趙亞宇,周建庭,夏潤(rùn)川,何 沁,張澤宇
1)重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院,重慶 400074;2)貴州高速公路集團(tuán)有限公司,貴州貴陽(yáng) 550021
拉索作為斜拉橋重要的承載構(gòu)件,其健康狀況直接關(guān)系到斜拉橋的安全和使用壽命[1-2]. 拉索主要由高強(qiáng)鋼絲束組成. 鍍鋅鋼絞線拉索由于運(yùn)輸方便、施工張拉簡(jiǎn)便,可節(jié)約大量施工場(chǎng)地,在國(guó)內(nèi)外拉索系統(tǒng)工程中得到了廣泛應(yīng)用[3]. 由于鍍鋅鋼絞線拉索在運(yùn)營(yíng)階段,長(zhǎng)期承受恒載與疲勞荷載作用,會(huì)面臨護(hù)套容易老化開(kāi)裂甚至拉索腐蝕使防護(hù)系統(tǒng)年久失效的風(fēng)險(xiǎn),且又暴露在風(fēng)雨、潮濕和污染空氣的自然環(huán)境中,極易遭受環(huán)境腐蝕[4-6]. 一旦鍍鋅鋼絞線拉索發(fā)生腐蝕,會(huì)造成拉索承載截面削弱,并將會(huì)導(dǎo)致拉索的索力偏離正常工作狀態(tài),直接影響拉索系統(tǒng)的內(nèi)力分布乃至斜拉橋結(jié)構(gòu)線型,進(jìn)而會(huì)造成拉索系統(tǒng)以及斜拉橋整體結(jié)構(gòu)的抗力退化、耐久性降低[7-8]. 目前國(guó)內(nèi)外拉索損傷檢測(cè)技術(shù)主要包括機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)法、壓力傳感器法、振動(dòng)頻率法和射線檢測(cè)法等[9]. 雖然斜拉橋拉索檢測(cè)方法有很多,但是針對(duì)拉索腐蝕具有隱蔽性、難以檢測(cè)的特點(diǎn),現(xiàn)有常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)有一定的局限性,并不能很好的適用于拉索腐蝕檢測(cè)實(shí)際工程應(yīng)用,因此急切需要研究或引進(jìn)一種新方法對(duì)橋梁拉索腐蝕進(jìn)行檢測(cè).
磁記憶(metal magnetic memory,MMM)檢測(cè)技術(shù)一經(jīng)提出便受到了無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域?qū)<业膹V泛關(guān)注,并迅速成為研究熱點(diǎn)[10]. 磁記憶技術(shù)主要是通過(guò)測(cè)量鐵磁材料構(gòu)件表面漏磁信號(hào)的變化來(lái)分析應(yīng)力集中、缺陷或損傷的位置及程度. 目前該技術(shù)在石油化工、電力工程和航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[11-12]. 但在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用較少[13]. 作為斜拉橋拉索系統(tǒng)工程常用的材料,鋼絞線的腐蝕也會(huì)導(dǎo)致其表面漏磁信號(hào)發(fā)生變化.為此,本研究將磁記憶檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到鋼絞線腐蝕的檢測(cè)中.
