電磁無損檢測技術(shù)在鎧裝拖纜強(qiáng)度檢測中的應(yīng)用研究

胡勇軍 洪有財(cái) 陳小星

（第七一五研究所，杭州，310023）

拖曳式聲吶在現(xiàn)代反潛、資源勘探和海洋水文測量中應(yīng)用越來越廣泛，而拖曳系統(tǒng)中的拖纜對(duì)于拖曳安全有著至關(guān)重要的作用。隨著聲吶拖曳體的體積重量不斷增加，為了提高拖纜的強(qiáng)度并減小拖纜拖曳時(shí)的流體阻力，往往采用鋼絲鎧裝拖纜進(jìn)行大型聲吶拖曳體的拖曳。隨著鋼絲鎧裝拖纜的長時(shí)間使用，其磨損、疲勞和腐蝕等原因會(huì)導(dǎo)致拖纜的強(qiáng)度下降，在拖纜強(qiáng)度下降到一定程度時(shí)容易導(dǎo)致拖纜斷裂造成拖曳事故。為了保證拖曳聲吶的正常使用，需要通過定期的檢查和維護(hù)保證拖曳聲吶的可靠性，但在定期維護(hù)過程中，對(duì)鋼絲鎧裝拖纜的檢查和測定往往是一個(gè)難題。

傳統(tǒng)的鋼絲鎧裝拖纜檢查方法主要是采用人工目視、手摸、游標(biāo)卡尺測量、定期拉力試驗(yàn)等方法做出判斷估算，但采用此類方法可能存在很大的誤差，有一定的安全隱患，且效率低，人力成本高，因鎧裝拖纜問題導(dǎo)致的事故也時(shí)有發(fā)生。海洋環(huán)境中鋼絲鎧裝拖纜強(qiáng)度檢測問題，其本質(zhì)是將電磁檢測法用于鎧裝鋼絲，檢測其由于磨損、疲勞或銹蝕等原因?qū)е碌匿摻z截面積下降而引起的拖纜強(qiáng)度下降問題，對(duì)鎧裝鋼絲的剩余截面積進(jìn)行精確測量即可定量判定鋼絲鎧裝拖纜的剩余破斷力。近年來，利用磁通量測定鋼絲繩截面積的電磁無損檢測方法逐漸成熟，本文將此方法應(yīng)用于鋼絲鎧裝拖纜的強(qiáng)度檢測，利用電磁檢測法測定鎧裝電纜的剩余截面積，并通過拉力試驗(yàn)對(duì)所檢測的鎧裝電纜進(jìn)行了剩余破斷力試驗(yàn)，以期得到兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1 無損檢測原理

鋼絲繩無損檢測和評(píng)價(jià)是在不破壞鋼絲繩使用狀態(tài)的情況下，應(yīng)用一定的檢測技術(shù)和分析方法，對(duì)鋼絲繩的狀態(tài)特性加以測定，并按一定的準(zhǔn)則對(duì)其評(píng)價(jià)的過程[1]。根據(jù)檢測結(jié)果推測其剩余的使用壽命及報(bào)廢時(shí)間，在保證鋼絲繩安全運(yùn)行的前提下，減少鋼絲繩更換的盲目性[2]。

鋼絲繩無損檢測儀采用漏磁、磁通原理。檢測時(shí)，磁頭內(nèi)置的一組永磁鐵使鋼絲繩飽和磁化，隨后磁頭包裹著鋼絲繩相對(duì)勻速運(yùn)行進(jìn)行信號(hào)采集。鋼絲繩中的缺陷如磨損、銹蝕等造成的金屬橫截面積的變化會(huì)引起磁通量的變化，斷絲、蝕坑等局部損傷位置會(huì)有漏磁場產(chǎn)生，從而被霍爾傳感器捕捉?；魻栐墓ぷ髟肀磉_(dá)式為

式中，UH為霍爾電壓，由霍爾傳感器測得；RH為材料的霍爾系數(shù)；I為電流；B為材料的磁場強(qiáng)度；d為材料直徑[3]。經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)連接，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，處理后輸出為直觀的模擬信號(hào)，檢測原理示意圖如圖1 所示[4]。

