基于漏磁信號(hào)的持荷鋼絞線銹蝕檢測(cè)試驗(yàn)

李志剛，馬惠香，周建庭，趙亞宇，張 洪

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067；2.重慶財(cái)經(jīng)學(xué)院 公共管理學(xué)院，重慶 401320；3.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；4.廣州市市政工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，廣東 廣州 510520)

鋼絞線拉索作為斜拉橋重要的承載構(gòu)件，其運(yùn)營(yíng)狀況直接關(guān)系到斜拉橋的安全和使用壽命.目前鋼絞線拉索銹蝕已成為影響拉索運(yùn)營(yíng)狀況的關(guān)鍵性因素，但由于其具有隱蔽性，且長(zhǎng)期處于荷載作用下，致使常規(guī)技術(shù)難以檢測(cè)，使得拉索銹蝕檢測(cè)一直是工程界亟待解決的難題.

目前鋼絞線拉索的檢測(cè)方法主要有視覺(jué)法、聲發(fā)射法、射線法和導(dǎo)波法等，但都有局限性.視覺(jué)法存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、施工成本高、效率低、人為因素影響大及存在較大安全隱患等問(wèn)題[1].聲發(fā)射法具有信噪比低、僅能給出相對(duì)檢測(cè)結(jié)果等特點(diǎn).由于鋼絞線拉索內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，損傷裂紋生成區(qū)域不固定，束縛了聲發(fā)射法的應(yīng)用[2].射線法具有檢測(cè)效率低、圖像解釋困難、造價(jià)高等問(wèn)題.導(dǎo)波法存在檢測(cè)精度相對(duì)較低、周向定位困難等問(wèn)題[3].

因此，20世紀(jì)90年代俄羅斯學(xué)者杜波夫(Dubov)首次提出了金屬磁記憶技術(shù)，是迄今為止唯一能夠?qū)﹁F磁性金屬構(gòu)件進(jìn)行早期診斷和壽命評(píng)估工作的無(wú)損檢測(cè)方法[4].金屬磁記憶技術(shù)基本原理如下：鐵磁性材料在地磁場(chǎng)激勵(lì)下，應(yīng)力集中和銹蝕區(qū)域會(huì)發(fā)生磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向和不可逆的重新取向，并在地磁環(huán)境中表現(xiàn)為局部磁異常，形成所謂漏磁場(chǎng)，并以漏磁信號(hào)的形式出現(xiàn)在鐵磁體表面[5-6].與傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法相比，金屬磁記憶技術(shù)因其具有既能發(fā)現(xiàn)構(gòu)件宏觀缺陷，又能發(fā)現(xiàn)因應(yīng)力集中引起的微觀損傷，且不需要外加磁場(chǎng)的優(yōu)點(diǎn)而得到迅速發(fā)展[7].目前磁記憶技術(shù)主要集中應(yīng)用于應(yīng)力集中、疲勞裂紋、焊縫焊接等方面[8]，不僅在實(shí)驗(yàn)室取得了研究成果，而且還在鐵磁性構(gòu)件的質(zhì)量檢測(cè)、分選及石油管道、鍋爐、機(jī)械設(shè)備等強(qiáng)度和壽命的診斷中得到了應(yīng)用.但是金屬磁記憶技術(shù)在土木工程領(lǐng)域應(yīng)用較少，僅針對(duì)小型金屬構(gòu)件進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)研究，尚未應(yīng)用于實(shí)際工程中.鋼絞線拉索作為典型的鐵磁性構(gòu)件，在銹蝕后會(huì)產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中和截面損失缺陷等損傷，并伴有漏磁信號(hào)的累積，發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向和不可逆的重新取向，在缺陷損傷表面形成自發(fā)漏磁場(chǎng)，因此，可利用金屬磁記憶技術(shù)對(duì)鋼絞線的銹蝕進(jìn)行檢測(cè)[9].周建庭等[10]、趙亞宇等[11]結(jié)合金屬磁記憶理論在鐵磁性材料早期缺陷無(wú)損檢測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)拉索腐蝕問(wèn)題，將磁記憶無(wú)損檢測(cè)技術(shù)引入到鋼絞線拉索腐蝕檢測(cè)中，提出了基于金屬磁記憶技術(shù)的鍍鋅鋼絞線拉索腐蝕檢測(cè)新方法，通過(guò)試驗(yàn)分析鋼絞線腐蝕磁記憶漏磁信號(hào)分布變化特征，構(gòu)建基于磁記憶信號(hào)特征的鋼絞線腐蝕度判別準(zhǔn)則，驗(yàn)證了金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)用作鋼絞線腐蝕檢測(cè)的可行性及合理性，為鍍鋅鋼絞線拉索腐蝕檢測(cè)提供了參考.但對(duì)持荷鋼絞線銹蝕漏磁信號(hào)檢測(cè)卻沒(méi)有涉及，而鋼絞線拉索在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中基本都是處于持荷狀態(tài).

