷的檢測(cè)。起重機(jī)械與鍋爐、壓力容器等承壓設(shè)備相比，壁厚較薄，采用常規(guī)X射線即可檢查起重機(jī)械的焊接質(zhì)量。射線檢測(cè)的對(duì)象主要是厚度均勻、形狀較規(guī)則的鋼板或鋼管制工件的連接焊縫，如吊鉤鉤片及懸掛夾板的焊縫、橋式和門式起重機(jī)主梁翼緣板和腹板的角接焊縫、主梁上下蓋板和腹板的對(duì)接焊縫、橋架的組裝焊縫以及塔式起重機(jī)中主要結(jié)構(gòu)件的對(duì)接焊縫等。射線檢測(cè)具有影像清晰和可以永久保存的特點(diǎn)，因此應(yīng)用較多，如圖1、圖2所示。

圖1 射線檢測(cè)原理

2.2 超聲波檢測(cè)

超聲波是頻率高于20000Hz的機(jī)械波，其中超聲探傷常用的頻率為1～5 MHz。超聲波因具有方向性好，能量高，穿透能力強(qiáng)，遇界面產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)常被用來進(jìn)行探傷。

超聲波一般用于檢測(cè)起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)和焊接接頭內(nèi)部缺陷。如檢測(cè)鍛造吊鉤內(nèi)部的裂紋、夾雜等缺陷，起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的焊縫缺陷及高強(qiáng)度螺栓的內(nèi)部缺陷等。超聲波探傷的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)靈敏度高、速度快、成本低、對(duì)人體無害，同時(shí)能對(duì)缺陷進(jìn)行定位和定量；缺點(diǎn)是對(duì)缺陷的顯示不直觀，探傷結(jié)果容易受主觀因素影響，適合于厚度較大的零部件檢測(cè)，如圖3所示。

圖2 金屬結(jié)構(gòu)對(duì)接焊縫X射線底片

圖3 檢測(cè)人員在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的焊縫進(jìn)行超聲檢測(cè)

2.3 磁粉檢測(cè)

鐵磁性工件被磁化后，在工件表面有缺陷處會(huì)形成漏磁場(chǎng)，然后利用漏磁場(chǎng)吸附磁粉形成磁痕的原理，可以觀察缺陷的位置、大小及形狀。磁粉檢測(cè)有以下特點(diǎn)：（1）可檢測(cè)出鐵磁性材料表面和近表面（一般小于3 mm）開口和不開口的缺陷；（2）能直觀地顯示出缺陷的位置、大小和形狀；（3）檢測(cè)靈敏度高，可檢測(cè)微米級(jí)寬度的缺陷；（4）檢測(cè)成本低、速度快。因此磁粉檢測(cè)特別適合于起重機(jī)械鑄件、鍛件、焊縫和機(jī)械加工件的表面及近表面缺陷檢測(cè)。圖4為檢測(cè)人員用磁粉檢測(cè)鋼板對(duì)接焊縫。

2.4 滲透檢測(cè)

滲透檢測(cè)是一種以毛細(xì)作用原理為基礎(chǔ)的檢查表面開口缺陷的無損檢測(cè)方法?？梢詸z測(cè)金屬材料和非金屬材料的表面裂紋、疏松、夾渣等缺陷。這些細(xì)微的表面開口缺陷，直接目視檢查難以發(fā)現(xiàn)。滲透檢測(cè)不受被檢工件物理性能和化學(xué)成分的限制，可以檢查磁性材料和非磁性材料、金屬材料和非金屬材料。由于不用水電，滲透檢測(cè)特別適合于野外現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。滲透檢測(cè)不受工件幾何形狀和缺陷方向的影響，但檢測(cè)速度慢，因使用的檢測(cè)劑為化學(xué)試劑，對(duì)人體的健康和環(huán)境有較大影響，如圖5所示。

圖4 檢測(cè)人員在現(xiàn)場(chǎng)用磁粉檢測(cè)鋼板對(duì)接焊縫

圖5 滲透檢測(cè)軸類零件的表面裂紋缺陷

2.5 渦流檢測(cè)

渦流檢測(cè)原理如圖6所示，將通有交流電的線圈置于待測(cè)的金屬板上方，這時(shí)線圈內(nèi)及其附近將產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，使試件中產(chǎn)生呈旋渦狀的感應(yīng)交變電流，這就是渦流。渦流的分布和大小除與線圈的形狀和尺寸、電流的大小和頻率有關(guān)外，還取決于試件的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、形狀尺寸、以及試件表面有無裂紋缺陷等。

