煤矿机械装备维修再制造无损检测技术现状及发展趋势

王晓蕾，姬治岗，郭向前，蒋大鹏，崔 凯，张 森，王 真，王照雨，梁家林

(1.吕梁学院矿业工程系，吕梁 033000；2.煤矿机械装备维护与检测试验吕梁市重点实验室，吕梁 033000)

中国是一个煤矿大国，煤炭对于中国经济发展具有重要意义[1-2]。2017年，国家发改委发布《能源发展“十三五”规划》[3-4]，规划中指出至2020年末中国煤炭消费比重减少到58%，可以看出，未来一段时间内中国能源结构还是以煤炭为主[5]。

随着中国科学技术的不断发展，机械化采煤已在煤矿广泛使用，然而受煤矿地质条件的影响[6-8]。大量的煤矿机械设备在长时间的运行中出现严重的损伤[9]。这些大型的机械装备将要报废，需要补充大量的新设备[10-11]。在某种程度上，对于煤矿来说这是一个比较大的经济损失[12]，而煤矿机械装备维修再制造能够有效降低这种因机械损伤造成的经济损失[13]。充分利用机械设备里的可重复使用的资源。降低成本，增加企业效益[14-15]。

由于这些设备是维修再制造，难免会有故障产生，给煤矿生产造成影响[16-18]。因此，要对其进行检测。而无损检测技术能够很好地查找煤矿机械装备中的安全隐患[19]，为有效排除机械设备隐患提供依据，大大降低煤矿机械装备事故发生率[20]。

基于煤矿机械装备维修再制造无损检测技术研究成果，总结了煤矿机械装备维修再制造无损检测技术现状，分析了煤矿机械装备维修再制造无损检测技术存在的不足，针对目前存在的问题，提出了未来煤矿机械装备维修再制造无损检测技术发展趋势。

1 无损检测技术

无损检测技术不但要求煤矿机械装备在检测过程中不受到任何损害，而且对于后期的使用也不产生影响[21]。其原理是借助超声波对设备进行探伤作业，超声波具有方向性好、穿透力强的特点。在穿透的过程中遇到不同的介质能够有效反射，能够对机械装备中的微小损伤进行探测[22-23]。在检测作业中，要保持探头与被探测物体能够有效地接触，不能有空气隔阂，通常采用耦合剂增强其接触性。该技术能够有效探测设备运行状态下的机械损伤难题[24]，特别是装备配件的裂纹能够有效预防，保证机械装备配件的质量，优化制造工艺，降低制造成本。无损检测有超声、涡流、射线、磁粉和渗透等多种方式[25]。

1.1 超声检测

超声检测主要采用脉冲反射超声波探伤仪器对被探测仪器进行机械内部缺陷进行探伤[26-27]，当超声波遇到不同介质将发生反射，能够迅速定位到损伤位置和范围[28-29]。最后将反射的超声波转换为电信号[30]。其检测系统框架如图1所示。

图1 超声检测框架

超声检测主要包括缺点定位和定量两个方面[31]。缺陷定位一般是根据缺陷波在水平方向上的位置进行确定，通常采用纵波直探头和横波斜探头进行定位，如图2所示[32]。

图2 超声检测缺陷定位结构

缺陷定量主要是检测缺陷的大小、数量、产装等信息[33]。缺陷定量的准确性如何直接影响测试结果的成败。只有准确的确定缺陷大小才能够使得煤矿企业及时完好的进行维修，避免重大事故的发生[34]。

陈源源[35]采用超声波检测技术对滚筒式采煤机再制造摇臂进行了无损探测。首先采用小锤敲击查找较明显裂纹，但无法准确确定其位置，因此采用超声波进行，机械结构如图3所示。

试验过程中采用超声波探伤仪ZDT300对再制造摇臂进行无伤检测，特别是裂纹出现的地方，进行重点探测，超声波仪器校准后，涂抹耦合剂机油，采用合适探头进行探测，检测现场如图4所示。

图4 检测现场

以牵引部连接耳孔为例，得出两个探头检测结果，如图5所示。

由图5可知，波形中无底波，是由于探测深度超过允许值，由此可知，检测部位不存在裂纹等问题缺陷，该壳体再制造性良好。

图5 探头探测结果

殷帅峰等[36]采用超声波技术对综放支架焊缝开裂进行探测，能够非常准确地对内部裂隙和表面贯通裂隙进行定位，效果较好；赵枰[37]采用相控延时超声波技术对矿井综采液压支架构件进行了无伤检测，实现对液压支架各种形状各种类型的无伤探伤，探伤效果较好；董明等[38]采用超声波检测技术对矿山机电设备零部件进行超声检测，提出了针对不同配件的不同探测方法，对于煤矿安全生产具有重要意义；王毅[39]采用超声波探测技术对煤矿机械轴类零部件等进行了检测应用，提高了煤矿生产效率，为衡量煤矿自动化程度提供了技术支撑。

