港口鋼絲繩在線實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)

為了保障港口各類吊裝設(shè)備鋼絲繩安，科學(xué)延長鋼絲繩使用壽命， 基于磁無損探傷技術(shù)的TST港口鋼絲繩在線實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)能可靠、有、直觀的實(shí)時監(jiān)控鋼絲繩當(dāng)前損傷程度等面安狀態(tài)，降低企業(yè)生產(chǎn)用繩成本，避免潛在安事故發(fā)生并提升企業(yè)安管理工作率及水平。

關(guān)鍵詞：港口，岸橋，鋼絲繩安，TST鋼絲繩在線實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)

A Brief Introduction of TST Wire Rope Online Inspection System

 for Wire Ropes on Port

WANG  Xiaogang

（Engineering Technical Department,China LuoYang TST Flaw Detection Technology Co., LTD.,  Luoyang 471000,Henan,China）

Abstract: In order to insure the safety and extend the service life ofsteel wire ropes on port quay cranes, TST wire rope online inspection system provides a reliable, effective and visualized solution based on the electromagnetic (EM) sensor technology for the non-destructive test of wire ropes in real-time and full- time.The cost of wire ropes could be reducedand the safety hazards could be controlled by TST solution. Also the efficiency and the effectiveness of safety management are improved a lot by TST wire rope online inspection system.

Keywords: Port, Quay Crane, Steel Wire Rope, Safety, TST Online Inspection System.

、 研究目的

作為岸橋、龍門吊、門座起重機(jī)、卸船機(jī)、牽引機(jī)等港口吊裝設(shè)備的主要承載組件，當(dāng)前僅僅依靠人工目視開展的維護(hù)、檢測及更換依據(jù)等安管理工作嚴(yán)重缺乏科學(xué)性，造成不是安過度帶來大浪費(fèi)，就是盲目僥幸留下巨大潛在安風(fēng)險(xiǎn)，因此鋼絲繩的安使用也備受關(guān)注。長期以來，由于鋼絲繩探傷技術(shù)手段問題，導(dǎo)致鋼絲繩使用和管理始終存在五大“疾患”：

1. 安隱患 

鋼絲繩使用過程中，多發(fā)因強(qiáng)度損耗而導(dǎo)致的斷繩事故。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)不完調(diào)查統(tǒng)計(jì)，有12%的在用鋼絲繩處于“危險(xiǎn)或度危險(xiǎn)”狀態(tài)。

2. 經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)大 

定期更換鋼絲繩造成大浪費(fèi)。70%以上被強(qiáng)制更換的鋼絲繩“很少或基本上沒有強(qiáng)度損耗”，基本仍處于可繼續(xù)適用生產(chǎn)現(xiàn)場狀態(tài)。

3. 工作率低 

傳統(tǒng)的靠人工目視、手摸檢查方法，耗時、費(fèi)工、率低下。

4. 人為管理松 

人工檢測不可及，安管理不到位，許多重大事故隱患難以發(fā)現(xiàn)。

5. 社會危害重 

重大斷繩事故必然導(dǎo)致重大危害后果，重大生產(chǎn)安事故必然帶給企業(yè)和社會更大的危害。

利用鋼絲繩無損探傷域世界公認(rèn)的且科學(xué)可靠的TST磁技術(shù)徹底改觀解決上述問題即是本論文研究方向和目的。

二、 研究方法及手段

1.鋼絲繩運(yùn)行工況分析

論文以港口岸邊集裝箱起重機(jī)鋼絲繩（以下簡稱岸橋）為例進(jìn)行TST港口鋼絲繩在線實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)分析研究說明，通過對岸橋的了解，發(fā)現(xiàn)其吊裝鋼絲繩的使用存在以下點(diǎn)：

1.1 易銹蝕 

起重設(shè)備位于海邊或江河邊，工作環(huán)境的溫差和濕度都很大。溫度范圍在-5℃～+50℃之間，相對濕度在100﹪的范圍內(nèi)，并經(jīng)常經(jīng)受雨水、鹽霧的侵蝕等。起重設(shè)備的鋼絲繩長久處在這樣惡劣的環(huán)境內(nèi)，易發(fā)生銹腐蝕。

1.2 易疲勞 

岸橋起升工作負(fù)荷大，工作瞬間變化（如：起升、加速、減速、制動等）引起的沖擊力或慣性載荷，對承載鋼絲繩影響很大，別是經(jīng)過卷筒和滑輪組多次彎曲繞行的鋼絲繩段易發(fā)生因疲勞超限導(dǎo)致的裂斷、塑變、硬脆等損傷，嚴(yán)重情況下如不能及時察覺會引發(fā)斷繩事故。