圖6 渦流檢測(cè)原理

渦流檢測(cè)的原理就是用激磁線圈使導(dǎo)電構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生渦電流，借助探測(cè)線圈測(cè)定渦電流的變化量，從而獲得構(gòu)件缺陷的有關(guān)信息。但由于渦流是交變電流，具有集膚效應(yīng)，因此檢測(cè)到的信息僅能反映試件表面或近表面處的情況。

渦流檢測(cè)時(shí)線圈無需與被測(cè)工件直接接觸，可以進(jìn)行高速檢測(cè)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；適用于管材、線材、棒材等工件的檢測(cè)；缺點(diǎn)是只能檢測(cè)導(dǎo)電材料的表面和近表面缺陷，缺陷顯示不直觀。

鋼絲繩檢測(cè)儀就是采用渦流檢測(cè)原理。檢測(cè)時(shí)，先用一組永磁鐵使鋼絲繩磁飽和。然后，磁頭包裹著鋼絲繩相對(duì)勻速運(yùn)行。鋼絲繩中的任何缺陷如斷絲、磨損、銹蝕等都會(huì)引起漏磁量和磁通量的變化，從而被霍爾傳感器捕捉，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，輸出直觀的模擬信號(hào)。

2.6 聲發(fā)射檢測(cè)

材料在應(yīng)力作用下的變形與裂紋擴(kuò)展是結(jié)構(gòu)失效的重要機(jī)制。材料中局部區(qū)域應(yīng)力集中，進(jìn)而快速釋放能量并產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射，也稱為應(yīng)力波發(fā)射。聲發(fā)射技術(shù)是1950年由德國(guó)人凱撒（Kaiser）開始研究的，20世紀(jì)60年代初，美國(guó)人格林（Green）等人開始了聲發(fā)射技術(shù)在無損檢測(cè)領(lǐng)域方面的研究，從此獲得迅速發(fā)展。

聲發(fā)射檢測(cè)就是通過接收和分析材料的聲發(fā)射信號(hào)來評(píng)定材料性能或結(jié)構(gòu)完整性的無損檢測(cè)方法。材料的塑性變形、應(yīng)力腐蝕、裂紋形成以及擴(kuò)展的過程都會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象。檢測(cè)到聲發(fā)射信號(hào)，就可以連續(xù)監(jiān)視材料內(nèi)部變化的整個(gè)過程，因此，聲發(fā)射檢測(cè)是一種動(dòng)態(tài)無損檢測(cè)方法。

聲發(fā)射檢測(cè)如圖7、圖8所示。聲發(fā)射檢測(cè)的特點(diǎn)為：（1）聲發(fā)射檢測(cè)儀器探測(cè)到的能量來自被測(cè)試物體本身，而不像超聲或射線那樣由無損檢測(cè)儀器提供；（2）可顯示或提供工件缺陷隨載荷、時(shí)間、溫度等外變量變化而變化的實(shí)時(shí)信息，因此特別適用于大型起重機(jī)械作業(yè)過程的在線監(jiān)控和安全性評(píng)估；（3）聲發(fā)射檢測(cè)對(duì)線性缺陷較為敏感，能探測(cè)到在外加應(yīng)力下這些缺陷的活動(dòng)情況，穩(wěn)定的缺陷不產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)；（4）由于不要求接近被檢工件，因此特別適合于危險(xiǎn)環(huán)境下的檢測(cè)，如高低溫、核輻射、易燃、易爆及有毒等環(huán)境。

在起重機(jī)安全性能的檢測(cè)過程中，除上述幾種無損檢測(cè)方法外，還有目視檢測(cè)和振動(dòng)測(cè)試用于對(duì)起重機(jī)各部件和金屬結(jié)構(gòu)整體性能的測(cè)試。

2.7 目視檢測(cè)

目視檢測(cè)也是一種常用的無損檢測(cè)方法，用于觀察零部件、設(shè)備和金屬結(jié)構(gòu)等的表面狀態(tài)，主要檢測(cè)內(nèi)容有：