1.2 渗透检测

渗透检测也称为渗透探伤，是无损探伤技术的一种[40]。它最早被应用于煤油机车裂缝的检查上。其探测原理是将一种含有染料的着色剂或者具有荧光的渗透剂涂抹上被探测物体表面[41]，在毛细作用下，由于液体的湿润和毛细的双重作用，渗透剂进入到被探测物体表面裂缝中[42]。然后去掉表面多余渗透剂[43]，同时，再涂抹显现试剂。裂缝中的渗透剂在毛细作用下重新吸附在被探测物体表面形成了放大的图像[44]，同时在灯光作用下显现出来。其探测步骤分为清洗、施加渗透剂、去除多余渗透剂、施加显像剂、显示缺陷[45](图6)。其使用的探伤试剂如图7所示。张明等[46]采用渗透测试技术对设备冷却水变换器钛合金管的焊接密封性进行了分析。

图6 渗透测试结构(比例1∶20)

图7 渗透探伤试剂

测试过程中使用刷子(非脱毛)将渗透探伤试剂均匀地喷在钛合金管的表面。不宜过多，以免流进其内部不易清洗。对于内部施加宽度应超过25 mm，保证被完全覆盖。保持渗透时间超过600 s，其渗透检测部位外观如图8所示。

图8 检测部位外观(比例1∶100)

待渗透时间达到后去除多余渗透剂，用蘸有清洗剂的纸擦拭干净，必须保持顺时针或逆时针一个方向，待干燥都喷洒显像剂，一般控制在10～60 min。待以上过程结束后采用放大镜进行观察，其缺陷如图9所示。

图9 缺陷

观察缺点部位，记录其数量、尺寸、位置，并用相机照相记录，待测试结束后，用清洗剂进行清洗，去除表面有害物质，恢复被测设备原貌。

胡雪君[47]采用渗透探伤技术对煤矿机械设备裂纹进行了分析，有效检验出设备缺陷部位，并对其进行了修复，该技术是一种有效的方法；刘保平等[48]采用渗透测试法对设备底板三层钢板重叠部位焊接情况进行了研究，详细叙述了检测的步骤以及工艺参数，经过检测很好地找出缺陷部位，保证了设备运行的安全性；周可荥[49]采用该技术对管板角焊接进行了分析，在检测临界温度只进行了研究，对比了温度对于渗透检测的影响；顾金宝等[50]采用该方法对压力过滤机转鼓隔条角焊缝密封性进行了研究，通过对比分析选出最优检测方法，并阐述了检测过程中的安全防护；武金宇等[51]采用该技术对换热器管箱内表面的不锈钢焊缝进行了研究，发现大量的缺陷，分析了缺陷原因。

1.3 射线检测

射线探伤是利用射线来检查焊接内部缺陷得一种方法，常用的射线主要有两种，分别是X射线和γ射线，煤矿探伤多采用X射线[52]。

X射线是一种非常短，能量非常大的电磁波[53]。直线传播，当经过电场或者磁场时不会发生偏转，其穿射能力与光子能量有非常紧密的关系[54]。由于其光短能量大，故穿透能力极强[55]。它主要由射线管和探测仪两部分组成，对于射线管包括阴阳两极[56]。当射线放出后经过被测物体，在不同部位发生衰减，衰减后的射线经过被测物体将被探测仪接收到，再传到计算机得出结果[57]。结构和实物分别如图10、图11所示。

图10 X射线检测仪结构

图11 X射线机实物

黄元麒[58]采用X射线对钢丝绳芯输送带接头故障进行了研究，为煤矿安全高效生产提供了技术支持。其基于在线监测技术与射线有机结合形成了连续监测装置，该装置能够实时显示、存储，运用图像处理和分析算法对钢丝绳故障进行提取、分析、判断，给出故障信号，其检测框架如图12所示，X射线探测器如图13所示。

