探索海上钢丝绳科学检测

摘要:本文通过重点解读南非矿山和索道钢丝绳在线检测,探索海上石油工程钢丝绳科学检测的方法,实现海上石油工程钢丝绳的科学管理。

Abstract: Based on the key interpretation of South Africa Mine and hoisting rope on-line detection, this paper explores the method of offshore oil project scientific testing wire rope, and realizes scientific management of wire rope offshore oil project.

关键词:解读;探索;钢丝绳;检测;经验;科学管理

Key words: interpretation;exploration;rope;detection;experience;scientific management

中图分类号:TH13文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)22-0105-02

1解读南非的经验

1.1 有关情况(先进)南非是一个科学比较发达、法律体系比较健全的国家,曾发射过六颗原子弹,诞生了十个诺贝尔奖金的获得者,现已成为中国在非洲的最大贸易伙伴。南非的矿山很多,索道也有,在安全管理上积累了丰富的经验。2004年9月,国家安全生产监督管理总局与南非相关方面合作,开始共同构建中国的金属非金属矿山的安全标准体系。

1.2 钢丝绳检测(方法)南非对钢丝绳的安全特别重视,世界上第一台电磁方法检测钢丝绳的仪器是南非于1906年发明的多年来,南非对钢丝绳的在线检测形成了一整套规范、科学、有效的体系。可惜的是,南非在用的钢丝绳检测仪还是传统的仪器,难以准确无误地应对无限不确定长、结构复杂的钢丝绳检测,所以他们不得不基于职业化精神,依靠检测人员的经验,人工对钢丝绳的缺陷进行再检测。正如南非AFS公司资深专家Sarel Mostert所说,钢丝绳检测中,仪器的有效性只占25%,其余的75%是利用人的水平、能力和经验。由此可见,南非在钢丝绳检测领域中,作为“软件”的机制是相当好的,值得借鉴的,作为“硬件”的仪器是不足的,需要品质提升的。可以说,职业化的人应用传统仪器也是能保证在役钢丝绳的安全,实现科学管理。

1.3 报废依据(标准)钢丝绳在应用中可发生的缺陷很多,国内外和各行业都分别制定的相应的报废标准,南非则是基于南非的现实,制定了检测人员可操作的标准。他们将钢丝绳各种各样的缺陷归纳为七条,十分细化地实现了定性、定量和定位。这七条是:断丝、金属截面积、锈蚀、绳径、长度、松股、弯曲,前两条是应用仪器检测、后五条是应用目视、尺量、手摸。这七条结果都量化的、可计算的,特别是对仪器检测的结果,将断丝量与金属截面积变化量综合一体,检测人员十分方便,其报废依据是:DF=+

Rw仪器显示或人工检测的钢丝绳断丝量的百分比值;Rpw依据不同行业标准规定的断丝的允许百分比值;Pw仪器显示或人工检测的钢丝绳金属截面积减少的百分比值;Rpd依据不同行业标准规定的金属截面积减少的允许百分比值;当DF≥1时则这根钢丝绳报废。由于钢丝绳的结构随着用户需求的提高和科学技术的不断进步已经越来越复杂;钢丝绳内部和外部缺陷的大小对钢丝绳整体强度来说是一致的;所以,至今尚无能够精确定量检测钢丝绳缺陷的仪器,于是不论起重机、电梯、索道、斜拉桥等行业,都还难以制定应用仪器检测钢丝绳的报废标准。处于过渡时期,南非将仪器检测和人工检测,并将断丝的局部缺陷(简称LF)和金属截面积变化缺陷(简称LMA)统一分析,这是十分科学的。

1.4 专业检测公司(应对)南非拥有14家专业从事钢丝绳在线检测的资质单位,使用的仪器绝大部分都是南非自行研究和制造的,也有个别的公司引进美国和德国的产品。从矿山到索道,根据不同行业规定的时间段,这些专业公司定点对用户的钢丝绳进行在线检测,并提出报告。例如金矿的提升钢丝绳是每个月检测一次,6000米左右的井深钢丝绳缺陷的发生率是比较高的,但由于检测间隔段比较密,检测人员的专业性强,金矿的机电人员就不必进行自行的人工检查了。索道钢丝绳的检测间隔时间为一年,电梯钢丝绳的检测间隔时间更长,这与钢丝绳使用环境和频率相吻合,科学地达到了防患于未然。南非的钢丝绳检测行业协会主要是会同研究单位、高等学校、矿山索道现场和钢丝绳制造厂制定和修订各项标准,值得借鉴的是许多具有丰富实践经验的钢丝绳检测的资深专家在这些标准制定中话语权很大,所以全部标准更现实、更科学。