圖7 聲發(fā)射檢測(cè)原理

圖8 聲發(fā)射檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

（1）機(jī)械部分。

主要有金屬結(jié)構(gòu)和主要零部件的幾何尺寸測(cè)量、表面質(zhì)量檢查、安全保護(hù)裝置試驗(yàn)和載荷試驗(yàn)等。

（2）電氣部分。

主要檢查電控裝置、饋電設(shè)備、各種電氣元件、聯(lián)鎖保護(hù)、緊急斷電開關(guān)等安全保護(hù)裝置是否安全可靠。檢驗(yàn)方法主要采用電工工具測(cè)量和機(jī)構(gòu)試運(yùn)行等。

（3）動(dòng)剛度測(cè)試。

動(dòng)剛度就是起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)在動(dòng)載荷下抵抗變形的能力。起重機(jī)在起吊、卸載以及起制動(dòng)過程中，均會(huì)引起沖擊載荷，使起重機(jī)產(chǎn)生一定的振幅和振動(dòng)頻率，影響起重機(jī)司機(jī)的心理狀態(tài)和正常作業(yè)。所以，起重機(jī)在設(shè)計(jì)階段應(yīng)依據(jù)其使用的工作條件對(duì)動(dòng)剛度加以控制。

靜剛度一般用結(jié)構(gòu)在靜載荷產(chǎn)生的變形大小來衡量，動(dòng)剛度則是用結(jié)構(gòu)的自振頻率來衡量。標(biāo)準(zhǔn)要求：對(duì)于橋門式起重機(jī)，當(dāng)小車位于跨中時(shí)的滿載自振頻率要求f≥2 Hz。實(shí)際測(cè)試時(shí)，小車開到跨中位置，在主梁跨中處任選一點(diǎn)作為檢測(cè)點(diǎn)，把應(yīng)變片貼在檢測(cè)點(diǎn)上，接上引線，然后起升額定載荷至一定高度，待穩(wěn)定后全速下降，快接近地面處緊急制動(dòng)，從示波器記錄的曲線上求出其頻率，即為起重機(jī)的動(dòng)剛度。

3 結(jié)論

在起重機(jī)械安全檢驗(yàn)中，加強(qiáng)無損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，可以將以前只能定性分析的問題科學(xué)準(zhǔn)確地拿出定量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)問題的定性定量分析，提升了起重機(jī)械的檢驗(yàn)質(zhì)量。同時(shí)，檢測(cè)結(jié)果可以為起重機(jī)械管理者提供有力的科學(xué)依據(jù)。無損檢測(cè)這一現(xiàn)代技術(shù)手段在起重機(jī)械安全檢驗(yàn)中的廣泛應(yīng)用，必將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益、安全效益和社會(huì)效益。

[1]JB/T 10559-2006，起重機(jī)械無損檢測(cè)鋼焊縫超聲檢測(cè)[S].

[2]GB3811-2008，起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]TSG Q7015-2008，起重機(jī)械定期檢驗(yàn)規(guī)則[S].

[4]TSG Q7016-2008，起重機(jī)械安裝改造重大維修監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)則[S].

[5]NB/T 47013-2015，承壓設(shè)備無損檢測(cè)[S].

[6]吳彥，沈功田，葛森.起重機(jī)械無損檢測(cè)技術(shù)[J].無損檢測(cè)，2006（7）：367-372.

[7]胡天明.超聲探[M].武漢：武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社，1994.

[8]張阿舟.振動(dòng)控制工程[M].北京：中國(guó)宇航出版社，1989.

[9]王福綿.起重機(jī)械技術(shù)檢驗(yàn)[M].北京：學(xué)苑出版社，2000.

Application of nondestructive testing technology in safety inspection of hoisting machinery

ZHAO Youkui
（Gansu Special Equipment Inspection and Research Institute，LanZhou 730030，China）

Hoisting machinery is one of the special equipments defined in the"Special equipment safety law of The People's Republic of China".Strengthening the safety inspection of hoisting machinery is an effective mean for realizing the safety of hoisting machinery and preventing accidents.Nondestructive testing is an important method to improve the quality of safety inspection of hoisting machinery.It could be used in the manufacture，installation，maintenance and other links.In this paper，the application of nondestructive testing technology in safety inspection of hoisting machinery is discussed and analyzed.

hoisting machinery；nondestructive testing；application of detection method

TG446

：A

1001-2303（2015）09-0059-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.12

2015-06-10

趙有魁（1977—），男，甘肅會(huì)寧人，學(xué)士，工程師，主要從事特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)及無損檢測(cè)工作。