基于此，筆者在前期研究的基礎(chǔ)上，對(duì)鋼絞線施加拉力，使鋼絞線處于持荷狀態(tài)，然后對(duì)其進(jìn)行定點(diǎn)加速銹蝕，以進(jìn)一步探究鋼絞線的銹蝕、拉力與漏磁信號(hào)的關(guān)系.

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用工程上常用的Φs15.2(1×7)1860級(jí)鍍鋅鋼絞線.

1.1.2試驗(yàn)設(shè)備

1)張拉試驗(yàn)裝置.鋼絞線拉伸采用的是自主搭建的張拉試驗(yàn)裝置.該張拉試驗(yàn)裝置由電動(dòng)油泵、千斤頂、綜合測(cè)試儀、壓力傳感器和張拉臺(tái)座組成.圖1為張拉試驗(yàn)裝置實(shí)物圖.

圖1 張拉試驗(yàn)裝置實(shí)物圖

2)三軸微磁檢測(cè)掃描裝置.磁信號(hào)采集所用裝置為自主研發(fā)的三軸微磁檢測(cè)掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由掃描裝置、PLC控制系統(tǒng)和電腦控制系統(tǒng)組成.圖2為三軸微磁檢測(cè)掃描系統(tǒng)整體裝置示意圖.通過(guò)掃描裝置系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)三軸自由移動(dòng)掃描檢測(cè)，精度達(dá)0.1 mm.圖3為三軸微磁檢測(cè)掃描裝置實(shí)物圖.圖4為程序界面.傳感器為Honeywell公司研發(fā)的HMR2300智能數(shù)字磁強(qiáng)計(jì)，量程為±2×10-4T，分辨率可達(dá)6.7×10-9T.通過(guò)Visual C++2008軟件編程實(shí)現(xiàn)裝置的自動(dòng)控制.

圖2 三軸微磁檢測(cè)掃描系統(tǒng)整體裝置示意圖

圖3 掃描裝置實(shí)物圖

圖4 程序界面

3)銹蝕裝置.采用外加穩(wěn)壓電源，利用吸水布的強(qiáng)吸水性對(duì)持荷鋼絞線進(jìn)行定點(diǎn)加速銹蝕.電解質(zhì)采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 %的NaCl溶液，將鋼絞線充當(dāng)陽(yáng)極，碳棒充當(dāng)陰極，使電源、鋼絞線、電解質(zhì)溶液和碳棒形成閉合回路進(jìn)行加速銹蝕.圖5為鋼絞線加速銹蝕示意圖.

圖5 鋼絞線加速銹蝕示意圖

1.2 試驗(yàn)步驟和過(guò)程

截取長(zhǎng)度為8 m的鋼絞線試件5根，編號(hào)分別為1#、2#、3#、4#和5#.首先通過(guò)張拉試驗(yàn)裝置，對(duì)平臺(tái)張拉待銹蝕鋼絞線試件采用綜合測(cè)試儀測(cè)試最初張拉力.其次采用電化學(xué)銹蝕裝置對(duì)持荷狀態(tài)下的鋼絞線試件進(jìn)行定點(diǎn)加速銹蝕，電解液中NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，電流為0.5 A，銹蝕寬度為0.05 m，銹蝕時(shí)間分別為0、12、24、36、48、60、72、84、96、108 h，銹蝕區(qū)域?yàn)殇摻g線中間位置.試件定點(diǎn)加速銹蝕結(jié)束后，繼續(xù)用綜合測(cè)試儀測(cè)試持荷狀態(tài)下的鋼絞線試件拉力.然后采用三軸微磁檢測(cè)掃描系統(tǒng)，對(duì)持荷狀態(tài)下的未銹蝕和銹蝕試件分別進(jìn)行磁信號(hào)掃描，掃描范圍為鋼絞線長(zhǎng)度中心對(duì)稱的3.0 m內(nèi)，提離高度z(智能數(shù)字磁強(qiáng)計(jì)距鋼絞線上表面高度)分別為0.01、0.02、0.04、0.08、0.16、0.26、0.36 m.