1.5 对中国仪器的认定(发展)在实际应用中,南非的钢丝绳检测仪器确实比较麻烦,用纸带打印的结果难以建立良好的档案,所以他们对中国的MTC钢丝绳探伤仪采用由电脑直接采样和处理的虚拟仪器技术很有兴趣,但是经验的惯性要求MTC必须实地验证。用MTC/ON型仪检测了南非专家预设的钢丝绳芯的断丝,得到了他们认定。不过结果的显示方式与南非的标准不接轨,于是又推出了与美国国家仪器公司合作开发的MTC/NI型钢丝绳探伤仪,钢丝绳断丝和金属截面积变化全部以百分比显示。

2海上石油钢丝绳的重要性和应对难度

2.1 “命根子”钢丝绳是客运索道的“命根子”,是最重要的构成部件,它的质量和在线管理直接影响客运索道的安全运行、社会效益和经济效益。如果发生破断,轻者导致设备损坏,重者引起人员伤亡,这已经成为不争的共识。

2.2 标准规范2002年,中国海洋石油总公司就制定了Q/H4004-2002《海洋石油钢丝绳检验及检查要求》的标准,对检验资质、检查方法、报废标准等都进行了明确规定,可异的是并没有列上用仪器进行检测。

2.3 应对难度由于钢丝绳是无限不确定长,结构复杂的检测对象,近百年来科学家推出的在线探伤仪总有这样和那样不尽人意的瑕疵。目前国际上唯一制定标准并较好采用的美国ASTME1571-98《电磁方法检测铁磁性钢丝绳标准条例》中明确指出了检测仪器的局限性,即不可能区分出丝径很细的断丝,还不能实现定量。

2.4 现有各种探伤仪的问题钢丝绳在线检测的仪器从无到有的不断进步已有100年历史。目前进入中国市场的、来自欧美发达国家和国内研制的钢丝绳探伤仪品种很多,其中的传感器都采用永久磁钢励磁,然后应用漏磁和磁通原理,采集钢丝绳的缺陷信号,这是国际上公认的最佳方法。但是,这些仪器存在的第一个问题是几乎都没有直接应用计算机,将采样信号完全数字化,并对数字信号进行处理和分析,应对无限不确定长的结构多变的钢丝绳容易发生漏检和误判,第二个问题所有这些探伤仪标定和操作的技术难度大,普通人很难掌握,波形显示结果很难看明白,需要进行人工再计算。

2.5 无可奈何我国目前正在运营的300多条客运索道绝大部分不得不应用人工手摸、尺量、眼看的传统方法检查钢丝绳。没有先进的科学方法进行在线检测,常常导致事故的隐患难以及时发现,在索道管理中钢丝绳安全的对策最多只能做到应急预案,无法达到OHSAS18000职业安全健康标准要求的预警和预防目标。

3海上石油工程钢丝绳在线状态分析

3.1 缺陷生成研究表明,索道钢丝绳断绳事故主要是发生于材质缺陷和结构缺陷的累加。材质缺陷是指钢丝绳可预见的遭遇雨水、露水、冰雹、空气中的尘埃、雷击和机械运动、失效的影响,而对应发生腐蚀生锈和应力集中,引起断丝(LF);钢丝绳内部丝与丝之间在运动中的相互磨擦,外部丝与滑轮、滚筒、乃至地表的相互磨擦,从而发生磨损、变形、松股引起的金属截面积变化(LMA)。结构缺陷是指钢丝绳在刮风、地震等不可预见的外力作用下发生的各种变形、松股、跳丝等结构异化(SF)。

3.2 缺陷与强度材质缺陷和结构缺陷的发生在钢丝绳的使用中均有一个临界点,它们达到临界点的时间有差异,但当使用时间超过其临界点时,两种缺陷的恶化程度都加速发生,最后导致断绳。

3.3 统计分析美国研究人员对8000多个钢丝绳实验室和使用现场采样,并对各种信息资料进行统计分析,发现:①事故隐患:其中10%的钢丝绳强度损耗超过15%,存在潜在危险;②事故突发:其中2%的钢丝绳强度损耗超过30%,处于相当危险。由此推断,客运索道同样存在12%的事故隐患,所以应用科学方法在线检测索道钢丝绳,及时发现其中的各种缺陷,是从根本上避免断绳事故的有效方法。

