基于弱磁原理的钢丝绳在线自动检测系统在岸桥上的应用，连云港新东方国际货柜码头有限公司

基于弱磁原理的钢丝绳在线自动检测系统

在岸桥上的应用

  邹晓华¹，  朱加双²，  徐国春²  

  （1.连云港新东方国际货柜码头有限公司， 江苏 连云港 222000；

 2.连云港新东方集装箱码头有限公司，江苏 连云港 222000）

摘要：为解决岸桥钢丝绳自动检测、安全管理的问题，连云港新东方公司应用洛阳威尔若普检测技术有限公司研发的钢丝绳在线自动检测系统，该系统基于弱磁检测原理，对岸桥起升钢丝绳、小车牵引钢丝绳、俯仰钢丝绳进行全生命周期安全监测，不仅成功实现了机器智慧检测替代人工检测，提高了岸桥钢丝绳检测的智能化水平，而且较好的解决了钢丝绳的安全管理难题。

关键词：钢丝绳检测；磁记忆规划；弱磁检测；

0  引  言

钢丝绳作为港口起重设备中消耗量巨大且高度危险的关键构件，其科学高效的使用，对港口安全生产、节能降耗、降低作业成本、提高设备利用率、增加企业产值等方面，都存在可以挖掘的巨大潜力。长期以来钢丝绳安全管理却一直处于 “重视但缺少技术手段”的尴尬状态，在传统钢丝绳检测方法中人工检测仍是主流手段，钢丝绳断绳隐患难以消除。

连云港新东方集装箱码头有限公司应用国际领先的洛阳威尔若普检测技术有限公司（以下简称TCK.W）弱磁检测技术，对岸桥起升钢丝绳绳、小车牵引钢丝绳、俯仰钢丝绳进行全生命周期安全监测，不仅成功的实现了用机器智慧检测替代人工检测的创新和突破，将钢丝绳安全监测提升至最高等级，同时取得了良好的经济效益。岸桥钢丝绳在线自动检测系统

1  传统钢丝绳检测方法存在的主要问题

港口起重机钢丝绳断裂事故是港口行业长期未能解决的重要问题，由于工况环境复杂和高负载应用，钢丝绳会产生断丝、磨损、锈蚀、疲劳等各种损伤，如果没有高效可靠的安全监控手段，钢丝绳的损伤日积月累，由量变转化为质变，最终将导致钢丝绳断裂事故的发生。目前，传统钢丝绳检测方法存在以下主要问题：

1.1  问题一：钢丝绳使用不安全

钢丝绳的使用，始终存在因强度损耗而发生断绳事故的危险。就港口行业而言，每年因钢丝绳断绳造成的人员伤亡和财产损失时有发生。美国国家安全生产管理局曾对全球8000家钢丝绳用户的调查结论：有10%的在用钢丝绳强度损耗超过15%，处于危险状态；有2%的在用钢丝绳强度损耗超过30%，处于极度危险状态。岸桥钢丝绳在线自动检测系统

1.2  问题二：人工检测钢丝绳效率低下

根据连云港新东方集装箱码头有限公司《钢丝绳检查维护及更换制度 》规定，钢丝绳使用前18个月，每月检查一次；第19至22月，每月检查2次；第23至24月时，每月检查4次。每次检查为5人，耗时4小时，检查时岸桥停止吊装工作，起升钢丝绳两年生命周期内，人工停机检查的时间约136小时。另外，每天司机需要目视检查钢丝绳10分钟左右，人工检测的方法效率低下，浪费了大量的生产时间。岸桥钢丝绳在线自动检测系统

1.3  问题三：钢丝绳检测结果不可靠

人工检测时，受眼睛视线局限，只能观测到视线所及的一面，而另一面则无法看到；另外由于环境、光线等影响，很多情况下，目测时光线很差。有的位置，检测人员只能离很远的距离，或者观察角度受限，因此目测局限性极大。另外，即使完全按照0.3—0.5米/秒的速度检测，人工检测方法也只能部分检出钢丝绳外部较明显的损伤，而对钢丝绳的内部磨损、锈蚀、断丝，尤其是疲劳等损伤则根本无法察觉。根据前苏联的一位专家对钢丝绳研究发现，当钢丝绳外层钢丝出现断丝时，其内部未能发现的断丝—般是外部已能见到的2.5倍。岸桥钢丝绳在线自动检测系统

1.4  问题四：钢丝绳用绳成本浪费巨大

由于人工检查的局限性和不确定性，为了确保钢丝绳安全，使用单位只能采取“牺牲成本换取安全”的做法，定期对钢丝绳进行更换。也就是说，无论钢丝绳使用情况如何，只要到了一定的时间，基本都要被更换下来。连云港新东方码头岸桥钢丝绳更换规定：进口钢丝绳在每季度定期保养润滑的情况下，起升钢丝绳2年更换，小车牵引钢丝绳2年半更换，俯仰钢丝绳8年更换。对于被强制更换的钢丝绳，美国的调查结果是：约70％被强制更换的钢丝绳很少甚至没有强度损耗。岸桥钢丝绳在线自动检测系统

