一、TCK钢丝绳损伤定量检测系统的研究背景

　　钢丝绳作为起重、运输、提升及承载设备中十分重要的关键构件，被广泛应用于煤炭、冶金、建筑、水利、旅游、港口码头、交通运输、航空航天、石油钻探、军事工业等领域。电梯、斜拉桥、悬索桥、牵引缆绳、运载索道、矿井提升机、吊装起重设备、船舶固定绳缆等钢丝绳的应用实例随处可见。同其它金属构件一样，钢丝绳在使用过程中不可避免地会发生断丝、磨损、锈蚀、疲劳等损伤，严重时甚至会发生整绳断裂的重大事故。正是由于钢丝绳的损伤程度及承载能力直接关系到人的生命和财产的安全，所以,各国科学家一直在不断地探索确保钢丝绳安全运行的检测方法。但是，直到TCK出现之前，该项技术的研究水平和仪器性能远未达到现场钢丝绳检测的要求，对钢丝绳的检测一直缺少科学实用、性能良好的无损探伤手段。因此，各钢丝绳使用单位不得不沿用传统的、极不可靠的人工检测方法和定期更换钢丝绳的方法来达到避免钢丝绳断绳事故的目的。但即便如此，由钢丝绳断绳而引起的重大人身事故及财产损失仍不断发生。
　　据报道，世界各国每年在矿山、索道、建筑、水利、电力、电梯、钢铁、军事、船舶、悬索桥、斜拉桥、港口码头、吊装起重、海上石油等领域的断绳事故惊人，伤亡人数及财产损失数额巨大。我国四川某矿务局曾对其15年间货运索道事故进行了统计分析，结果表明，钢丝绳断绳事故90次，占总事故的16%，造成的停运时间为734小时，占总停运时间的24%；上海港务局也曾对几年间发生的机损事故作出分析，结果是33%为钢丝绳断绳事故。据国家煤炭安全生产管理局统计，2003年1-5月，仅煤炭系统因钢丝绳问题所造成的严重事故就多达215起，死亡人数223人，其中死亡人数最多的是山西某煤矿一次死亡人数达14人。这些事例表明，确保运行中的钢丝绳安全可靠地工作，成为钢丝绳使用中的一道世界性难题。
　　为了确保钢丝绳的安全运行，世界各国针对使用中钢丝绳的安全问题，均制订了严格的安全检测标准。我国政府为确保钢丝绳的使用安全，将提升、起重、运输、承载设备列入特种设备管理序列，并明确规定对提升机、载人索道、电梯、起重机等设备中的钢丝绳必须进行定期检测。例如，对于矿井提升钢丝绳的检测报废标准，国家煤炭安全生产规程中明确规定：钢丝绳在一个捻距中的断丝数超过总数的5%，断丝横断面积超过总横断面积的10%即报废。
　　为了解决钢丝绳的安全使用问题，各国专家进行了长达一百多年的探索努力，先后研制了十多种钢丝绳探伤的检测方法，但由于这些方法均无法解决对钢丝绳的定量检测问题，因而在实践中难以推广使用。目前，国内外普遍采用的“霍尔元件检测法”和“感应线圈检测法”，虽然在特定的工况条件下能够部分地实现对钢丝绳的表面损伤进行定性检测，但由于技术上无法克服的缺陷，尚无法完成对钢丝绳的内外部损伤进行准确的定量检测任务，尤其是对钢丝绳的疲劳状态，更无法进行判断，因而在实践中很少被用户采用。
　　平顶山某矿曾引进一台德国的钢丝绳无损探伤仪，并用这台探伤仪检测从德国进口的新钢丝绳，检测的结论是新钢丝绳报废。结果检测人员“报废”了这台探伤仪。花数万美金引进的采用霍尔元件技术制造的“高级”设备，仅用了一次便孤独地躺进角落无人问津。