由鐵磁學(xué)可知,鐵磁材料的基本特點(diǎn)是存在自發(fā)磁化和磁疇結(jié)構(gòu),在外加載荷和地磁場(chǎng)作用下,材料內(nèi)部磁疇壁會(huì)沿著地磁場(chǎng)發(fā)生定向和不可逆重新取向,導(dǎo)致材料的磁特性發(fā)生改變,使材料發(fā)生磁化,并呈現(xiàn)出一定的磁性,且在載荷消除后保留了這種磁化狀態(tài),也正是磁記憶存在的必要條件. 由于地磁場(chǎng)在特定范圍內(nèi)可以看作是一穩(wěn)恒磁場(chǎng),為此,當(dāng)處于地磁場(chǎng)作用下的鐵磁性材料完好時(shí),可認(rèn)為沿長(zhǎng)度或軸線方向材料的磁化強(qiáng)度是均勻分布的;當(dāng)鐵磁性材料發(fā)生應(yīng)力集中或含有缺陷等損傷時(shí),在地磁場(chǎng)和載荷共同作用下,由于鐵磁性材料具有高磁導(dǎo)率,則在損傷處會(huì)出現(xiàn)磁導(dǎo)率躍變,進(jìn)而會(huì)造成材料磁化不均勻,影響了材料原磁化強(qiáng)度的均勻分布,導(dǎo)致了材料內(nèi)部磁場(chǎng)在損傷處發(fā)生“泄漏”,形成所謂“漏磁場(chǎng)”[14-15]. 因此,磁記憶檢測(cè)技術(shù)實(shí)質(zhì)是地磁場(chǎng)和載荷共同作用下的一種弱漏磁檢測(cè)技術(shù),可依據(jù)鐵磁材料表面與應(yīng)力集中、缺陷等損傷信息相關(guān)的漏磁效應(yīng),來(lái)對(duì)材料損傷進(jìn)行判斷. 圖1為鐵磁材料的磁場(chǎng)分布示意圖. 由圖1分析可知,鐵磁材料表面實(shí)際測(cè)量得到的磁場(chǎng)H是環(huán)境磁場(chǎng)He、 退磁場(chǎng)Hd和漏磁場(chǎng)Hp矢量疊加的結(jié)果,即
H=He+Hd+Hp
(1)
其中,He為環(huán)境磁場(chǎng),主要包括地磁場(chǎng)和鐵磁性材料周?chē)渌麡?gòu)件及設(shè)備產(chǎn)生的磁場(chǎng);Hd為鐵磁性材料在環(huán)境磁場(chǎng)和載荷共同作用下的自發(fā)感應(yīng)磁場(chǎng);Hp為鐵磁性材料在缺陷處發(fā)生磁泄漏產(chǎn)生的漏磁場(chǎng),且方向與退磁場(chǎng)Hd相反.
圖1 鐵磁構(gòu)件磁場(chǎng)分布示意圖Fig.1 (Color online) Magnetic field distribution diagrams of ferromagnetic components
本試驗(yàn)試件采用15-7?5規(guī)格的鍍鋅鋼絞線,每根鋼絞線由7股直徑為5 mm的鋼絲絞合而成,公稱(chēng)直徑為15.24 mm,鍍鋅鋼絞線的部分化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為:C為0.75%~0.85%,Si為0.12%~0.32%,Mn為0.60%~0.90%,S為不大于0.025%,Cu為不大于0.2%.
2.2.1 電化學(xué)腐蝕裝置與設(shè)備.
鋼絞線腐蝕的實(shí)質(zhì)是發(fā)生了微電池腐蝕,為此可利用電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)方法對(duì)鋼絞線試件進(jìn)行腐蝕. 首先將直流電源的正極與待腐蝕試件相連接,負(fù)極與浸沒(méi)于5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NaCl電解質(zhì)溶液中的碳棒相連接.其次,將吸水布覆蓋在試件待腐蝕區(qū)域,同時(shí)將吸水布浸入電解質(zhì)溶液中,從而形成閉合回路. 圖2為鋼絞線電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)示意圖.
圖2 鋼絞線試件電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)示意圖Fig.2 (Color online) Schematic diagram of electrochemical corrosion test of steel strand specimens
2.2.2 三軸微磁檢測(cè)掃描系統(tǒng).
本試驗(yàn)采用的缺陷漏磁檢測(cè)儀器為三軸微磁檢測(cè)掃描系統(tǒng). 該系統(tǒng)主要由X、Y和Z軸等三軸機(jī)械位移系統(tǒng)和HMR2300三軸微磁傳感器組成.其中,三軸機(jī)械位移系統(tǒng)主要由掃描軌道和步進(jìn)電機(jī)組成,該機(jī)械位移系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)空間三軸自由移動(dòng)掃描.HMR2300三軸微磁傳感器是一種智能數(shù)字磁強(qiáng)計(jì),與三軸機(jī)械位移系統(tǒng)相連接,可實(shí)現(xiàn)被對(duì)鐵磁構(gòu)件空間位置磁信號(hào)的精確測(cè)量.