2  基于弱磁检测原理的钢丝绳在线自动检测系统

TCK•W钢丝绳在线自动检测系统集成了磁记忆规划方法、弱磁传感器技术、模式识别技术、现代网络通讯技术等，不仅可以高效准确地检测钢丝绳断丝、磨损、锈蚀、疲劳、变形等各类损伤，彻底消除断绳事故隐患，而且第一次解决了“钢丝绳损伤状态每日评价”、“损伤发展趋势定期评估”、 “突发性重大隐患实时预警”等长期困扰岸桥钢丝绳无损探伤的技术难题。

2.1  弱磁检测技术原理

弱磁检测技术是我国科学家成功发现空间磁场矢量态势的变化和运动规律，在钢丝绳检测领域建树的重大成果。所具有的创新与突破：1、理论创新，创立空间磁场矢量合成新原理；2、方法创新，发现磁记忆规划新方法；3、技术创新，发明弱磁检测新技术。实现了1、定性检测到定量检测的突破；2、机器智慧检测替代人工检测的突破。

该技术利用了铁磁性材料的磁记忆特性：在铁磁性材料的组织结构中，密集排列着一种物质--磁畴，每个磁畴都有一个自旋磁矩方向。如果某一方向的磁畴具备数量上的优势，材料就会在宏观上显示出磁性。在自然状态下，钢丝绳中磁畴的自旋磁矩方向是无序的，如果向钢丝绳施加一个外部磁场，就会改变钢丝绳中某一方向的磁畴数量，使钢丝绳具有适度的低量级磁能积，从而形成一种“记忆磁场”。岸桥钢丝绳在线自动检测系统

钢丝绳在拉、弯、扭等机械负荷反复作用下，材料组织会产生断丝、磨损、锈蚀、疲劳等退化，导致应力集中。磁力线在退变的体积元中，只能沿不规则的低能耗路径排布。磁通密度随之变化，磁能积分布出现不均匀，各体积元产生磁能势分布差异。退变程度越严重，磁能势差异就越突出。岸桥钢丝绳在线自动检测系统

TCK.W发明的弱磁传感器基于创新的“空间磁场矢量合成”原理，对给定弱电磁场调制解调，与磁记忆规划后的弱磁场信息形成物理场关联关系。通过提取已施加磁规划的铁磁性材料记忆信息，完成定量识别被测钢丝绳的各种缺陷。通过对钢丝绳正常体积元记忆的磁能势特征信息进行标定，并与提取的其他体积元信息进行对比，即可有效地识别钢丝绳因退变而产生的磁能势差异。分析这种物理场变量信息和对应的机械承载性能之间的量化关系，就可以实现钢丝绳量化检测的技术目标(图1。)岸桥钢丝绳在线自动检测系统

2.2  钢丝绳损伤的分级管理模式    

钢丝绳是一种金属的柔性载荷构件，投入使用

就必然不断产生应力损耗直至报废；而且，各种不

同程度的瑕疵或损伤及其不可修复性，伴随钢丝绳的整个服役周期。为满足钢丝绳无损探伤实用需求，TCK.W弱磁检测技术，严格执行国际标准规定的钢丝绳应用力学校核原则，结合大量无损探伤实践数据，研制构建了专业处理软件，实现了符合事实的核心算法模式，专业定义钢丝绳损伤级别：

严重损伤：横截面积损失率达到报废上限的80-100%，实时检出率100%

较重损伤：横截面积损失率达到报废上限的60-80%，实时检出率100%

中度损伤：横截面积损失率达到报废上限的40-60%，实时检出率>99%岸桥钢丝绳在线自动检测系统

轻度损伤：横截面积损失率达到报废上限的20-40%，实时检出率>90%

轻微损伤：横截面积损失率达到报废上限的20%，实时检出率>80%岸桥钢丝绳在线自动检测系统

2.3  系统具有四大核心能力

（1） 钢丝绳断丝、磨损、锈蚀、疲劳等缺陷高效准确的检测能力。

（2） 断丝数量统计和各种缺陷快速准确的判定能力。岸桥钢丝绳在线自动检测系统

（3） 钢丝绳直径变化高速准确的测量能力(配置机器视觉识别系统)。

（4） 钢丝绳缺陷高速准确的定位能力。

2.4  系统独特优势

（1） 钢丝绳全生命周期安全监测。

（2） 高速运行同步完成检测。岸桥钢丝绳在线自动检测系统

（3） 机器智能识别代替人工检测。

（4） 互联网+钢丝绳远程诊断。

3   钢丝绳在线自动检测系统在岸桥上的应用

连云港新东方集装箱码头有限公司应用TCK.W岸桥钢丝绳在线自动检测系统，在全球范围内第一次成功的解决了岸桥钢丝绳在线自动检测的技术难题。将多组TCK.W磁记忆检测装置、多功能数据采集工作站，固定安装在岸桥起升钢丝绳、小车牵引钢丝绳、俯仰钢丝绳运行路径中的适当位置，并按标准的规定，实时对钢丝绳的安全状态进行在线自动检测。采集的数据通过有线或无线的方式发送云端储存，并通过云计算技术，将处理后的检测结果反馈至第一级责任单元（司机室），使操作室里的司机可以随时掌握钢丝绳当前的安全状态，一旦发生危险损伤，系统可立即报警，司机根据报警提示采取安全措施，预防事故发生。