1.3易磨損 

由于集裝箱船舶的殊性和集裝箱鋼絲繩的起升、變位等速度較快，導(dǎo)致鋼絲繩與接觸滑輪間相對摩擦；同時起升鋼絲繩與船艙邊緣或集裝箱隔槽之間也會發(fā)生不定性的直接碰撞磨擦，有時還會發(fā)生鋼絲繩鉤拉事故引起的其他磨損；另外起升用繩般選用多層股鋼絲繩，在纏繞運(yùn)行中表層股與內(nèi)層股之間經(jīng)常擠壓摩擦，所以對于岸橋起重機(jī)的鋼絲繩磨損也較為常見。

2.鋼絲繩損傷分析

2.1 岸橋鋼絲繩的損傷破壞形式

新鋼絲繩在正常情況下使用時般不會發(fā)生突然斷裂，除非安保護(hù)裝置失靈或出現(xiàn)意外的機(jī)械事故，導(dǎo)致鋼絲繩載荷超過其限破斷力。

起重用鋼絲繩的般破壞過程及征是：鋼絲繩通過卷繞系統(tǒng)時要經(jīng)過反復(fù)彎曲和伸直，并與滑輪和卷筒槽摩擦，工作條件愈惡劣，工作愈頻繁，此現(xiàn)象就愈嚴(yán)重。經(jīng)過定時間，鋼絲繩股內(nèi)的鋼絲不同程度地發(fā)生彎曲疲勞與磨損，表面層的鋼絲逐漸折斷，折斷鋼絲的數(shù)量越多，其他未斷鋼絲的拉力越大，疲勞和磨損更為加劇，斷絲速度亦愈快。當(dāng)斷絲發(fā)展到定程度，鋼絲繩開始喪失承載的安性，這時就應(yīng)報(bào)廢且更換新繩。（見《港機(jī)設(shè)計(jì)手冊》P275）

2.2 岸橋鋼絲繩載荷分析

以如下形式的起升機(jī)構(gòu)鋼絲繩系統(tǒng)為例，簡要分析鋼絲繩所承受載荷。

假設(shè)起升載荷和自重載荷分別為FQ、FG，物品起升速度為Vh，下圖為雙雙聯(lián)滑輪組結(jié)構(gòu)，鋼絲繩分支數(shù)為4，那么引入卷筒的鋼絲繩張力F和線速度Vm分別為：

F=（FQ +FG）/4           Vm=4Vh

而起升過程的加速階段動載荷（見《港機(jī)設(shè)計(jì)手冊》P18）

Fd=（FQ +FG）*c     c為動載荷系數(shù)，

對于做裝卸用的臂架起重機(jī)，c=1+0.35Vh  

假設(shè)物品起升速度Vh=60m/min,那么引入卷筒的鋼絲繩載荷和線速度分別為F，=1.35 *F=1.35*（FQ +FG）/4、240m/min。

此外，在鋼絲繩運(yùn)行過程中未經(jīng)過測點(diǎn)A1、B1的繩段，雖然經(jīng)過3次S行變向（實(shí)驗(yàn)證明，反向彎曲所引起的鋼絲繩疲勞損傷為同向彎曲的2倍（見《港機(jī)設(shè)計(jì)手冊》P276）），但其載荷只有F/8，速度只有2Vh，其損傷可能和損傷程度均不及經(jīng)卷筒出繩口的繩段。

綜上所述，無論是載荷還是鋼絲繩運(yùn)行速度（速度快其磨損程度也較嚴(yán)重），在卷筒出繩處設(shè)置探測點(diǎn)是符合起重作業(yè)過程中鋼絲繩損傷情況的，以此為基礎(chǔ)探測到的鋼絲繩運(yùn)行狀態(tài)是合適的和具有代表性的。

三、TST港口鋼絲繩在線實(shí)時安監(jiān)測管理系統(tǒng)

1. TST港口鋼絲繩在線實(shí)時安監(jiān)測管理系統(tǒng)概述

洛陽泰斯探傷技術(shù)有限公司研發(fā)的TST港口鋼絲繩在線實(shí)時安監(jiān)測管理系統(tǒng)能夠在線實(shí)時監(jiān)測港口吊裝鋼絲繩的安狀態(tài)，同時具備服務(wù)整體自動化生產(chǎn)管理可拓展兼容功能。

