鋼絲繩無損探傷系統(tǒng)在水閘工程中的應(yīng)用

孫嘉良，戚政雅

（1.太湖流域管理局蘇州管理局，江蘇 蘇州 215011；2.南通大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226019）

1 工程概況

望亭水利樞紐位于江蘇省蘇州市望亭鎮(zhèn)以西，望虞河與京杭大運(yùn)河交匯處，距望虞河入湖口2.2 km，是望虞河排泄太湖洪水及環(huán)太湖大堤重要口門的控制建筑物，對太湖流域防洪、排澇、引水及通航發(fā)揮著重要作用。該工程于1998年10月竣工驗(yàn)收。

望亭水利樞紐為2級(jí)水工建筑物，采用“上槽下洞”立交布置形式，平面上呈平行四邊形。望虞河管涵（下部）與運(yùn)河渡槽（上部）平面上呈60°斜交，渡槽作為京杭大運(yùn)河航道，管涵兩端連接望虞河，供排洪與引水。管涵為現(xiàn)澆箱形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共9孔，3孔一聯(lián)，涵洞每孔凈面積7.0 m×6.5 m（寬×高）；工作閘門及常用交通橋布置在上游管首，閘門為直升平板式鋼閘門，自重18.4 t；鋼絲繩為鍍鋅鋼絲繩，直徑20 mm；啟閉機(jī)為固定卷揚(yáng)式，啟閉力為2×200 kN。

工程自建成至2020年底，望亭水利樞紐累計(jì)排洪183.49億m3。自2002年起啟動(dòng)“引江濟(jì)太”調(diào)水方案，通過望亭水利樞紐向太湖引水147.75億m3。同時(shí)，工程8號(hào)和9號(hào)孔常年向望亭發(fā)電廠供水，年均供冷卻水約5億m3，累計(jì)向望亭電廠供水117.82億m3，有力保障了電廠正常運(yùn)行。

2 鋼絲繩探傷實(shí)踐

為保證工程長期穩(wěn)定安全運(yùn)行，望亭水利樞紐管理單位每年汛前和汛后開展定期檢查和維護(hù)工作，檢查對象包括閘室主體結(jié)構(gòu)、啟閉設(shè)施、電氣設(shè)備和閘門鋼絲繩等。其中，鋼絲繩作為閘門提升系統(tǒng)重要構(gòu)件之一，閘門啟閉時(shí)頻繁彎曲摩擦和長期受力，直接影響到工程運(yùn)行安全。為提高鋼絲繩檢查效率和可靠性，解決人工檢繩效率較低、易受人為因素影響（檢查人員僅靠自身經(jīng)驗(yàn)判斷）和無法有效檢驗(yàn)內(nèi)部損傷等問題，2014年，管理單位購買了鋼絲繩在線監(jiān)測評估系統(tǒng)、探傷儀及配套設(shè)備，采用電磁檢測技術(shù)對9孔閘門（每孔8段）的鋼絲繩進(jìn)行無損探傷，可檢驗(yàn)內(nèi)部損傷，智能診斷鋼絲繩缺陷，有效預(yù)防了鋼絲繩斷繩事故的發(fā)生。

3 探傷設(shè)備介紹

3.1 探傷系統(tǒng)構(gòu)成

該工程采用的鋼絲繩無損檢測設(shè)備主要包括傳感部件（磁傳感主機(jī)）、轉(zhuǎn)換裝置（實(shí)時(shí)報(bào)警器）、檢測系統(tǒng)及轉(zhuǎn)換信號(hào)線等。傳感部件為起重機(jī)械基礎(chǔ)式，使用前要將傳感部件、轉(zhuǎn)換裝置與計(jì)算機(jī)相連接。傳感部件與轉(zhuǎn)換裝置之前采用專用的雙層屏蔽信號(hào)傳輸線連接，一端插在實(shí)時(shí)報(bào)警器上，另一端多插頭端分別對應(yīng)地插在傳感主機(jī)上。電腦與實(shí)時(shí)報(bào)警器采用網(wǎng)線直聯(lián)連接。