2.3.1 試件準(zhǔn)備及編號(hào)
為探究試件長(zhǎng)度對(duì)漏磁信號(hào)的影響,制備3組鋼絞線試件,并按1、2和3編組,每組試件共有5個(gè),每組試件長(zhǎng)度(l)分別為0.80、0.12、0.16、0.20和0.24 m.為探究腐蝕寬度對(duì)漏磁信號(hào)的影響,取每組試件的腐蝕寬度分別為0.05、0.10和0.15 m. 根據(jù)試件制備情況,可將試件按長(zhǎng)度加上腐蝕寬度進(jìn)行編號(hào),見(jiàn)表1.
表1 鋼絞線腐蝕試驗(yàn)試件編號(hào)
2.3.2 試件初始稱(chēng)重、磁信號(hào)掃描
利用精密電子秤對(duì)未腐蝕試件進(jìn)行稱(chēng)重,之后采用三軸微磁檢測(cè)掃描系統(tǒng)對(duì)試件進(jìn)行初始漏磁信號(hào)掃描,掃描路徑為沿試件長(zhǎng)度方向順向掃描,掃描方式采取不同提離值進(jìn)行掃描.圖3為鋼絞線試件磁信號(hào)掃描示意圖.
圖3 鋼絞線試件磁信號(hào)掃描示意圖Fig.3 (Color online) Schematic diagram of magnetic scanning signal of steel strand specimens
2.3.3 試件電化學(xué)腐蝕
采用電化學(xué)腐蝕裝置對(duì)完成步驟2.3.2的試件中間待腐蝕區(qū)域進(jìn)行定點(diǎn)加速腐蝕,腐蝕寬度按表2取值,電解液NaCl溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%,通電腐蝕電流為0.5 A,通電腐蝕時(shí)間間隔為12 h.
2.3.4 試件腐蝕后稱(chēng)重及磁信號(hào)掃描
試件電化學(xué)腐蝕完成后,重復(fù)步驟2.3.2,依次按照每12 h為1個(gè)腐蝕間隔,在腐蝕間隔結(jié)束后對(duì)試件進(jìn)行稱(chēng)重和磁信號(hào)掃描,直至試件腐蝕嚴(yán)重.
為探究鋼絞線試件沿長(zhǎng)度方向上腐蝕磁記憶漏磁信號(hào)的變化特征和影響因素,分別進(jìn)行不同腐蝕程度、不同腐蝕寬度和不同試件長(zhǎng)度的試件腐蝕漏磁檢測(cè)研究. 該試驗(yàn)采用電化學(xué)腐蝕方法對(duì)試件進(jìn)行腐蝕,之后,運(yùn)用三軸微磁檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)試件腐蝕前后的磁信號(hào)進(jìn)行順向水平掃描,提離值y分別按照0.01 ~0.11 m(間隔為0.01 m)和0.11 ~0.36 m(間隔為0.05 m)取值,共16條順向掃描路徑,水平磁信號(hào)掃描路徑取試件長(zhǎng)度中心對(duì)稱(chēng)的0.2 m范圍.
在試件進(jìn)行磁信號(hào)掃描前,先對(duì)試件預(yù)掃描路徑的試驗(yàn)平臺(tái)周?chē)尘按艌?chǎng)(地磁場(chǎng))進(jìn)行初始掃描,目的是探究試驗(yàn)平臺(tái)周?chē)卮艌?chǎng)是否均勻穩(wěn)定,對(duì)排除后續(xù)試驗(yàn)的干擾較為有利,結(jié)果見(jiàn)圖4. 其中,Bx為背景磁場(chǎng)的切向分量. 由圖4可知,不同提離值下的背景磁場(chǎng)切向分量變化趨勢(shì)平緩且較為一致,說(shuō)明試驗(yàn)平臺(tái)周?chē)尘按艌?chǎng)變化較為均勻,不存在明顯影響環(huán)境磁場(chǎng)的磁性物質(zhì).