圖6為采用綜合測(cè)試儀測(cè)試持荷試件在銹蝕的各階段拉力變化情況.由圖6可知，鋼絞線試件在銹蝕階段內(nèi)變化主要分為2個(gè)階段，即拉力平穩(wěn)階段和拉力下降階段.造成這種情況的原因主要是在銹蝕初期階段，試件銹蝕缺陷處截面可以承受初始拉應(yīng)力荷載，使試件拉應(yīng)力荷載處于平穩(wěn)階段；當(dāng)銹蝕缺陷處截面削弱嚴(yán)重時(shí)截面將不足以承受初始拉應(yīng)力荷載，試件會(huì)發(fā)生局部斷絲，并會(huì)在斷絲處產(chǎn)生滑移，最終導(dǎo)致試件拉應(yīng)力下降.圖7為持荷鋼絞線銹蝕過(guò)程.

圖6 銹蝕各階段鋼絞線拉力變化情況

圖7 持荷鋼絞線銹蝕過(guò)程

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，不同鋼絞線試件的漏磁信號(hào)分布規(guī)律表現(xiàn)出很強(qiáng)的相似性，說(shuō)明試驗(yàn)具有良好的可重復(fù)性和可靠性.為此，筆者僅以1#鋼絞線試件作為研究對(duì)象.圖8和圖9分別為持荷鋼絞線試件磁感應(yīng)強(qiáng)度切向分量Bx、法向分量Bz與位置x的關(guān)系曲線圖，其中t為銹蝕時(shí)間，C為鋼絞線的銹蝕度.

圖8 持荷鋼絞線試件磁感應(yīng)強(qiáng)度切向分量與位置的關(guān)系曲線

圖9 持荷鋼絞線試件磁感應(yīng)強(qiáng)度法向分量與位置的關(guān)系曲線

由圖8、9可知，當(dāng)持荷鋼絞線未銹蝕時(shí)，表面漏磁信號(hào)出現(xiàn)隨機(jī)波動(dòng)，主要是由于鋼絞線在生產(chǎn)過(guò)程中內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不均勻，且這種不均勻是隨機(jī)分布的.根據(jù)磁機(jī)械效應(yīng)自發(fā)漏磁理論[12]可知：存在自發(fā)磁化的鐵磁性材料在材料內(nèi)部組織不均勻處產(chǎn)生漏磁場(chǎng)；鍍鋅鋼絞線作為典型鐵磁性材料，在材料表面形成了自發(fā)漏磁場(chǎng).

當(dāng)持荷鋼絞線發(fā)生銹蝕時(shí)，銹蝕時(shí)間t=36 h，銹蝕度C=37.11%時(shí)，鋼絞線漏磁信號(hào)有少許變化，但總體變化不大.主要是鋼絞線表層有鍍鋅層，試件銹蝕程度較低，截面損失較小，漏磁信號(hào)累積較少，在鋼絞線缺陷損傷表面形成自發(fā)漏磁場(chǎng)較小.隨著試件銹蝕程度的增加，t≥72 h，C≥74.22%時(shí)，鋼絞線銹蝕區(qū)域漏磁信號(hào)隨之增強(qiáng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度切向分量在銹蝕區(qū)域兩端交匯于一點(diǎn)，且在試件銹蝕中間位置具有最大值，磁感應(yīng)強(qiáng)度法向分量在試件銹蝕兩端具有反向極大值和極小值.因此，可通過(guò)鋼絞線漏磁信號(hào)曲線定量判定鋼絞線銹蝕位置及范圍.

為進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)，對(duì)不同銹蝕程度持荷鋼絞線漏磁信號(hào)剔除背景磁場(chǎng)，進(jìn)行量綱一化處理，并對(duì)比分析所得數(shù)據(jù).圖10為持荷鋼絞線漏磁信號(hào)的磁感應(yīng)強(qiáng)度切向和法向分量量綱一化峰值與位置、銹蝕度的關(guān)系曲線，其中Sx=Bx/|Bx|max,Sz=Bz/|Bz|max.