　　宝钢曾购买一台国产的利用霍尔元件技术制造的“钢丝绳无损探伤仪”，使用后发现稳定性极差，针对同一对象进行检测，前次“结果”表明损伤较重，一个月后再检测，“结果”却是完好无损。为此技术人员向该仪器制造公司咨询，得到的答复是：“霍尔元件老化”。而宝钢花了一万多元购买{zh0}的进口霍尔元件更换后仍无法保证检测的可靠，不得已宝钢只能另行选择。
　　由于现有的检测仪器的性能不能满足现场检测的要求，这就使得钢丝绳的使用始终存在五大难题：
　　1、不安全：潜伏着因强度损耗而发生事故的危险。美国的一个xx研究机构曾对8000多个钢丝绳实验室及现场的记录进行统计分析，结论是，正在使用中的钢丝绳大约10%的强度损耗超过15%，处于危险状态；另有2%以上的钢丝绳强度损耗超过30%，处于极度危险状态。而美国的调查结果是大约70%被强制更换的钢丝绳只有很小甚至没有强度损耗。
　　2、不经济：定期更换钢丝绳造成了巨大浪费。日本的统计结果表明：被强制更换的钢丝绳中，有一半以上的强度达新绳强度的90%以上，还有不少超过{bfb}，即还处于磨合期。
　　3、不效率：人工目视、手摸检查一般只能以小于0.3m/s的速度运行钢丝绳，而对于那些油泥较重的钢丝绳段清洗干净之后才能检查，且每班或每日需检查一次，每次检查约1小时，一年将会浪费300－400小时宝贵的生产时间。
　　4、不科学：人工检测只能部分检测出钢丝绳的外部损伤，而对钢丝绳的内部断丝、磨损、锈蚀、尤其是疲劳等状况则根本无法检测，因而许多重大事故隐患难以发现。
　　5、危害大：重大的钢丝绳断绳事故一般都会导致下列极为严重的后果：①人员伤亡；②设备损毁；③停工停产；④修复投入；⑤法律责任；⑥其它一系列麻烦。
　　由于我国的钢丝绳使用情况问题更多，加之极少使用检测仪器，上述五大难题尤为突出。郑州矿务局芦沟煤矿使用的新钢丝绳，最短3天便出现断绳事故。而江西漂塘钨矿更换的一根钢丝绳，人工目视检测结果为：250米长的钢丝绳有13根表面断丝，然而，通过解剖后详细检查，仅断丝损伤就达134处，其中，最危险处一个捻距内的断丝竞达11根，大大超过安全规程的要求。同样，与之工作时间和环境一样的另一根被强制更换的钢丝绳则基本上没有发现断丝损伤。原国家煤炭部曾对矿用钢丝绳的使用状况进行过统计，结论是：一方面部分在役钢丝绳的确存在严重的事故隐患；另一方面，如果采用仪器对钢丝绳状态进行监测，并进行适当养护，每年至少可节约钢丝绳用量12%－20%，节省进口钢丝绳外汇20%－30%。
　　由于钢丝绳在使用过程中必然会产生各种损伤，而损伤程度的发展又必然会导致断绳事故，因此，研究和开发钢丝绳损伤缺陷的定量而不仅是定性的检测装置，具有十分重要的意义。但是，由于科学界长期无法找到对钢丝绳进行准确的定量检测方法，以至美国的钢丝绳检测专家卫斯凯德（H.R.Weischedel）博士发出感叹，认为对钢丝绳损伤进行准确的定量检测几乎是不可能的。目前，世界上的主要发达国家都在进行钢丝绳无损检测技术的研究，也形成了形形色色的钢丝绳无损检测设备，但是由于对钢丝绳的损伤程度进行定量检测这一核心问题未取得实质性突破，并且大都存在检测精度低、笨重、适应性差等缺陷。因此，均不能取得满意的使用效果。据调查，国内近年来从美国、英国、日本、加拿大等国引进的价格昂贵的钢丝绳无损检测设备，大都已弃之不用。