圖4 試驗(yàn)平臺(tái)背景磁場(chǎng)磁信號(hào)曲線Fig.4 (Color online) The magnetic signal curve of the background magnetic field of the test platform
為探究磁測(cè)傳感器提離值對(duì)漏磁信號(hào)檢測(cè)的影響程度,對(duì)不同提離值下試件的缺陷漏磁進(jìn)行檢測(cè). 通過(guò)對(duì)采集的試件磁信號(hào)數(shù)據(jù)處理分析,發(fā)現(xiàn)相同工況下的試件漏磁信號(hào)曲線具有相似的變化規(guī)律,為此,本研究?jī)H以80-5#試件腐蝕60 h的漏磁信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)合地磁場(chǎng)(背景磁場(chǎng))對(duì)磁記憶漏磁信號(hào)的影響較小,將試件漏磁信號(hào)數(shù)據(jù)扣除背景磁場(chǎng)[16-17]. 由于針對(duì)不同的試件,得出的結(jié)果差異性較大,不便于分析,為了使漏磁信號(hào)分析處理直觀方便,將缺陷漏磁信號(hào)做歸一化處理(確保缺陷漏磁信號(hào)信息完整,即在腐蝕區(qū)域取漏磁信號(hào)的極值作為相對(duì)值),結(jié)果見(jiàn)圖5.
圖5 不同提離值下的漏磁信號(hào)變化曲線Fig.5 (Color online) The magnetic flux leakage signal as function of lift-off value
由圖5(b)分析可知,試件腐蝕漏磁信號(hào)切向分量歸一化峰值Sp與提離值y的變化關(guān)系擬合曲線呈現(xiàn)Boltzmann函數(shù)分布,且擬合曲線的相關(guān)系數(shù)為R2=0.994, 接近于1,表明擬合效果較好,即
(2)
結(jié)合圖5和式(2)可知,在提離值較小的情況下,隨著提離值的增加,試件漏磁信號(hào)曲線峰值急劇下降,提離值上輕微的差異,便可造成峰值產(chǎn)生較大的波動(dòng);在提離值較大的情況下,隨著提離值的增加,試件漏磁信號(hào)曲線峰值趨于穩(wěn)定,但峰值較小,難以區(qū)分信號(hào)間的差異,不利于腐蝕漏磁檢測(cè). 因此在實(shí)際工程腐蝕漏磁檢測(cè)應(yīng)用中,需要選取合理的磁測(cè)傳感器提離值.
為探究腐蝕寬度對(duì)試件缺陷漏磁信號(hào)的影響,進(jìn)行了不同腐蝕寬度的試件腐蝕漏磁檢測(cè). 通過(guò)對(duì)本試驗(yàn)采集的試件磁信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,發(fā)現(xiàn)各試件漏磁信號(hào)曲線具有相似的變化規(guī)律,為此,僅以80-5#、80-10#和80-15#試件分別腐蝕60、120和180 h進(jìn)行分析.確保3個(gè)試件的腐蝕度均為61.85%.
根據(jù)法拉第電解定律可得試件腐蝕度為
(3)
其中,m0為試件待腐蝕區(qū)域腐蝕之前的質(zhì)量; Δm為根據(jù)法拉第電解定律計(jì)算的試件腐蝕區(qū)域損失量(單位為kg);k為比例常數(shù),是電化學(xué)當(dāng)量,與陽(yáng)極金屬介質(zhì)相關(guān)(單位為kg/(A·s));I為通過(guò)陽(yáng)極金屬的電流(單位為A);t為通電電解時(shí)間(單位為s);ρv為試件體密度,在此假定鋼絞線試件質(zhì)量均勻;l0為試件腐蝕區(qū)域?qū)挾龋籖0為試件半徑,在此假定鋼絞線試件是截面均勻變化的圓柱體.