?配備有設(shè)備：滿足用戶不同控制目標(biāo)和使用需求的無損探傷系統(tǒng)設(shè)備；

?運(yùn)用技術(shù)： 基于“電感磁通變量補(bǔ)償傳感器技術(shù)”（利技術(shù)）理論的在線無損探傷；

?采取業(yè)設(shè)計(jì)： 實(shí)現(xiàn)通用模式與家管理同平臺，業(yè)化的TST鋼絲繩探傷（工程）系統(tǒng)V3.0應(yīng)用軟件（原始部著作權(quán)）；

?實(shí)施項(xiàng)制造： 滿足不同控制目標(biāo)實(shí)際安裝、使用要求；

2. 系統(tǒng)規(guī)劃方案

根據(jù)港口現(xiàn)有吊裝機(jī)械種類、作業(yè)工況、用戶實(shí)際需求，制定了以下方案：

2.1 系統(tǒng)描述

該系統(tǒng)分為模式組合探測單元、探傷信息分站和程控工作主站（設(shè)險(xiǎn)情狀態(tài)預(yù)報(bào)警機(jī)制）三大部分，各部分均定點(diǎn)安裝。

2.1.1 模式組合探測單元

由模式組合探測裝置、 模態(tài)磁化裝置、電磁補(bǔ)償感應(yīng)模塊（組）、功能模塊、信息模變處理模塊、安裝附件等組成；天候連續(xù)工作，日常免維護(hù)。

2.1.2 探傷信息分站

由數(shù)采轉(zhuǎn)換集成模塊、信息存儲模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、數(shù)組形式轉(zhuǎn)換模塊、通訊傳輸模塊、A/D協(xié)議單元等組成；室外機(jī)箱內(nèi)安置，日常免維護(hù)，天候工作，定期維檢。

2.1.3、程控工作主站

以業(yè)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為平臺，配置自動監(jiān)測信號采集單元、多信道通訊單元（有線或無線聯(lián)通方式）、聲光報(bào)警單元、TST用上位機(jī)處理顯示軟件和短信發(fā)布、打印組件等。室內(nèi)（機(jī)房）安裝安置，日常簡單維護(hù)；連續(xù)或自定義擇時工作。

系統(tǒng)果圖

2.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)拓?fù)浼白酉到y(tǒng)方案

2.2.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

2.2.2 起升鋼絲繩系統(tǒng)

作為岸橋起重機(jī)結(jié)構(gòu)重要的起升機(jī)構(gòu)，其鋼絲繩系統(tǒng)共布置了4個測點(diǎn)，示意圖如下：

在正常吊裝過程中，起升鋼絲繩載荷（包括自重載荷和起升載荷等）、運(yùn)行速度快的部位在卷揚(yáng)機(jī)出繩口附近，經(jīng)常在此位置往復(fù)運(yùn)動的鋼絲繩也是整根鋼絲繩損傷嚴(yán)重的部位，所以在此位置布置測點(diǎn)，能夠探測出鋼絲繩需要關(guān)注的部分，從而使操作人員能夠?qū)崟r掌控鋼絲繩的運(yùn)行狀態(tài)，為安生產(chǎn)提供有力的保障。

起升鋼絲繩系統(tǒng)在如圖A方向（貨物起升方向，此時載荷）運(yùn)動時磁化與探測同步進(jìn)行，有監(jiān)測繩長為4h（h為貨物提升高度）。

2.2.3 牽引小車鋼絲繩系統(tǒng)

牽引小車鋼絲繩系統(tǒng)共布置了4個測點(diǎn)，示意圖如下：

牽引小車鋼絲繩系統(tǒng)的測點(diǎn)布置在牽引小車卷揚(yáng)機(jī)出繩口兩側(cè)附近，此處鋼絲繩載荷較其他位置大。系統(tǒng)在如圖A方向（貨物由貨輪往陸地方向）運(yùn)動時同步進(jìn)行磁化和探測，有探測繩長為L（L為小車行走長度）。

2.2.4 托架小車鋼絲繩系統(tǒng)

測點(diǎn)布置于鋼絲繩往復(fù)運(yùn)動頻繁的部分，能夠有探測長期運(yùn)動引起的疲勞等損傷。小車如圖示A方向運(yùn)動時磁化與探測同步進(jìn)行，測點(diǎn)3、4有監(jiān)測繩長為L/2，測點(diǎn)1、2、5、6有監(jiān)測繩長為L（L為小車行走長度）。

2.2.5俯仰鋼絲繩系統(tǒng)