图12 钢丝绳输送带射线检测框架

图13 X射线探测器

探测过程中采用计算机进行操控，利用Halcon软件实现检测的设计与测试，其包含编写串口、变量窗口等四部分，其界面如图14所示。

图14 文献[58]中X射线探测器界面

采用该软件控制监测，将监测的结果进行处理，并进行分析，可得出输送带缺陷图像，根据X射线技术探伤实时监测装置得出的结果如图15所示。

图15 文献[58]探测结果

由图15能够清晰地看到输送带接头存在的问题，通过实时图像进行观察，能够迅速找到问题，及时解决问题，对于煤矿安全生产具有重要意义。

杨泽森[59]基于射线技术设计一种实时输送带在线监测装置，并在古城煤矿N1303工作面进行了应用，该技术能够大大提高检测力度，具有非常好的效果；程玉龙[60]采用X射线技术对煤矿输送带进行了探伤，详细叙述了探伤过程中的问题和基本原则，证实了该技术的可靠性；边红星等[61]基于X射线技术建立了数学模型，研发了系统中的控制系统和识别模式，提高了生产效率，具有较大价值；王宾[62]采用X射线技术对强力输送钢丝绳进行了检测，该技术能够很好地进行检测，产生实时画面，不受外界干扰；季晓华[63]采用该技术对钢丝绳进行了检测，提高了机械运行效率；朱平等[64]基于X射线提出了一种新型的图像分析方法，该方法能够有效进行输送带图像实时分析能力，检测准确率高，具有非常好的有效性。

1.4 磁粉检测

磁粉检测技术于20世纪50年代在中国开始起步，随后得到了有效发展，进入20世纪90年代，标准化技术检测基本形成，至21世纪，该技术进入自动化和半自动话状态[65]。磁粉检测是通过磁粉分布来显现和检测被测物体表面附近的缺陷，主要检测零件或者承压设备的表面缺陷[66]。其探测原理是缺陷部位的能量泄露使得该部位存在磁场缺失(图16)。

图16 磁粉检测原理图

当磁性材料被磁化以后，由于缺陷的存在使得被测物体表面磁力线会发生变形引起磁场变化，形成所谓的漏磁场[67]，同时，在特定光线照射下，形成视觉上的磁性标记，通过这个标记可以清晰地看到缺陷的部位、尺寸、形状等基本信息，为缺陷的治理提供了技术支持，该技术能够检测出不连续宽度可小到0.1 μm，通过综合检测技术能够测出不同形状各个方向的缺陷的物体[68]。

凌张伟等[69]采用磁粉技术对球罐焊缝缺陷进行了探伤分析，研发了爬壁检测机器人能够实时进行采集磁粉检测，如图17所示。

图17 爬壁机器人检测

探测开始时，对被探测物体进行清洗，防止附着物对磁粉探伤产生影响，探测方向应使磁力线在可行范围内且必须贯穿整个缺陷。

使用干粉连续法的探测方式，当检测结束后，进行退磁操作，并进行磁场检验，待完全退磁后，把磁粉彻底清洗干净，避免有剩余磁粉堵塞缺陷部位，为后续修复产生不必要的麻烦。得出的磁粉检测图像如图18所示。

由图18可知，图像具有非常明显的颜色和饱和度差别，若从颜色进行分析，方式单一，准确度较低。为了提高准确度对其进行图像识别处理，其流程如图19所示。

图18 磁粉检测图像(比例1∶10)

图19 磁粉检测图像识别流程

依据磁粉检测图像识别流程图对磁粉检测数据图进行处理分析，确定了每张图像是否包含缺陷，共识别了82张图片，其中有缺陷、无缺陷、无法识别缺陷图片分别是32、39、20张，该技术对于提高检测效率和准确度具有非常高的效果。

田丽[70]采用该技术对矿用提升运输连接装置进行了检测，为煤矿安全提供了保证；赵永亮[71]采用该技术对煤矿楔形连接装置进行浪费分析，定期监测避免严重事故发生；高羚[72]利用磁粉检测技术对钢结构裂纹进行了研究，详细叙述了探测与验证过程；张梅[73]采用该技术对矿用提升容器重要承载件表面进行了研究，叙述了其优缺点和局限性，该技术的利用为煤矿机械使用提供了技术支持。

1.5 涡流检测

涡流检测是一种非接触性无损伤检测技术，其检测原理主要是电磁感性[73](图20)。在检测时，检测线圈接通电源，当有电流通过时在线圈周围必然会有磁场产生，当这种不断交变磁场发生移动时，在导体上必然会产生涡电流[74-75]。在进行机械探伤测试时，若存在缺陷或者结构发生变化是会影响涡电流，进而会使得叠加的磁场发生变化[76]。这种测试方式测试过程中不需要耦合剂，但是仅用于导电材料的检测，存在不能可视化的问题，而且对于零部件内部无法测量[77]。其无缺陷和有缺陷涡流分布如图21所示。