取提離值y=0.01 m分析上述3個(gè)試件漏磁信號(hào)數(shù)據(jù). 漏磁信號(hào)數(shù)據(jù)處理方法采取與提離值影響性分析相同的方式,結(jié)果見(jiàn)圖6. 由圖6可知,隨著腐蝕寬度的增加,缺陷漏磁信號(hào)切向分量變化趨勢(shì)不具有規(guī)律性,造成上述原因可能是由于本試驗(yàn)僅以0.05、0.10和0.15 m作為腐蝕寬度的取值,導(dǎo)致選取的腐蝕寬度變量值過(guò)少,不能反映腐蝕漏磁信號(hào)切向分量與腐蝕寬度的關(guān)系規(guī)律.
圖6 不同腐蝕寬度下的漏磁信號(hào)變化曲線Fig.6 (Color online) Change curve of magnetic flux leakage signal under different corrosion width
為了探究腐蝕深度對(duì)漏磁信號(hào)的影響程度,采用電化學(xué)腐蝕方法對(duì)本研究試件進(jìn)行不同程度的腐蝕. 通過(guò)對(duì)試件不同腐蝕程度的漏磁信號(hào)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),各試件間的漏磁信號(hào)曲線具有較強(qiáng)的相似性,為此僅以80-5#試件為例來(lái)進(jìn)行分析,限于篇幅,僅以部分腐蝕階段的漏磁信號(hào)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖展示,結(jié)果見(jiàn)圖7. 由圖7分析可知,試件未發(fā)生腐蝕時(shí),試件漏磁信號(hào)在中間區(qū)域相對(duì)變化較為平緩;當(dāng)試件腐蝕48 h時(shí),不同提離值下的漏磁信號(hào)切向分量曲線在腐蝕區(qū)域發(fā)生明顯交匯,且交匯點(diǎn)基本位于關(guān)于缺陷漏磁信號(hào)切向分量極值對(duì)稱(chēng)的兩點(diǎn)(簡(jiǎn)稱(chēng)曲線交匯點(diǎn)),兩交匯點(diǎn)的間距為d=80.1 mm,包含了腐蝕區(qū)域(試件腐蝕寬度為50 mm),由此可利用不同提離值下的漏磁信號(hào)曲線交匯點(diǎn)來(lái)對(duì)腐蝕區(qū)域進(jìn)行大致判別.
圖7 不同腐蝕程度下的漏磁信號(hào)變化曲線Fig.7 (Color online) Change curve of magnetic flux leakage signal under different corrosion degree
為了進(jìn)一步探究腐蝕深度對(duì)漏磁信號(hào)的影響程度,取80-5#試件在特定提離值下不同腐蝕程度的缺陷漏磁信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析,如圖8所示. 由圖8分析可知,隨著腐蝕程度的增加,試件缺陷漏磁信號(hào)切向分量歸一化峰值Sp逐漸增加. 通過(guò)對(duì)試件腐蝕漏磁信號(hào)歸一化峰值曲線進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn),切向分量歸一化峰值與腐蝕程度的關(guān)系擬合曲線同樣呈現(xiàn)Boltzmann函數(shù)分布,且擬合曲線的相關(guān)系數(shù)為R2=0.994, 接近于1,表明擬合效果較好,為
(4)
其中,t為銹蝕時(shí)間.
結(jié)合圖8和式(4)可知,試件缺陷漏磁信號(hào)切向分量峰值與腐蝕度具有確切關(guān)系式,說(shuō)明通過(guò)對(duì)試件表面漏磁信號(hào)峰值特征的分析,可以反演出試件腐蝕程度.
