无损检测技术在矿山机械设备安全检测中的应用

张丹　高崇　张宇

摘要：无损检测指通过利用相关技术手段，在不破坏被测物体情况下实现对其性质、缺陷等内容检测的技术。采用无损检测技术对矿山机械设备重要承载部件进行检测，可有效地遏制预防各类主轴开断裂、悬挂装置断裂、叶片断裂等机械事故带来的恶性安全生产事故的发生。文章对无损检测技术在矿山机械设备安全检测中的应用进行了探讨。

关键词：无损检测技术；矿山机械设备；在线检测；安全检测；生产事故 文献标识码：A

中图分类号：TG115 文章编号：1009-2374（2017）02-0145-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.070

1 超声波探伤（UT）研究及应用

1.1 检测要求

《煤矿安全规程》第412条规定立井提升容器与钢丝绳的连接，应采用楔形连接装置。每次更换钢丝绳时，必须对连接装置的主要部件进行探伤检验。《煤矿在用摩擦式提升机系统安全检测检验规范》（AQ1014）、《煤矿在用缠绕式提升机系统安全检测检验规范》（AQ1015）、《煤矿在用升绞车系统安全检测检验规范》（AQ1016）中第4.2.1条规定提升机主轴、滚筒不得有降低机械性能和使用性能的缺陷。《矿山在用斜井人车安全性能检测规范》（AQ2028-2010）中第5.2.3要求主牵引杆应能在导向箱内灵活伸缩，无裂纹。《矿用提升容器重要承载件无损探伤方法与验收规范》（MT 684-1997）要求矿用提升容器重要承载件和承载天轮轴需要进行无损探伤。

1.2 概况

目前集团内的提升机主轴、楔形连接装置、天轮轴、人车主拉杆、通风机主轴等锻件都需要进行超声波探伤检测，要求被检测工件完全拆卸后检测以保证检测覆盖率达到100%，但在实际超声探伤工作中存在许多问題。比如各矿更换提升机钢丝绳时，通常要求在1～2个工作日内完成，楔形连接装置的完全拆卸会占用很长的时间并增加工人的工作量，影响矿井的正常生产，而提升机主轴、天轮轴、通风机主轴完全拆卸更是无法完成。

1.3 超声波探伤技术的研究

下面以轴类进行阐述：

1.3.1 轴类缺陷产生机理。引发轴类缺陷的主要原因是，在轴类用钢的冶炼和加工过程中，往往会在轴类的表面和内部产生一些气孔、砂眼、夹杂物和划痕等缺陷。由于这些缺陷的存在，在运行过程中造成了轴类应力集中，在应力集中区域金属的承载能力较小，极易延展出小裂纹，而在裂纹端头又会形成新的应力集中。在连续承载情况下，裂纹不断地扩展，使金属能够传递应力的部分越来越少，直至剩余部分不足以传递载荷时，金属构件彻底崩溃，灾难性事故也就随之发生了。因此可见，轴类事故是遵循“应力集中→裂纹→新的应力集中→裂纹扩大→轴类破坏”的恶性循环过程发展而来，断裂形式大多为疲劳断裂。

1.3.2 轴类疲劳断裂过程。主轴的疲劳断裂由以下过程组成：裂纹源形成→疲劳核形成→快速发展期→脆断。

1.4 超声波探伤方法的研究

下面以提升机主轴的超声波探伤方法的研究来阐述：提升机主轴的超声波探伤方法的研究。轴类的超声波探伤通常在工件热处理后机械加工之前进行，以减小工件几何尺寸对探伤过程中的影响。而提升机主轴的超声波探伤主轴要求完全拆卸后检测，把各种因素的影响减少到最小。但提升机主轴的拆卸在实际的工作中需要几个工作日和大量工作量，这极大地影响矿井生产秩序。对此，经中心领导研究决定对提升机主轴进行在线检测，研究出在不拆卸提升机主轴的前提下，能够保证有效准确率的超声波探伤方法。实际在线检测过程中，提升机主轴几何尺寸复杂、装配位置的限制都极大地影响了超声覆盖率，容易出现应力裂纹的轴肩和键槽等部位不能检测到。例如：大明矿立井主井提升机主轴长度近9m，集团内其几何尺寸最为复杂、长度最长（一般为2～5m）、装配位置最为复杂，是在线检测最难以检测的主轴。为解决其几何尺寸及装配位置限制，在探伤过程中保证检测覆盖率这一难题，经不断摸索中，研究制定出解决这些问题的垂直、斜角以及小角度纵波探伤这三种方法，随后再将它们结合在一起对提升机主轴在线超声波探伤检测，探伤覆盖率达到100%，未发现超标缺陷，达到快捷准确地完成检测工作。经过大量的实践证明提升机主轴的超声波在线检测是可行的，从而实现了对铁煤集团内外的提升机主轴超声波探伤的在线检测。

1.5 缺陷回波的定量与非缺陷回波分析

1.5.1 缺陷回波定量。缺陷回波定量中主要有单个、分散以及密集三类：第一，单个缺陷回波。单个缺陷回波性质为高大于Φ2且间距超过50mm，其一般有主轴裂纹。针对单个缺陷回波探伤中，我们需根据其大小选择相应方法，例如所探缺陷小，那么应使用当量法即可；第二，分散缺陷回波。该回波性质中高大于Φ2且在50mm立方体中超过5个，其常见于分散性夹层。目前在其探伤上，我们通常采取当量法即可；第三，密集缺陷回波。该回波主要