图20 涡流检测原理

图21 涡流分布

李超等[78]基于涡流检测技术对煤矿大型磨机齿轮进行了检测，并用CT(电子计算机断层扫描)扫描技术将其以图像形式展现出来。其检测的是澳大利亚某选煤厂的球磨机齿轮(图22)。采用双人进行操作，共进行了580多个齿面的检测工作，在检测过程中不考虑其休息是转动时间。

图22 球磨机大齿轮

采用便携式涡流检测装置，依据大齿轮的结构特点，选择定制的探头进行测试，该探头测试可以一次性覆盖所有齿轮，其涡流检测探头如图23所示。

图23 涡流检测探头

在测试中严格按照涡流检测流程进行，按齿轮顺序进行，从前至后依次进行，测试的过程中对齿轮编号，并把实时测试的CT照片进行保存，得出的19号齿轮以及CT图像分别如图24和图25所示。

图24 齿轮表面结构

图25 齿轮扫描图像

由图24可知，19齿轮表面存在3个凹坑，当涡流检测经过此时，线圈上的阻抗发生了变化，对于缺陷越大，其变化越明显。对应的CT图像上明显存在3个高点，且其中两个非常明显。涡流检测对于缺陷检测具有非常好的效果。

付胜等[79]采用低频涡流技术对煤矿震动筛裂纹进行了探测，结合仿真技术得出了检测频率与相位之间的关系，具有很好的效果；刘轶等[80]采用该技术对振动筛大梁进行了检测，提出了超声与低频涡流结合的方法，具有很好的实用性；许晓东等[81]采用涡流技术对煤矿振动筛进行了研究，结合现场实际情况与检测要求标准，提出了适用于振动筛检测的有效方法。

2 存在问题

2.1 超声检测存在问题

超声检测技术主要用于零部件内部的缺陷检测，特别对于对于大面积型缺陷具有非常高的检出率。但其探测结果在定性、定量困难，对于复杂形状检测存在一定困难，且检测结果不直观，测试时必须使用耦合剂，耦合剂在一定程度上影响探测准确度[82-83]。

2.2 渗透检测存在的问题

渗透检测主要用于零部件表面缺陷的检测，特别是裂纹、气孔、疏松缺陷具有很好的效果，而对于零部件内部结构缺陷不能够检测。同时，该检测技术不受检测材料的限制，其检测结果直观性强，具有操作快捷、简单的有点。但该检测技术不能定量地进行操作，全凭操作人员的经验和视力情况，同时，难以检测多孔的材料，不适用由于外来因素堵塞形成的缺陷。

2.3 射线检测存在的问题

射线检测技术能够很好地检测表面和内部缺陷，特别对于焊缝的检测具有非常好的效果，同时，其检测零部件不受形状的限制，可进行深层缺陷的探测。而该技术检测成本较高，检测精度较低，具有辐射性，对人体能够产生伤害，对于检测环境具有一定的要求，检测效率比较低。

2.4 磁粉检测存在的问题

磁粉检测技术主要用于检测磁性材料的表面缺陷。操作简便，成本较低，能够直观显示缺陷，灵敏度较高，且不受被测物体外形的影响。而该技术仅仅能测磁性材料，检测材料范围窄，对于检测物体表面光滑度要求较高，一次检测范围较小且检测速度慢，不适用大型磁性材料的检测。

2.5 涡流检测存在的问题

涡流检测技术主要用于导电材料的缺陷检测，无需耦合剂，同时也不需要接触，具有检测速度快，便于实现自动化的优点，特别对于表面的检测灵敏度较高。但该技术仅仅能检测导电材料，检测过程中难以判断缺点的形状和大小，同时，干扰因素多，容易引起杂乱信号。对于深层缺陷无法检测。

3 结论与展望

(1)超声波检测其未来发展方向应为智能化数字化；射线检测由于其辐射问题，其未来发展方向应更加安全；渗透检测耗材价高且有毒，其未来发展方向应为低成本环保型检测材料；磁粉检测其未来发展方向检测结果准确度高，且具有高效率；涡流检测其未来发展方向应降低材料本身对于检测结果的影响[82-83]。

(2)由于煤矿地下环境复杂性，其未来检测应建立基于煤矿环境的无损检测评价体系以及技术网络，提高检测效率和准确度。

(3)未来无损检测方法的发展趋势将由人工操作转向智能化、全自动化、图像化检测。由单一模式向复合模型发展，检测设备向低能耗、高信噪比发展。