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为老设备“体检”助健康高效生产 　　 　　———设备状态监控技术的新发展 　　 　　为了保证设备的高使用率和安全运行，设备老化的高效诊断和及时维修十分必要。日本JFE钢铁厂针对主要设备已运行30年~40年的现状，非常重视对设备上可能出现的裂纹和腐蚀的检查工作，以防止因设备老化而发生事故。近年来，他们已开发出有效诊断缺陷的技术，可对钢结构和机器零件进行检测，实现了钢铁生产设备中的各种有效的劣化诊断。一些技术目前已应用于JFE的实际生产项目中。日前，他们将这些设备状态监控技术的应用和实践结果进行了梳理。 　　 　　监控技术使设备检修停产时间减少一半 　　 　　据统计，从1995年~2009年，JFE监控传感器的安装数量增长了约25倍。同时，测温计、流量计和压力表等监控装置的应用量也大大增加。这些监控装置应用于热轧厂和其他设施，JFE同时还对设备负荷状态的变化进行监控。 　　 　　除采用设备监控传感器以外，JFE还进行各种其他项目的检查和详细的诊断，以精确地了解设备状况。这些设备诊断工作中超过半数是裂纹诊断，主要运用超声波检测、磁粉检测和相控阵超声检测等方法。其他的详细诊断工作包括基于设备振动波形的频率分析和自相关处理、位移诊断、应力诊断、扭矩诊断和铁粉记录图诊断等。 　　 　　本文所述的设备状态监控技术均为无损、远程、高精度检测和快速诊断技术，一方面根据各种设备的不同老化模式而针对性地开发，另一方面这些技术也可应用到更广阔的范围。例如，利用高温衍射时差（TOFD）法开发的远程裂纹诊断技术检测高炉热风炉钢质外壳上的焊缝裂纹，利用红外热成像技术开发的各种检测手段，均已投入实际生产应用，并且使用时无需搭建脚手架或打开设备。无损超声波探伤诊断技术也已应用于煤气管道支架的检测。在振动检测分析方面，已实现对低速旋转机器、轴颈轴承和其他传统技术难以检测的设备故障的早期诊断。此外，利用局部放电和机轴电压波形开发的用于诊断大型电机的在线检测技术，利用高频波幅衰减原理开发的设备诊断技术，利用声发射现象开发的绝缘退化诊断技术，地震破坏的高精度预测技术等设备检测技术均已应用于实际生产，为设备的稳定运行作出了贡献。根据统计数据，由于开发并大量采用这些设备状态诊断技术和设备运行控制装置，JFE在2007年下半年因设备检修造成的停产时间减少了一半左右。 　　 　　高温TOFD法远程诊断裂纹 　　 　　高温衍射时差（TOFD）法（简称为高温TOFD法）的原理是：两个超声波传感器设置于探伤位置的两侧，其中一个传感器发出超声波，另一个传感器检测出由裂纹的顶端和底端产生的衍射波。在这一过程中，从两个衍射波传播时间之差中检测出裂纹的位置和高度。高温TOFD法的装置由裂纹检测传感器和一台自行小车组成，小车承载着传感器行走在热风炉外壳上。 　　 　　在高温TOFD法远程裂纹诊断技术的开发中，应注意五个问题：一是能够快速连续地检测裂纹的高度，二是能够高精度地检测裂纹高度，三是能够同时检测横向和纵向裂纹，四是能够检测高达200℃的热风炉钢壳的缺陷，五是能够在圆筒形竖向表面上进行圆周向和垂直向的缺陷检测。正因上述特点，采用TOFD法是由于与坡口超声波探伤法相比它更适于连续检测，并具有优异的裂纹高度检测精度。但操作时应当注意，为了获得准确的裂纹高度和位置，有必要验证示波器的波形，对波形进行合理化处理。 　　 　　该方法可实现对横向和竖向裂纹的同时检测。对竖向裂纹传感器而言，发送和接收传感器的布置与焊接线呈直角；而横向裂纹传感器的布置与焊接线呈45度倾角。这种布局可在一次扫描中同时检测横向和竖向裂纹。而横向和竖向裂纹则可根据横向和竖向裂纹传感器不同的敏感度并通过观察示波器波形来区分。 　　 　　在进行稳定、高敏感度的超声波探伤时，必须给传感器与受检表面之间提供一种稳定的耦合介质，以增加超声波的传播效率。由于受检表面是竖向的，给角度探测器的楔型简单地涂抹耦合介质是不够的，因此JFE在研究中采用了不间断地供应水作为耦合介质。连续的供水还能起到冷却的作用。同时，为了在探头与受检表面之间保持一个均匀的水膜，在楔型上还加工有一个深度0.2毫米的槽子。考虑到受检面的温度问题，研究人员本来计划选用水和一种黏性溶液作为合适的耦合介质，但实际使用的检测装置允许采用水作为耦合介质，在高达200℃范围内均可实施检测。 　　 　　在结构设计方面，为了在传感器与受检表面之间保持一个恒定的压力，他们采用了一种链接机制和弹簧，将传感器悬挂在自行小车上，不仅能够灵活操作，还能消除表面不规则对测定值的影响。另外，他们还采用了一种能够调整传感器之间间距的结构，使之与受检区域的钢板厚度相对应。 　　 　　