3.2 檢測原理

傳感部件主要由高磁積能稀土釹鐵硼永久磁鋼組成，圓形環(huán)繞排列，可全面地覆蓋鋼絲繩檢查部分，當(dāng)磁鋼中的鋼絲繩在軸向移動(dòng)時(shí)，能快速磁化鋼絲繩；同時(shí)，在聚磁構(gòu)件中安裝有陣列式霍爾元件，當(dāng)檢查的鋼絲繩有局部損傷、金屬橫截面積變化等缺陷時(shí)，將產(chǎn)生漏磁場和磁通量的變化，這種變化作為輸出的信號(hào)量，被霍爾元件感應(yīng)接收后，通過高性能微處理器模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后將壓縮數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)。經(jīng)由專用檢測評估軟件實(shí)時(shí)解壓處理，以圖像和數(shù)值的形式，顯示出鋼絲繩內(nèi)外斷絲情況、金屬截面積變化的程度，并自動(dòng)形成有參考價(jià)值的診斷評估報(bào)告。

4 適用于水閘的鋼絲繩探傷方法

4.1 動(dòng)態(tài)檢測法介紹

為避免鋼絲繩探傷影響工程正常運(yùn)行，望亭水利樞紐管理單位結(jié)合工程實(shí)際情況，總結(jié)多年現(xiàn)場操作經(jīng)驗(yàn)，針對在役鋼絲繩的檢測改良形成了一種動(dòng)態(tài)檢測方法，即先將傳感器安裝在動(dòng)滑輪上方的鋼絲繩上，保持鋼絲繩不動(dòng)，工作人員在啟閉機(jī)房通過鋼絲繩出口下放尼龍繩，將繩的另一端與傳感器相連，工作人員手拉尼龍繩并保持小于0.4 m/s的速度勻速向上拉起傳感器的同時(shí)，開啟檢測軟件對鋼絲繩進(jìn)行檢測。

4.2 優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)的靜態(tài)檢測法（保持傳感器不動(dòng)，移動(dòng)鋼絲繩）和手扶傳感器法相比，動(dòng)態(tài)檢測法具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）不影響工程正常運(yùn)行，解決靜態(tài)檢測法中頻繁開關(guān)閘問題；2）保證了檢測人員的安全，避免手扶傳感器法中檢測人員高空作業(yè)時(shí)安全事故的發(fā)生；3）提高了鋼絲繩檢測效率，簡化檢測操作步驟，通常在實(shí)際檢測中操作一次即可獲得可靠數(shù)據(jù)。

4.3 抽檢區(qū)段的選擇

固定卷揚(yáng)式水閘在關(guān)閘狀態(tài)時(shí)，大部分鋼絲繩繞出卷筒與閘門豎直相連，此處的鋼絲繩易于檢查，并且與長期纏繞在卷筒上作為固定圈和安全圈的鋼絲繩相比較，豎直段鋼絲繩使用次數(shù)更多，遭受摩擦、彎曲、擠壓等更為頻繁，發(fā)生損傷和故障的概率更大，因此選擇此部分作為抽檢區(qū)段。

4.4 注意事項(xiàng)

檢測中需注意：1）工作人員在手拉尼龍繩時(shí)要保持勻速，速度宜小于0.4 m/s，以保證檢測數(shù)據(jù)成果的可靠性；2）在傳感器移動(dòng)過程中，應(yīng)注意避免拉扯傳感器、轉(zhuǎn)換器和電腦間的連接線，防止接線端松動(dòng)造成數(shù)據(jù)丟失；3）在探傷過程中，應(yīng)避免強(qiáng)磁靠近傳感器，防止影響設(shè)備磁場變化，造成檢查誤差。

5 成果及分析

望亭水利樞紐為實(shí)時(shí)掌握在役鋼絲繩的性能狀態(tài)，每年至少開展2次鋼絲繩探傷工作，使用電磁探傷系統(tǒng)檢查9孔閘門鋼絲繩的局部損傷情況（斷絲數(shù)量）與截面積損失量。選取其中一段長度為8.60 m的鋼絲繩，對其檢測結(jié)果進(jìn)行分析。

