無損檢測在鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷檢測中的應(yīng)用研究

劉定坤

摘? 要：鋼結(jié)構(gòu)疲勞問題日益突出，目前人們對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷問題檢測手段極為有限，縱觀國內(nèi)國外的研究進(jìn)展，鋼梁焊縫疲勞損傷檢測技術(shù)多種多樣，但存在著檢測時(shí)間長、效率低、需要對(duì)檢測表面進(jìn)行處理等缺點(diǎn)，現(xiàn)有檢測技術(shù)只能尋找已經(jīng)存在的缺陷，不能發(fā)現(xiàn)和預(yù)測將會(huì)要發(fā)生的缺陷，因此有必要研究一種新的檢測方法來推進(jìn)鋼梁焊縫疲勞損傷的無損檢測技術(shù)的發(fā)展。金屬磁記憶技術(shù)相較傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)有著無損傷、靈敏度高、早期檢測等特點(diǎn)優(yōu)勢，文章著重比較了金屬磁記憶檢測技術(shù)與傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，為鋼結(jié)構(gòu)的疲勞損傷問題提供了更多更好的檢測手段。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);疲勞損傷;無損檢測;金屬磁記憶

中圖分類號(hào)：U442? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）07-0169-02

Abstract： The fatigue problem of steel structure is becoming increasingly prominent. At present， the detection methods for fatigue damage of steel structure are very limited. Throughout the research progress at home and abroad， there are a variety of fatigue damage detection techniques for steel beam welds. However， there are some shortcomings， such as long detection time， low efficiency， and there is need to treat the inspection surface， and so on. The existing detection technology can only find the existing defects， but can not find and predict the defects that will occur. Therefore， it is necessary to study a new testing method to promote the development of non-destructive testing technology for fatigue damage of steel beam welds. Compared with the traditional non-destructive testing technology， the metal magnetic memory technology has the advantages of no damage， high sensitivity and early detection. This paper focuses on the comparison of the advantages and disadvantages of the metal magnetic memory testing technology and the traditional non-destructive testing technology. It provides more and better testing methods for fatigue damage of steel structures.

Keywords： steel structure; fatigue damage; non-destructive testing; metal magnetic memory

引言

截止到2019年，中國已有的公路橋梁共80.53萬座、4916.97萬米，包括特大橋梁4257座、753.54萬米，大橋86178座、2251.50萬米。鋼箱梁結(jié)構(gòu)形式的鋼橋，因?yàn)槠鋼碛兄亓枯p、跨越能力顯著、截面抗彎性能強(qiáng)、抗扭剛度大等特點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。鋼結(jié)構(gòu)疲勞破壞的主要損壞因素是如焊縫位置處等應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)缺陷的現(xiàn)象。由于應(yīng)力集中以及結(jié)構(gòu)和部件的各種微裂紋的擴(kuò)展而引起的脆性破壞非常嚴(yán)重，并且將導(dǎo)致災(zāi)難性事故。由于鋼結(jié)構(gòu)的疲勞損傷具有一定的隨機(jī)性，而實(shí)際動(dòng)載荷也具有較大的隨機(jī)性，這使得結(jié)構(gòu)的疲勞監(jiān)測和損傷檢測成為必不可少的重要環(huán)節(jié)。伴隨著現(xiàn)代無損檢測技術(shù)的飛速發(fā)展，我們以期能夠在結(jié)構(gòu)的運(yùn)營期內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)既有焊縫的疲勞損傷進(jìn)行檢測。通過無損檢測，疲勞損傷可以在結(jié)構(gòu)使用壽命中盡早出現(xiàn)，并且可以更新結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)估結(jié)果。評(píng)估結(jié)果將可實(shí)現(xiàn)對(duì)維護(hù)方法的優(yōu)化評(píng)估，避免因?yàn)榫S護(hù)和更換造成的損失，并能夠合理地使結(jié)構(gòu)的使用壽命得到延長。因此，如何利用無損檢測結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞損傷可靠度評(píng)估，已成為既有鋼結(jié)構(gòu)壽命評(píng)估研究的熱點(diǎn)[1]。