圖10 磁感應(yīng)強(qiáng)度切向和法向分量量綱一化峰值與位置、銹蝕度的關(guān)系曲線

由圖10可知：在持荷鋼絞線未銹蝕區(qū)域，漏磁信號(hào)的磁感應(yīng)強(qiáng)度切向和法向分量量綱一化峰值變化較??；在持荷鋼絞線銹蝕區(qū)域，漏磁信號(hào)切向和法向分量量綱一化峰值變化較大，且隨著銹蝕程度的增加，漏磁信號(hào)磁感應(yīng)強(qiáng)度切向和法向分量量綱一化峰值與銹蝕程度存在一定的關(guān)系.對(duì)持荷鋼絞線銹蝕漏磁信號(hào)磁感應(yīng)強(qiáng)度量綱一化峰值曲線進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，切向和法向分量量綱一化峰值與銹蝕程度均呈Boltzmann函數(shù)分布，且擬合效果較好.計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中：Sx為持荷鋼絞線銹蝕漏磁信號(hào)磁感應(yīng)強(qiáng)度切向分量量綱一化峰值；Sz為磁感應(yīng)強(qiáng)度法向分量量綱一化峰值.另外，理論銹蝕度C即為鋼絞線銹蝕前、后的質(zhì)量損失率.

通過(guò)對(duì)鋼絞線銹蝕程度與漏磁信號(hào)進(jìn)一步分析可知，漏磁信號(hào)特征參量——磁感應(yīng)強(qiáng)度切向和法向分量量綱一化峰值與鋼絞線銹蝕程度存在一定關(guān)系.為此,可通過(guò)分析磁感應(yīng)強(qiáng)度切向和法向分量量綱一化峰值的變化情況，對(duì)鋼絞線銹蝕程度進(jìn)行判斷.

進(jìn)一步分析鋼絞線拉力與漏磁信號(hào)磁感應(yīng)強(qiáng)度切向和法向分量量綱一化峰值關(guān)系，結(jié)果如圖11所示.由圖11可知：在鋼絞線銹蝕漏磁信號(hào)磁感應(yīng)強(qiáng)度切向和法向分量量綱一化峰值形成初期，峰值變化平穩(wěn)，拉應(yīng)力緩慢下降，拉力幅值變化較??；當(dāng)峰值增加到一定程度時(shí)，拉力急劇下降.

圖11 鋼絞線拉力與銹蝕度及漏磁信號(hào)峰值的關(guān)系曲線

通過(guò)對(duì)鋼絞線拉力及漏磁信號(hào)磁感應(yīng)強(qiáng)度切向和法向分量量綱一化峰值曲線進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，鋼絞線拉力與磁感應(yīng)強(qiáng)度切向和法向分量量綱一化峰值均呈Boltzmann函數(shù)分布，且擬合效果較好.F與Sx、Sz的關(guān)系公式如下：

(3)

(4)

通過(guò)對(duì)鋼絞線拉力與漏磁信號(hào)磁感應(yīng)強(qiáng)度切向和法向分量量綱一化峰值進(jìn)一步分析可知，鋼絞線銹蝕程度的漏磁信號(hào)特征參量——磁感應(yīng)強(qiáng)度切向和法向分量量綱一化峰值與鋼絞線拉力大小具有一定關(guān)系.因此，可通過(guò)鋼絞線漏磁信號(hào)磁感應(yīng)強(qiáng)度切向和法向分量量綱一化峰值對(duì)鋼絞線拉力的大小進(jìn)行判斷.

3 結(jié) 論

1)隨著鋼絞線銹蝕程度的增加，持荷鋼絞線漏磁信號(hào)隨之增強(qiáng)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度切向分量在銹蝕區(qū)域兩端交匯于一點(diǎn)，且在銹蝕中間位置具有最大值，法向分量在銹蝕兩端具有反向極大值和極小值，由此可定量檢測(cè)鋼絞線銹蝕位置及范圍.

2)持荷鋼絞線銹蝕漏磁信號(hào)的磁感應(yīng)強(qiáng)度切向和法向分量量綱一化峰值與銹蝕程度、鋼絞線拉力均呈Boltzmann函數(shù)分布，由此可定量判定鋼絞線銹蝕程度與拉力的大小.

3)筆者選取了5根鋼絞線試件進(jìn)行了相關(guān)性試驗(yàn)研究，現(xiàn)象及關(guān)系式都比較清晰，但在多因素(多根鋼絞線、循環(huán)荷載等)耦合作用下的定量關(guān)系還需進(jìn)一步深入研究.