俯仰鋼絲繩系統(tǒng)共布置了2個測點(diǎn)，示意圖如下：

俯仰鋼絲繩系統(tǒng)2個測點(diǎn)布置在卷揚(yáng)機(jī)出繩口附近，這樣布置可以監(jiān)測整根鋼絲繩載荷和彎曲疲勞嚴(yán)重的部分。當(dāng)卷揚(yáng)機(jī)如圖示A方向運(yùn)動時（即拉起前伸梁懸臂時）磁化與探測同時進(jìn)行。

3.系統(tǒng)參數(shù)、技術(shù)優(yōu)勢及系統(tǒng)性

 3.1系統(tǒng)參數(shù)

  TST港口鋼絲繩在線實(shí)時安監(jiān)測管理系統(tǒng)參數(shù)：

? 電磁感應(yīng)靈敏度：     U/H ＞ 1.2V/mT

? 電磁感應(yīng)信噪比：     S/N＞85dB

? 儀表精度：           Pmax = 0.05%

? 探傷定量不確定度：   ≤±1.2%

? 儀表實(shí)時響應(yīng)速率：   Vmax = 20 m/s   

? 使用控制范圍：       V = 0~200 m/min

? 軸向位示值精度等： 5 × 10-4  m

? 探測長度校準(zhǔn)誤差：   C < 10 mm/m

? 信號有提取距離：   0～30 mm

? 傳感器耗散功率：     ＜50 mW

? 傳感器工作壽命：     ＞2.7×104h

3.2系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢

? 定量、定性探傷

定量定位探測，可依據(jù)模式識別軟件判別鋼絲繩內(nèi)外部疲勞、銹蝕、磨損及斷絲等損傷類型。

?探傷    電磁感應(yīng)信噪比：S/N＞85dB

?寬距探傷

信號有提取距離30mm以上

?高速探傷  探測速度30m/s

?智能探傷

智能自動定量判別、分類統(tǒng)計(jì)各種內(nèi)外部損傷，準(zhǔn)確評估鋼絲繩安狀態(tài)；同時融入物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等數(shù)據(jù)信息互聯(lián)分析技術(shù)，使安監(jiān)測信息從局部向區(qū)域化規(guī)模擴(kuò)展，分布式終信息融入整體安信息數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)安管理“無邊界”互聯(lián)互通。

3.3系統(tǒng)性

TST港口鋼絲繩在線實(shí)時安監(jiān)測管理系統(tǒng)既滿足控制目標(biāo)的安生產(chǎn)要求，對鋼絲繩做到科學(xué)有實(shí)時監(jiān)控同時具備服務(wù)整體自動化生產(chǎn)管理可拓展兼容功能。

3.3.1 控制目標(biāo)上的所有受測標(biāo)本，均被在線實(shí)時可靠監(jiān)測；  3.3.2 控制目標(biāo)的正常生產(chǎn)運(yùn)行，不因監(jiān)測系統(tǒng)的投入而受到影響； 3.3.3 對受測標(biāo)本的任何監(jiān)測均是安無損的； 3.3.4 采用電磁變量補(bǔ)償方法完成監(jiān)測控制，完排除“強(qiáng)磁”輻射污染，消除了強(qiáng)磁場對鐵磁性金屬構(gòu)件工作性能可能造成的不良影響；徹底克服“弱磁”易受干擾，抑制了電磁信號因鋼絲繩鐵磁性擾動產(chǎn)生的異變噪聲； 3.3.5受控標(biāo)本（鋼絲繩）上無強(qiáng)磁性點(diǎn)滯留,消除強(qiáng)磁滯留對鋼絲繩機(jī)械性能產(chǎn)生損害的可能； 3.3.6 監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)施計(jì)算機(jī)程序控制，管理軟件模式依據(jù)控制目標(biāo)安生產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)要求和項(xiàng)目的規(guī)范規(guī)劃； 3.3.7更新設(shè)計(jì)TST業(yè)應(yīng)用軟件程序，搭建安監(jiān)測與后續(xù)系統(tǒng)面管理升兼容的可拓展平臺； 3.3.8 監(jiān)測系統(tǒng)使用模式：定測點(diǎn)采樣，在線實(shí)時探測； 3.3.9 監(jiān)測系統(tǒng)管理模式：高速率數(shù)據(jù)傳輸編輯方式，設(shè)立鋼絲繩運(yùn)行工況狀態(tài)險(xiǎn)情聲光預(yù)報(bào)警機(jī)制，實(shí)現(xiàn)時間對設(shè)備安作業(yè)操作的安提示；監(jiān)測結(jié)果息導(dǎo)入主控管理終，面實(shí)時處理分析、編輯顯示、輸出安狀態(tài)報(bào)告，完成數(shù)據(jù)保存。