1 研究目的及意義

現(xiàn)有無損檢測技術(shù)，對(duì)發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)裂縫較為有效，對(duì)疲勞微觀裂紋早期診斷還存在一定困難，研究發(fā)現(xiàn)金屬磁記憶檢測法較好地解決這個(gè)問題，有望實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的早期損傷檢測。金屬磁記憶檢測方法，其本質(zhì)上是一種基于漏磁信號(hào)檢測的技術(shù)，其自發(fā)的漏磁信號(hào)是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)性狀的改變而具有特征上的改變，這種信號(hào)與結(jié)構(gòu)的缺陷之間存在著固有的相關(guān)性。金屬磁記憶檢測技術(shù)克服了傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)的缺點(diǎn)，并且可以針對(duì)鐵磁金屬構(gòu)件的應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行早期診斷。它是無損檢測領(lǐng)域中的一種新的檢測方法，是迄今為止最有可能實(shí)現(xiàn)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的早期損壞診斷的方法之一[2]。因此，結(jié)合金屬磁記憶檢測技術(shù)相較于其他無損檢測手段的優(yōu)勢，本研究的突出意義包括：

（1）具有重要的科學(xué)意義。金屬磁記憶法是基于鐵磁性材料固有性質(zhì)發(fā)展而來，尤其是針對(duì)結(jié)構(gòu)的早期損傷診斷有極其敏銳的識(shí)別能力，近年來金屬磁記憶法多用于石油、化工和機(jī)械等領(lǐng)域內(nèi)，專門針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊縫疲勞損傷檢測的研究非常少。

（2）具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本文針對(duì)鋼梁結(jié)構(gòu)焊縫疲勞損傷發(fā)展特點(diǎn)進(jìn)行論證，研究結(jié)論可為后期工程鋼結(jié)構(gòu)實(shí)測和裝備研究提供依據(jù)，有望減少因焊縫疲勞造成鋼結(jié)構(gòu)的突然破壞，帶來顯著的社會(huì)價(jià)值。

2 常規(guī)檢測手段

在長期動(dòng)荷載因素的作用下，鋼結(jié)構(gòu)焊縫位置會(huì)不可避免地出現(xiàn)疲勞損傷，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的承載能力下降，從而影響結(jié)構(gòu)的安全。因此很有必要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊縫疲勞問題進(jìn)行有效的損傷檢測?，F(xiàn)階段常見的無損檢測方法大致有如下幾類：超聲波檢測方法、磁粉探傷法、射線檢測法等[3]。

2.1 超聲波檢測方法

超聲波測試是基于以下事實(shí)：超聲波在材料和裂紋中的傳播速度會(huì)不同，以檢測表面裂紋的傳播。在檢查過程中，待檢查工件的表面可以通過耦合劑與超聲波探頭良好接觸。該探針可以有效地向工件發(fā)射超聲波，并且可以接收從缺陷反射的反射波傳播時(shí)間，可以知道缺陷的位置。

2.2 磁粉探傷法

鐵磁性材料在磁場中被磁化，并且基于磁性標(biāo)記的圖像和大小檢測裂紋特征的方法是磁性顆粒檢查方法。磁性粒子檢測方法可以檢測鐵磁材料和組件的表面和近表面缺陷，并且對(duì)諸如裂紋，細(xì)紋，褶皺和不完全穿透之類的缺陷更敏感。

2.3 射線檢測法

在使用射線檢測法檢測缺陷時(shí)，材料或者構(gòu)件在輻射通過下被吸收和散射射線以降低其強(qiáng)度。構(gòu)件或材料每個(gè)位置的衰減程度大小是取決于射線所經(jīng)過區(qū)域的厚度、結(jié)構(gòu)缺陷的大小。膠片記錄或顯示具有不同射線強(qiáng)度分布的“圖像”。因此，可以通過檢測穿過被檢物體的輻射強(qiáng)度的相對(duì)差來確定該物體是否有缺陷。

因此可發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的無損檢測手段，只能對(duì)已存在的缺陷進(jìn)行診斷，并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的早期檢測，具有一定的局限性。