红外热成像技术实现高精度检测 　　 　　红外热成像检测技术是运用红外热成像技术开发出的一种裂纹诊断法，其应用大大提高了钢厂设备的诊断效率，具体方法为： 　　 　　首先，切割一段真正的行车大梁作为试样，用以测试出检测裂纹所需的最小应力，从而验证热弹性发热效应。然后将一个疲劳裂纹引入到切割试样的三角形肋部的焊趾上，采用2Hz的正弦波形给试样加载一个振动时应力幅度从100MPa衰减到10MPa的应力波形。之后用200毫米焦距的远摄镜头从距被测物15.3米处进行红外热成像检测，作用应力由连接到试样上的应变表测量。 　　 　　试验结果表明：裂纹区的高温部分代表裂纹的尖端，可将温度的上升精确地转换为应力。根据实验室试验结果，对一台待修行车的箱形大梁实施了远程裂纹诊断试验。在大梁上安装一台绞车，用于提升荷载，同时可进行横向移动。作用到绞车轮上的荷载是绞车的静负载加上悬挂的载荷（额定载荷的80%）。随着绞车在大梁上连续几次横向移动，作用到大梁上的应力发生变化，这时由安装于地面的红外热成像仪测量作用在大梁上的应力波动。测量面与地面上的红外热成像仪之间的距离约为23米。随着两个裂纹尖端的应力急剧增加，裂纹上的应力集中可被清晰地检测出来。另一方面，两个裂纹尖端之间的应力几乎为零，说明在这一区域既无压力也无张力。这是因为裂纹开口除尖端以外的区域未受到机械约束，在该区域没有应变作用。 　　 　　当绞车三次通过测量区时，作用到实体部分的应力从30MPa达到80MPa左右。根据有限元分析法（FEM）的计算，本试验中80%载荷条件下的应力为30MPa~60MPa，说明可以精确地测量应力。另一方面，应力集中使作用到裂纹尖端的应力增大至100MPa~180MPa。在裂纹尖端的应力曲线中，每次通过测量区均检测到两个峰值，说明绞车的两个轮子通过裂纹尖端的瞬间应力达到最大值。从时间序列变化数据中的二维数据和应力波动中可获得裂纹长度。综上所述，应用热弹性发热法通过载荷力波动进行行车结构裂纹远程诊断的可行性得到证实。这种红外热成像检测技术在未来还将开展进一步的验证研究。 　　 　　利用超声和振动波查找缺陷 　　 　　超声激励法。采用热弹性发热原理的红外热成像检测技术在检测时必须给受检物体施加一个外力，而JFE开发的超声激励法可在设备静态下（如停机状态下的轧辊）进行裂纹检测。使用这一方法时，将超声振动照射到受检物体上，使裂纹表面产生摩擦发热，由红外热成像仪检测出瞬时温度变化，通过温度变化检测裂纹。 　　 　　例如，用热波超声激励法检测内部缺陷时，用加热灯之类的加热装置给受检物体进行循环加热。循环加热过程中，内部裂纹或材料的不均匀会造成热扩散率的变化，进而导致通过该区域热波的传输时间有所不同。由高精度红外热成像仪检测这一变化，缺陷的位置通过热扩散率分布的二维图像就可以显示出来。 　　 　　振动波分析法。振动异常通常是判断合格与不合格的双项选择评判，通过检测振动速率和加速度等指标，并与标准值进行比较而实现。采用这一技术可以为轧辊轴承和恒速恒载高速运转设备的其他部件建立起合格或不合格的评判系统。但是，对于轴颈轴承、往复运动设备和低速运转机器而言，由于振动值的偏差、设备异常的最后阶段才出现较大变化和其他类似的因素，使设备异常现象难以作出判断。对此，JFE开发出一种诊断系统，提取从测得波形中获取的参数，采用统计法（如主成分分析法、库尔伯克信息法等）形成能够捕捉到波形的区别性特征新参数，利用设备异常造成的波形变化实现趋势控制，以此为基础实现对设备异常的判断。 　　 　　高频波幅衰减无损探伤趋于成熟 　　 　　日本上世纪50年代建造的[url=http://www.cngjg.com/]钢结构建筑[/url]大部分已出现老化，安全问题随之而来。到2016年，约15万座长度超过15米的桥梁将超过50岁，意味着其将超过有效使用期。JFE钢铁厂的情况也类似，服役40年~50年的旧设备数量不断上升。因此，采取可靠的检测手段成为当务之急。然而，由于下列因素，用于结构性建筑的检测技术的研发工作进展甚微：一是由于桥梁上的交通通行和工厂的生产运行不能受到干扰，使用中的桥梁和工厂设施的检测工作难以展开；二是由于工厂及其检测点数量众多，采用常规的超声波和磁粉检测法耗时过长，成本高昂；三是目视直观检查和敲音检查法要求技巧和经验，且缺乏明确标准和精度。 　　 　　为了解决这些问题，必须开发出一种短期内能够完成大范围检查的检测技术，即介于超声检测法（精确具体但覆盖范围小）与地震探查法（覆盖范围广但精度差）之间的检测技术。于是，在原有研究成果的基础上JFE开发出一种利用振动波频率的检测技术。它将“基于高频地震波的高分辨率地质勘测技术”应用到结构性建筑的检测上。该技术的基本原理仍是振动波的发送和接收，将一个具有任意频率和振幅的伪随机二元序列波作为振动波发出，以一定的精度测量其传送时间和振幅衰减，据此计算出受检物体内是否存在缺陷。随着在实践中的应用，这种技术将会更加成熟。