四、TST監(jiān)測系統(tǒng)檢測結(jié)果評判標(biāo)準(zhǔn)及安管理依據(jù)

1.檢測結(jié)果評判標(biāo)準(zhǔn)

 鋼絲繩是種金屬的柔性載荷構(gòu)件，投入使用就必然不斷產(chǎn)生應(yīng)力損耗直至報(bào)廢；而且，各種不同程度的瑕疵或損傷及其不可修復(fù)性，伴隨鋼絲繩的整個服役周期。因此，對在役鋼絲繩無損探傷的目的在于：探測損傷等，判斷危害程度，評估剩余載荷。TST電磁無損探傷技術(shù)，嚴(yán)格執(zhí)行際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鋼絲繩應(yīng)用力學(xué)校核原則，結(jié)合大量無損探傷實(shí)踐數(shù)據(jù)，研制構(gòu)建了業(yè)處理軟件，實(shí)現(xiàn)了符合事實(shí)的核心算法模式，為滿足鋼絲繩無損探傷實(shí)用需求，業(yè)定義鋼絲繩損傷別、危害程度及探準(zhǔn)概率：

I損傷：鋼絲繩原始瑕疵或早期擴(kuò)展，基本不影響使用安性；應(yīng)力截面損失率＜2.5%，危害程度——輕微度，探準(zhǔn)概率 > 83%。

II損傷：鋼絲繩已產(chǎn)生“積勞性損傷”（彎曲疲勞）、“接觸性損傷”（擠壓塑變、磨損）和“浸蝕性損傷”（銹腐蝕）等，開始影響安性但不構(gòu)成主體破壞；應(yīng)力截面損失率≥2.5%但＜5%，危害程度——輕度，探準(zhǔn)概率 > 91%。

III損傷：鋼絲繩已有的損傷進(jìn)步擴(kuò)大加重，對主體逐步構(gòu)成破壞性威脅；應(yīng)力截面損失率≥5%但＜9.5%，危害程度——中重度，探準(zhǔn)概率 ＞ 99%。

別損傷：凡按照具體行業(yè)使用要求，達(dá)到行業(yè)規(guī)程規(guī)定的更換臨界值的損傷或應(yīng)力截面損失率≥9.5%的，危害程度——重度；均應(yīng)按相關(guān)規(guī)定更換使用鋼絲繩，探準(zhǔn)概率為100%。

2. 監(jiān)測系統(tǒng)安管理依據(jù)：

中華人民共和標(biāo)準(zhǔn) GB/8918-2006《鋼絲繩》     中華人民共和標(biāo)準(zhǔn)GB 14738—93《港口裝卸用鋼絲繩吊索使用技術(shù)條件》

中華人民共和標(biāo)準(zhǔn)GB 5972－1986《起重機(jī)械用鋼絲繩檢驗(yàn)和報(bào)廢實(shí)用規(guī)范》

中華人民共和標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19912－2005《輪胎式集裝箱門式起重機(jī)安規(guī)程》     參考：中華人民共和煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT/T970-2005《鋼絲繩（纜）在線無損定量檢測方法和判定規(guī)則》      《港口起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)選型與使用維護(hù)及質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)用手冊》相關(guān)條款

五、 分析總結(jié)

TST港口鋼絲繩在線實(shí)時安監(jiān)測管理系統(tǒng)憑借的磁檢測技術(shù)將鋼絲繩損傷的多樣性和復(fù)雜性以簡單直觀的方式呈現(xiàn)出來，讓鋼絲繩檢測工作從低、不可靠、繁雜的記錄、艱難的鋼絲繩安狀態(tài)判斷中解放出來，代之以直觀、科學(xué)的管理模式，給您目了然的鋼絲繩安狀態(tài)，保障生產(chǎn)節(jié)奏有計(jì)劃順利的安運(yùn)行，并科學(xué)延長鋼絲繩使用壽命、預(yù)防潛在斷繩造成的生產(chǎn)安風(fēng)險(xiǎn)、直接為企業(yè)降低生產(chǎn)用繩成本、面提升港口企業(yè)安管理水平。

總之，TST港口鋼絲繩在線實(shí)時安監(jiān)測管理系統(tǒng)在港口行業(yè)鋼絲繩安監(jiān)管理方面具有廣闊的發(fā)展前景，能讓企業(yè)真正感受到先進(jìn)技術(shù)所帶來的便捷、高、可靠和安。

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