3.1  岸桥起升钢丝绳在线自动检测系统检测安装位设置

    根据岸桥起升绳绕绳方式和运行特点，岸桥起升绳工作段95%都通过小车平台，起升小车工作段钢丝绳工作时受到弯曲拉伸力，也是最容易出现疲劳断丝的重点部位，在小车平台起升滑轮进绳处设置一个检测安装位，布置4个弱磁传感器，即可完成起升绳钢丝绳检测工作。岸桥钢丝绳在线自动检测系统

起升绳只需两个步骤就可以完成全绳检测：

（1） 小车运行到A位置，吊具下放至底部，再起升至顶部，进行吊具至A位置钢丝绳检测。

（2） 小车从A位置向B位置运行，完成A-B段钢丝绳检测。岸桥钢丝绳在线自动检测系统

    岸桥运行时，在后大梁处完成一次起升过程(A位置)，小车从大梁后端行进到大梁前端(B位置)，从1、2两次检测可以看出，能够检测起升绳95%的工作段，满足了起升绳检测的全部要求，检测安装位置见图2。岸桥钢丝绳在线自动检测系统

3.2 岸桥小车牵引钢丝绳在线自动检测系统检测安装位设置

    根据岸桥小车牵引绳绕绳方式和运行特点，在岸桥的前大梁设置一个检测安装位，该位置钢丝绳正常工作时运行非常稳定，且无排绳运行工况。同时，在后大梁处设置一个检测安装位，此处钢丝绳排绳稳定，可最大限度检测钢丝绳易损伤绳段，检测安装位置见图4。

3.3  岸桥俯仰钢丝绳在线自动检测系统检测安装位设置

    岸桥俯仰绳有两根从卷筒出来的钢丝绳（直径36毫米），经梯形架顶部的定滑轮组和位于前大梁处的动滑轮组组合来控制前大梁的俯仰动作。根据钢丝绳运行状态，考虑在梯形架顶部定滑轮处设置一个检测安装位，该处钢丝绳运行稳定，并且能够最大限度的检测俯仰钢丝绳，检测安装位置见图7。岸桥钢丝绳在线自动检测系统

4   钢丝绳在线检测技术与人工检测方法经济效益对比

历经市场调研，项目立项和研制，2018年8月，连云港新东方集装箱码头有限公司岸桥钢丝绳在线自动检测系统投入运行，实现岸桥钢丝绳在线自动检测，形成完整且可回溯性的检测报告。经过一段时间的现场验证，采用钢丝绳在线自动检测和传统人工检测相对比，取得了良好的社会与经济效益，见表1。岸桥钢丝绳在线自动检测系统

5  结语

岸桥钢丝绳在线自动检测系统的应用，提高了岸桥钢丝绳的安全性和检测的智能化水平，不仅成功实现了机器智慧检测替代人工检测，而且较好的解决了钢丝绳的安全管理难题。根据岸桥钢丝绳运行时产生的运行参数，以及钢丝绳出厂设计参数，结合钢丝绳检测、保养信息以及历史运行参数，分析并提供岸桥钢丝绳的安全状态等信息，供有关人员实时掌握岸桥钢丝绳生命周期的发展阶段，为岸桥钢丝绳持续可靠运行提供高质量的监测服务，为岸桥设备正常运行提供有力保障。  基于弱磁原理的TCK.W钢丝绳在线自动检测技术是我国自主创新的先进技术，通过在钢丝绳运行过程中连续不间断的检测，将钢丝绳安全监测提升至最高等级。该项技术获2018世界海洋科技大会（美国）OTC聚光灯技术创新奖，是五十年来首次获OTC大奖的中国技术。同时，该项技术还获得了中国人民解放军科学技术进步奖。连云港新东方集装箱码头有限公司应用该项技术后，不仅使岸桥钢丝绳的安全运行始终处于全面受控的监测状态；而且在生产的同时完成检测，使生产、检测两个流程合二为一，减少一个工作环节，有效提高了设备效率；同时，减少了专门用于钢丝绳检测的设备开机能耗，节能降耗效果十分显著；并且为延长钢丝绳的使用寿命，降低钢丝绳用绳成本提供了科学的检测依据。岸桥钢丝绳在线自动检测系统

表1  钢丝绳在线自动检测与人工检测对比

绳在线自动检测系统