3.4 现场对仪器的要求海上石油工程的现场条件比较恶劣,对钢丝绳的要求又特别高:首先是结果准确无漏检、无误判;满足承载固定和索引运动钢丝绳检测要求;传感器轻巧、结果报告直观、操作简单。

4基于虚拟仪器技术的钢丝绳探伤仪

随着计算机技术的飞速发展,以软件取代传统仪器的虚拟仪器技术的逐步形成,钢丝绳探伤找到了有效的解决路径。

4.1 深度磁化达到饱和当受测钢丝绳通过传感器时,传感器中的高磁积能、稀土钕铁硼、永久磁钢轴向、快速深度磁化钢丝绳并达到磁饱和。

4.2 信号采集数模转换钢丝绳中的断丝和锈蚀缺陷会产生向外泄露的漏磁场;环状聚磁器将空间分布的强弱漏磁信号聚集,均化并将其引导到周向等方位布置的多个霍尔元件列组合的检测回路中,定义为LF。钢丝绳中的锈蚀和磨损引起的金属截面积的变化使磁桥回路的平衡破坏,磁桥路的磁通量发生变化;由于霍尔元件置于磁桥路的平衡点,它能接受每一个磁能量微小变化的信号,定义为LMA。钢丝绳与传感器相对位移由等空间采样的光电编码器获取,定义为L。上述连续密集的LF、LMA和L信号通过数模转换,并压缩输入计算机。

4.3 数学模型分析处理所谓虚拟仪器就是以软件取代传统仪器,对传感器采集的信号进行分析处理,其中最关键的是必须建立有效的数学模型。钢丝绳电脑探伤仪软件设计的数据模型是建立在LF(断丝锈蚀等)、LMA(磨损、金属截面积变化、变形、松股等)和L(传感器通过钢丝绳的距离位置)的三维空间之中,根据理论计算,大量的实验室试验数据的统计和各种不同现场使用的样本筛选,从而取得最小离散率的实时处理模型。基于这一模型,对从新的受测钢丝绳内外部缺陷的数字信号进行反演计算,从而获得准确的钢丝绳中的全部缺陷的定性波形和定量数值。以中国人的思维模式建立的,最终检测报告可以明确告之,哪里断丝,断几根,哪是磨损、磨损多少,与标准规定一一对应,实现了定性定量定位的检测,避免了漏检和误判。

5胜利油田的钢丝绳科学检测

5.1 科学检测钢丝绳的初步尝试胜利油田历来十分重视安全生产,为了保证油田工程设备的钢丝绳安全,前几年我们技术检验中心就采购了某公司EMT型的钢丝绳检测仪,但是在实践的使用中发现了如下问题:①传感探头过重,携带和安置很不便;②对断丝测量不准;③缺陷位置显示的误差很大;④没有实时报警功能。

5.2 重新选定最好仪器通过反复的调研和多次的现场演示,我中心最新采购了由上海交大、清华大学、华中科技和煤科院、中科院、船舶七院的专家组建的某公司MTC型钢丝绳电脑探伤仪,经实践应用效果良好。

5.3 科学管理钢丝绳的设想根据中国海洋石油总公司Q/HS4004-2002《海洋石油钢丝绳检验及检查要求》标准规定海上石油生产设施、钻井平台、工程作业船舶使用的钢丝绳,均应由检验资质的第三方按规定检验,参照南非的经验,我技术检验中心为胜利油田的钢丝绳实现科学管理宜做好以下工作。①建立全部设备的档案;②对在役钢丝绳每三个月应用仪器进行抽样检测,抽样率为25%;③出具科学的检测报告交设备管理单位备案,若有问题,则整改;④逐步推进对Q/H4004-2002的标准进行修改;⑤最终达到钢丝绳的科学管理。

参考文献:

[1]南非标准SABS0293.矿井提升钢丝绳评估规范.南非国家标准,1996.

[2]吴鸿启,刘京本.客运架空索道安全技术[M].人民交通出版社 1996.

[3]陈伟华.用MTC钢丝绳检测技术诊断港口集装箱起重机上的钢丝绳[J].港口装卸,2006,(6).