3 金屬磁記憶技術(shù)的優(yōu)勢

俄羅斯學(xué)者Doubov A A在1997年提出了金屬磁記憶技術(shù)[4]。這種新型的無損檢測技術(shù)的機(jī)理是：鐵磁元件具有所謂的記憶功能，即在工作載荷和地磁場的作用下，在應(yīng)力集中和變形集中，磁疇組織取向不可逆的區(qū)域具有記憶功能，發(fā)生磁致伸縮特性時(shí)，會(huì)發(fā)生重新取向，這種不可逆的磁性狀態(tài)變化在去除工作負(fù)載后不會(huì)消失。與其他傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)相比，該技術(shù)無需外加激勵(lì)磁場，單靠天然的地磁場對(duì)工件進(jìn)行磁化;不需要對(duì)部件表面預(yù)先進(jìn)行處理，對(duì)工件表面的檢測可在線進(jìn)行且靈敏度高由于該方法能很好的用于鐵磁構(gòu)件缺陷的早期預(yù)防和診斷，因此其一經(jīng)問世，便引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和相關(guān)技術(shù)研究。

目前，金屬磁記憶技術(shù)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：

（1）這種方法不僅可以檢測出微缺陷，而且可以預(yù)測潛在的危險(xiǎn)。這也是磁記憶技術(shù)的最大優(yōu)勢。

（2）該方法不需要外部磁場。它僅通過損壞的構(gòu)件的自有磁場與地球磁場的相互作用，生成泄漏磁場，該磁場的梯度可以通過特殊的磁檢測儀器在應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行測量。

（3）不需要對(duì)部件表面預(yù)先進(jìn)行處理，可大大提高工作效率。

（4）可以非接觸檢測，并且提離效應(yīng)對(duì)檢測結(jié)果影響甚小，目前一種由俄羅斯學(xué)者研發(fā)的磁記憶探測儀器可以探測1m深度的石油管線。

（5）檢測數(shù)據(jù)重復(fù)性與可靠性好。

（6）沒有放射性，無害，無污染，且綠色環(huán)保。

而當(dāng)今階段從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看，雖然漏磁信號(hào)與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的相關(guān)性有了初步的研究，但是漏磁信號(hào)定量分析應(yīng)力水平高低的整體理論基礎(chǔ)還很缺乏，在復(fù)雜環(huán)境因素下，漏磁信號(hào)的改變往往會(huì)顯得雜亂無章，因此如何在多因素條件下，精準(zhǔn)地找到單一可變因素，預(yù)期通過漏磁信號(hào)建立采用漏磁信號(hào)判別應(yīng)力大小的數(shù)值模型還需要進(jìn)一步的研究。但可預(yù)測，金屬磁記憶技術(shù)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷的裂紋發(fā)展模式以及疲勞壽命早期預(yù)估是有效可行的。

4 結(jié)束語

（1）鋼結(jié)構(gòu)疲勞問題影響著結(jié)構(gòu)的使用安全，采用無損檢測手段對(duì)鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷進(jìn)行檢測，具有重要的科學(xué)社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)使用價(jià)值。

（2）常規(guī)的無損檢測手段，只能夠?qū)σ呀?jīng)存在的缺陷進(jìn)行單一檢測，很少能夠?qū)ζ谖⒂^裂紋的早期發(fā)展進(jìn)行診斷，存在一定的局限性。

（3）金屬磁記憶檢測技術(shù)不僅能夠檢測出結(jié)構(gòu)的微觀裂紋，并且能夠預(yù)測結(jié)構(gòu)破壞的潛在的危險(xiǎn)，適合對(duì)鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷進(jìn)行檢測。本文的研究將進(jìn)一步推進(jìn)該技術(shù)在疲勞損傷檢測上的量化應(yīng)用，以期此技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷的早期檢測以及疲勞壽命預(yù)測。

參考文獻(xiàn)：

[1]王春生，劉鑫，俞欣，等.基于無損探測信息的既有鋼橋構(gòu)件疲勞可靠度更新評(píng)估[J].土木工程學(xué)報(bào)，2010（08）：81-87.

[2]李志宏，姚立東，程浩.金屬磁記憶檢測技術(shù)在壓力管道安裝監(jiān)督檢驗(yàn)中的應(yīng)用研究[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2015（18）：97-98.

[3]牧野一成，蔡千華.車輛隱性裂紋的檢查方法[J].國外機(jī)車車輛工藝，2009（02）：44-47.

[4]Doubov Anatoli A. Diagnostics of metal items and equipment by means of metal magnetic memory， Proc of CHSNDT 7Th conference on NDT and International Research Symposium[R]. 1999：181-187.