圖1 無損檢測原理示意圖

1.1 局部缺陷

局部缺陷（Localized Faults，LF）主要是指鋼絲繩中的斷絲、鋼絲的蝕坑、較深的鋼絲磨損或其它鋼絲繩局部物理狀態(tài)的退化等。LF 型缺陷的特點(diǎn)是鋼絲繩的金屬斷面積突然減小，其常見形式是斷絲[4]。LF 型缺陷主要采用漏磁法檢測，它是斷絲檢測中廣泛應(yīng)用的檢測方法，它利用鋼絲的鐵磁特性，通過分析構(gòu)件周圍的漏磁場來間接推斷構(gòu)件的斷絲狀況[1]。如圖2 所示，軸向磁化鋼絲繩，使其處于穩(wěn)定的飽和磁化狀態(tài)，當(dāng)鋼絲繩表面或內(nèi)部存在局部斷絲缺陷時(shí)，將引起鋼絲繩局部磁場變化，在斷絲周圍會(huì)出現(xiàn)散漏磁場，鋼絲繩上裂紋內(nèi)的磁場強(qiáng)度Hi與故障的幾何形狀有關(guān)，如斷口深度T、寬度S、裂紋中材料的相對(duì)磁導(dǎo)率μ和勵(lì)磁強(qiáng)度Ha，即

圖2 漏磁法檢測原理

式中，F(xiàn)L為考慮裂紋及裂紋中的填充物后的綜合系數(shù)，檢測時(shí)Ha恒定，μ為常數(shù)[5]。通過磁敏感元件檢測漏磁場畸變信號(hào)輔以掃場圖譜，便可直觀反映出鋼絲繩的局部缺陷情況及其位置。通過記錄、分析傳感器輸出的電信號(hào)，測定鋼絲繩的局部損傷[6]。

1.2 金屬橫截面積損失缺陷

金屬橫截面積損失（Loss of Metallic crosssectional Area，LMA）缺陷是指鋼絲繩橫截面上金屬截面積總和減小的損傷，主要包括磨損和銹蝕等。通過儀器進(jìn)行檢測，并比較檢測點(diǎn)與鋼絲繩上最大金屬橫截面積的基準(zhǔn)點(diǎn)來測定[4]。LMA 型缺陷主要采用磁通法檢測，根據(jù)電磁理論，被測鋼絲繩中橫截面的磁通量為

采用電磁檢測法測定鋼絲繩的LMA 值要求被測定的鋼絲繩具有鐵磁性。一般的鋼絲鎧裝拖纜往往由最外層的鍍鋅高碳鋼絲、次外層的聚氨酯或橡膠護(hù)套及水密層、內(nèi)部的銅制導(dǎo)線以及包裹銅導(dǎo)線的聚氨酯絕緣層組成，極少量情況下存在鋁制屏蔽層等非鐵磁性物質(zhì)。通過對(duì)鋼絲鎧裝拖纜的組成分析發(fā)現(xiàn)，具有鐵磁性的材料只有鍍鋅高碳鋼絲，而這也是鋼絲鎧裝拖纜的主要承力構(gòu)件，是本文的主要研究對(duì)象。同時(shí)，鍍鋅高碳鋼絲在氧化腐蝕后形成無磁性的三氧化二鐵，造成鋼絲繩的LF 型缺陷和LMA 型缺陷，因此可以采用電磁無損檢測法對(duì)鋼絲鎧裝拖纜進(jìn)行檢測。

圖3 磁通法檢測原理

2 銹蝕鎧裝拖纜檢測

本次檢測采用BKT 系列鋼絲繩無損檢測儀，對(duì)鎧裝鋼絲拖纜進(jìn)行LF型和LMA型缺陷一體化檢測。試驗(yàn)采用新舊鋼絲鎧裝拖纜比對(duì)檢測法進(jìn)行，1#試驗(yàn)樣品為銹蝕鎧裝拖纜，長度為30 m；2#試驗(yàn)樣品為全新鎧裝拖纜，長度為1.5 m。將2#全新鎧裝拖纜測定的LMA 值作為標(biāo)準(zhǔn)值，測定1#銹蝕鎧裝拖纜的LMA 值后與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)，實(shí)際操作分別如圖4～5 所示。