表现是数量多、间距小，甚至是有可能出现成片现象。

例：在一长度为2m的提升机主轴，在对其超声波垂直探伤。用2.5MHz、Φ20的直探头轴向探伤，要求缺陷当量<Φ2为合格。发现在深度1m处有一缺陷，缺陷回波波高为20dB。对这个缺陷进行定性与定量分析。

用主轴底面调节灵敏度，灵敏度调整为：

△dB=20lg（πXBΦ2/2λXf2）=57.5dB

缺陷的平底孔当量为：

ΦF=10△F/40ΦXF/XB=3.16mm

此缺陷平底孔当量为Φ3.16>Φ2，对其波形进行定性分析为裂纹，因此提升机主轴超声波探伤不合格。

1.5.2 非缺陷回波分析。第一，三角反射波。三角反射波主要指示波屏中出现2个声程大小是1.3d与1.67d的反射波，并且其波束扩散性较强。另外，判断某个波是不是三角反射波中我们可以通过看其是否在底波B1后面；第二，

迟到波。迟到波声程通常為0.76d，并且其也在B1后面。

1.6 超声波探伤检测发现的缺陷实例

在对大平矿斜向人车主拉杆的超声波探伤中发现一处缺陷，应用各种方法在多个方向检测后，确认其为长度9.7cm、深度2.3cm的裂纹。检测后现场告知矿方，矿里立即停止了人车的运行，及时有效地避免了因主拉杆裂纹断裂造成跑车的安全事故，保证了车上人员的人身安全。

2 通风机叶片的渗透探伤（PT）

通风机叶片作为通风机的重要部件，受工作特性、环境等因素所影响会导致其出现裂缝，如果没有及时发现并处理这一缺陷，那么极易导致叶片因此而断裂，进而造成矿井通风故障，因而通过开展渗透探伤来确保通风机叶片处于良好工况就显得十分必要。

2.1 渗透探伤概述

渗透探伤是将一种含有染料的渗透剂涂覆在零件表面上，在毛细作用下、将渗透剂渗入表面开口缺陷中去，然后去除零件表面上多余的渗透剂，再往零件表面上涂上一薄层显像剂，缺陷中的渗透剂在毛细作用下被显像剂吸附到零件表面上形成缺陷显示。在检测过程中选择了DPT-5系列溶剂去除型着色渗透探伤剂，这种探伤剂是罐装喷剂，具有便于携带、显像快速、灵敏度高、操作方便、成本低等优点。

2.2 探伤部位的确定

在仔细分析了叶片的结构后发现，叶片的受力部位和缺陷易产生的部位位于叶片的根部。在这一部位叶片的尺寸较厚，有明显的圆弧过渡区，是最容易产生铸造缺陷的地方：因为风机的叶片和叶轮是用螺丝连接，在风机运行过程中叶片根部所受的扭矩最大，圆弧部位应力较集中。在安装叶片时，工人们使用的工具经常会撞击叶片根部的表面，叶片的脆性使得叶片的表面对撞击的耐性不好，轻微的撞击都会使叶片表面被划伤和碰伤。这些人为的伤痕就是新的应力源，有产生应力裂纹的可能。鉴于以上等原因，规定了叶片根部周围150mm范围内为检测的必检区域，在这个区域包含了尺寸变化最大区、圆弧过渡区、人为应力集中区，其他区域可视具体情况而定，必要时对整个叶片表面进行检测。

2.3 渗透探伤步骤及注意事项

叶片渗透探伤的步骤一般为：（1）表面处理；（2）清洗剂预清洗；（3）渗透剂渗透（同时用标准试块检测灵敏度）；（4）显像；（5）观察；（6）后清洗。

检测中的注意事项：（1）通风机为长时运转机械，由于受到抽出的气体中煤尘、水分的影响，叶片表面通常有煤泥层附着，只用水和清洗剂难以符合要求，对此我们可以采取机械方法小心清理其表面；（2）如需把叶片拆卸进行渗透探伤，在拆卸过程中必须轻拿轻放，以此避免风机运行时因叶片碰撞变形而出现大幅度振动现象；（3）因为渗透剂含有微毒，在检测过程中要保证现场通风良好，避免检测人员中毒。

2.4 渗透探伤其他应用实例

大隆矿主井提升机滚筒内部发现有两处裂纹，矿方采用在裂纹可见顶端处打孔以防止裂纹继续发展。在提升机运行一段时间后发现裂纹继续扩大，后经过打孔处理也未能阻止裂纹发展。经过对其进行渗透探伤，确定了这两处裂纹的最前端及其发展方向，后经处理未再发展。

3 结语

通过研究和应用此科学准确、简便有效的无损探伤技术，对集团内各个矿井及其他煤矿和省内金属非金属矿山设备的重要承载零部件进行安全探伤检测，有效地遏制预防了各类主轴开断裂、悬挂装置断裂、叶片断裂等机械事故带来的恶性安全生产事故的发生，对保证矿山安全生产具有非常重要的现实意义。

例如：大平矿人车主拉杆一处缺陷，三台子煤矿天轮轴一处缺陷，大隆矿主井提升机滚筒内部发现有两处裂纹等设备零部件安全检测中探测到的缺陷，如不能及时发现后果不堪设想，正是由此研究的应用，以科学可靠的技术手段来保障矿山机械安全运行，从而为矿山全面安全生产做出贡献，取得了很好的安全效益和经济效益。近年来创直接经济效益达100余万元，并填补了无损检测技术在铁煤集团矿井机械设备在役无损检测技术上的空白，提高了铁煤集团监督检测中心安全检测公司的检测水平。

作者简介：张丹（1983-），男，辽宁铁岭人，铁法煤业（集团）有限责任公司监督检测中心工程师，研究方向：矿山机电设备检测。

（责任编辑：秦逊玉）