5.1 局部損傷

在水工鋼絲繩的使用過程中，內(nèi)部和外部的磨損較為常見。內(nèi)部磨損是指鋼絲繩中的鋼絲變形不一致時(shí)，鋼絲之間發(fā)生相對位移，從而產(chǎn)生的磨損；外部磨損指鋼絲繩表面與閘門動(dòng)滑輪、啟閉機(jī)卷筒等接觸物體間的磨損。磨損將導(dǎo)致鋼絲繩的直徑減小，鋼絲磨損處產(chǎn)生微裂紋，在應(yīng)力的作用下，裂紋逐漸延伸，最終形成斷絲。檢測段的局部損傷評估圖見圖1。

圖1 局部損傷評估圖

從圖1可知，這段鋼絲繩的金屬斷絲共有5處，同一截面內(nèi)斷絲最多為1根，位置在2.167，2.236，3.212，4.132和4.201 m；在1個(gè)捻距內(nèi)斷絲最多為2根，位置在2.167，4.132 m。工程在役鋼絲繩為鋼芯單層股鋼絲繩，直徑20 mm，6×19結(jié)構(gòu)，根據(jù)現(xiàn)行《起重機(jī)鋼絲繩保養(yǎng)、維護(hù)、檢驗(yàn)和報(bào)廢》規(guī)范中6.2.4條，鋼絲繩在6倍直徑的范圍內(nèi)達(dá)到報(bào)廢程度的最少可見斷絲數(shù)為5個(gè)，得出結(jié)論：檢測段斷絲情況未達(dá)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)。

5.2 橫截面積損失

金屬截面積的變化可體現(xiàn)出鋼絲繩的磨損、銹蝕等問題，在未發(fā)生嚴(yán)重銹蝕時(shí)，可由金屬橫截面積來推算鋼絲繩的直徑變化。根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，鋼絲繩橫截面積損失與鋼絲繩直徑的縮小間的比值，一般不小于1.5倍。截面積變化評估圖見圖2。

圖2 截面積變化評估圖

由圖2可知，鋼絲繩金屬截面積損失最嚴(yán)重段發(fā)生在0～1.068 m之間，損失率為1.02 %，根據(jù)現(xiàn)行《起重機(jī)鋼絲繩保養(yǎng)、維護(hù)、檢驗(yàn)和報(bào)廢》規(guī)范中6.3.1條，鋼芯單層股鋼絲繩直徑的等值減少量報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)為不小于7.5%，得出結(jié)論：檢測段的直徑縮小量遠(yuǎn)未達(dá)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)。需要注意的是，如果鋼絲繩存在嚴(yán)重銹蝕，鋼絲繩橫截面積可能增加，將不能反映鋼絲繩真實(shí)情況。

5.3 綜合判斷

在鋼絲繩檢查中，除了使用探傷儀檢查斷絲數(shù)量與截面積損失量外，還需人工對鋼絲繩的外形進(jìn)行檢查，檢查鋼絲繩有無形狀畸變、腐蝕和其他損傷，綜合判斷鋼絲繩是否符合現(xiàn)行規(guī)范。若發(fā)現(xiàn)鋼絲繩有折彎、扭結(jié)、波浪形畸形和局部扁平等問題，應(yīng)立即采取應(yīng)對措施，及時(shí)更換已達(dá)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)的鋼絲繩，對未達(dá)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)但有一定畸形和損傷的鋼絲繩，如需繼續(xù)使用要增加檢查頻次。

6 結(jié)語

通過對在役鋼絲繩的探傷，一方面可保證鋼絲繩滿足使用要求，確保工程運(yùn)行安全；另一方面可避免鋼絲繩在可繼續(xù)使用的情況下過早報(bào)廢，增加不必要的采購支出，造成資源浪費(fèi)。目前，鋼絲繩無損探傷技術(shù)逐漸趨于成熟，從望亭水利樞紐管理單位多年的探傷實(shí)踐來看，電磁探傷設(shè)備操作便捷、檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、探傷結(jié)果可靠。水閘管理單位應(yīng)高度重視鋼絲繩檢查工作，使用先進(jìn)的探傷設(shè)備，科學(xué)開展鋼絲繩無損探傷，及時(shí)分析在役鋼絲繩性能狀況，杜絕鋼絲繩斷繩等重大事故的發(fā)生，確保水利工程能長期穩(wěn)定安全運(yùn)行，持續(xù)發(fā)揮防洪減災(zāi)、引水供水及航運(yùn)等綜合效益。