圖4 LMA 值標(biāo)定

圖5 銹蝕鎧裝拖纜檢測

銹蝕鎧裝拖纜無損檢測結(jié)果如圖6 所示，檢測圖譜表現(xiàn)出了典型的銹蝕信號(hào)特征，說明該纜的損傷形式以銹蝕為主，根據(jù)對(duì)1#試驗(yàn)樣品的人工觀察也發(fā)現(xiàn)，整根樣纜表面都存在不同程度的銹蝕，但無明顯磨損情況，認(rèn)為樣纜金屬橫截面積損失基本由銹蝕造成。根據(jù)圖6 所示，由LF 信號(hào)表征的拖纜銹蝕嚴(yán)重程度位置與由LMA 信號(hào)表征的拖纜金屬橫截面積損失位置一一對(duì)應(yīng)，拖纜銹蝕最嚴(yán)重位置的LMA 最大值為24%。

圖6 無損檢測圖譜

3 銹蝕樣纜破斷力試驗(yàn)

為了找出LMA 值與破斷力之間的關(guān)系，在樣纜截面積損失輕微（樣纜1#）、中等（樣纜2#）、嚴(yán)重（樣纜3#）的部位截取3 段樣纜進(jìn)行破斷力試驗(yàn)。根據(jù)無損檢測結(jié)果，分別以7.6 m、18.9 m 和14.7 m 為中心，左右均延伸1.4 m 截取破斷力試驗(yàn)樣纜，如圖7 所示。將銹蝕的樣纜纜端進(jìn)行澆鑄，進(jìn)行破斷力試驗(yàn)，試驗(yàn)樣纜1（LMA=10%）的破斷力為222.0 kN，試驗(yàn)樣纜2（LMA=13.6%）的破斷力為166.6 kN，試驗(yàn)樣纜3（LMA=24.0%）的破斷力為129.2 kN，破斷力試驗(yàn)后樣纜如圖8 所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖9 所示。

圖7 破斷力樣纜選取

圖8 破斷力試驗(yàn)后樣纜

圖9 破斷力試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)果分析

3 段破斷力試驗(yàn)樣纜的LMA 值和破斷力損失率之間的關(guān)系如表1 和圖10 所示，全新拖纜破斷力標(biāo)準(zhǔn)值取平均值為265.18 kN。從圖中可以看出，LMA 值與破斷力損失率之間并不一致，但存在一定的正比關(guān)系，10%的LMA 值可造成16%的破斷力損失，但24%的LMA值造成51%的破斷力損失。

表1 無損檢測與破斷力試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)

圖10 LMA 值與破斷力損失率關(guān)系圖

LMA 值與破斷力損失率不一致原因主要有：

（1）銹蝕鎧裝拖纜破斷力下降除了銹蝕原因外，使用過程中的疲勞損傷或金屬材質(zhì)性能發(fā)生改變（如氫脆）也會(huì)引起破斷力下降，但不會(huì)引起金屬橫截面積損失，測得的LMA 值無法體現(xiàn)疲勞引起的非斷絲損傷與金屬材質(zhì)性能改變帶來的力學(xué)性能下降；

（2）試驗(yàn)的銹蝕鎧裝拖纜外部鋼絲采用的是雙層反向螺旋結(jié)構(gòu)，銹蝕后鋼絲尺寸發(fā)生變化，會(huì)影響到鋼絲局部拉伸、扭轉(zhuǎn)、剪切力的應(yīng)力集中，從而影響拖纜的破斷力；

（3）LMA 值標(biāo)定存在一定的誤差；

（4）檢測時(shí)銹蝕鎧裝拖纜相對(duì)傳感器的徑向晃動(dòng)、外界的電磁干擾等，會(huì)對(duì)檢測信號(hào)造成較大影響[5]。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)銹蝕鎧裝拖纜進(jìn)行電磁無損檢測和破斷力試驗(yàn)，結(jié)果表明通過電磁無損檢測技術(shù)可以對(duì)鎧裝拖纜的剩余破斷力進(jìn)行初步評(píng)估，但破斷力的下降并不與截面積損失成簡單線性關(guān)系，僅僅通過三次樣段檢測試驗(yàn)無法得出鎧裝拖纜的破斷力損失率與LMA 值的定量關(guān)系，后續(xù)可通過積累銹蝕鎧裝拖纜的無損檢測數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)建模和有損試驗(yàn)驗(yàn)證，得出鎧裝拖纜的破斷力損失率與LMA 值的定量關(guān)系，從而對(duì)鎧裝拖纜的剩余強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。