圖8 試件漏磁信號(hào)與腐蝕度的關(guān)系曲線Fig.8 (Color online) Relationship curve between specimen magnetic leakage signal and corrosion degree
為了探究試件長(zhǎng)度對(duì)腐蝕漏磁信號(hào)的影響情況,進(jìn)行了不同試件長(zhǎng)度下的試件缺陷漏磁信號(hào)檢測(cè). 通過(guò)對(duì)采集到的試件漏磁信號(hào)數(shù)據(jù)分析,同樣發(fā)現(xiàn)各試件間的漏磁信號(hào)曲線具有較強(qiáng)的相似性.為此僅對(duì)80-5#、120-5#、160-5#、200-5#和240-5#等5個(gè)試件,提離值為0.01 m、腐蝕時(shí)間為48 h的漏磁信號(hào)數(shù)據(jù)作為對(duì)象進(jìn)行分析,并將漏磁信號(hào)數(shù)據(jù)扣除背景磁場(chǎng)和局部歸一化處理,結(jié)果見(jiàn)圖9. 由圖9可分析得到腐蝕漏磁信號(hào)與試件長(zhǎng)度之間的關(guān)系,針對(duì)試件缺陷漏磁信號(hào)曲線,隨著試件長(zhǎng)度的增加,在相同的腐蝕程度和相同提離值下,不同試件長(zhǎng)度的漏磁信號(hào)曲線具有逐漸靠近的趨勢(shì),且曲線變化規(guī)律也變得較為相似,這可以結(jié)合磁記憶弱漏磁檢測(cè)理論來(lái)解釋. 隨著試件長(zhǎng)度的增加,試件退磁場(chǎng)對(duì)遠(yuǎn)離試件端頭和試件中間腐蝕區(qū)域的影響逐漸被削弱,而缺陷漏磁場(chǎng)在腐蝕區(qū)域的作用逐漸明顯,最終使不同試件長(zhǎng)度下的試件漏磁信號(hào)曲線均呈現(xiàn)缺陷漏磁場(chǎng)的變化形式. 當(dāng)試件長(zhǎng)度超過(guò)一定值時(shí),針對(duì)腐蝕程度一樣的試件,缺陷漏磁信號(hào)曲線變化規(guī)律較為一致. 對(duì)于試件缺陷漏磁信號(hào)曲線峰值特征量,隨著試件長(zhǎng)度的增加,漏磁信號(hào)切向分量歸一化峰值與試件長(zhǎng)度不具有特定關(guān)系. 結(jié)合磁記憶弱漏磁檢測(cè)理論,可知造成上述試驗(yàn)與理論不符合現(xiàn)象的原因,可能是由于不同試件之間的自發(fā)磁化參數(shù)存在差異性.
圖9 試件漏磁信號(hào)與試件長(zhǎng)度的關(guān)系曲線Fig.9 (Color online) Relationship between specimen magnetic leakage signal and specimen length
1)試件腐蝕漏磁信號(hào)切向分量歸一化峰值與磁測(cè)傳感器的提離值呈現(xiàn)Boltzmann分布. 磁測(cè)傳感器的提離值較小時(shí),試件腐蝕漏磁信號(hào)峰值隨著提離值的增加而急劇下降;磁測(cè)傳感器的提離值較大時(shí),試件腐蝕漏磁信號(hào)峰值隨著提離值的增加變化較小,難以區(qū)分信號(hào)間的差異. 為此,在實(shí)際腐蝕檢測(cè)過(guò)程中,要選擇合理的磁測(cè)傳感器的提離值.
2)試件腐蝕程度對(duì)試件腐蝕漏磁信號(hào)分布具有明顯的影響. 隨著腐蝕程度的增大,試件腐蝕漏磁信號(hào)切向分量歸一化峰值逐漸增大,且增大的趨勢(shì)與試件腐蝕程度之間呈Boltzmann分布. 為此,可將漏磁信號(hào)切向分量峰值作為評(píng)判試件腐蝕程度的特征參量.
3)本研究主要是針對(duì)單一鋼絞線試件在有限影響因素下的腐蝕磁記憶漏磁檢測(cè)試驗(yàn),而對(duì)于多因素耦合(荷載、溫度和鋼絞線束組)作用下的鋼絞線腐蝕檢測(cè)試驗(yàn)還未涉及,為了獲取多因素耦合作用下鋼絞線腐蝕磁記憶漏磁特性,使磁記憶漏磁檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際鋼絞線腐蝕檢測(cè)工程中來(lái),后續(xù)試驗(yàn)將針對(duì)多因素耦合下的鋼絞線腐蝕檢測(cè)試驗(yàn)進(jìn)行研究.