元壩氣田懸索橋吊索體系檢測(cè)強(qiáng)度評(píng)估

蔡鎖德，文曉龍，華小濤，劉 鵬，王 強(qiáng)（．中國(guó)石化　西南油氣分公司，四川　閬中6700；．甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，蘭州70070；．渤海裝置遼河重工有限公司，遼寧盤錦00；．寧夏鍋爐壓力容器檢所，銀川70000；．榆林市特種設(shè)備設(shè)備檢驗(yàn)所，陜西榆林79000）

元壩氣田懸索橋吊索體系檢測(cè)強(qiáng)度評(píng)估

蔡鎖德1，文曉龍2，華小濤3，劉 鵬4，王 強(qiáng)5
（1．中國(guó)石化西南油氣分公司，四川閬中637400；2．甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，蘭州730070；3．渤海裝置遼河重工有限公司，遼寧盤錦124010；4．寧夏鍋爐壓力容器檢所，銀川750000；5．榆林市特種設(shè)備設(shè)備檢驗(yàn)所，陜西榆林719000）①

通過(guò)對(duì)元壩氣田懸索橋中的吊索體系進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)弱磁檢測(cè)，并對(duì)收集的吊索參數(shù)信息進(jìn)行整理、分類；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的有效截面積當(dāng)量損失，評(píng)價(jià)了吊索體系拉伸剩余強(qiáng)度。得到吊索體系中受損最嚴(yán)重的吊索的拉伸剩余強(qiáng)度為1 646 M Pa，滿足懸索橋的強(qiáng)度要求。

吊索體系；剩余強(qiáng)度；弱磁檢測(cè)法

吊索體系作為懸索橋中最薄弱的環(huán)節(jié)，它的力學(xué)性能及其安全性決定了整個(gè)懸索橋的安全與壽命。元壩氣田屬于超高含量H2S氣田，且C O2含量也很高，所以對(duì)于氣體泄漏的控制要求極其嚴(yán)格。管線經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)期的使用，可能導(dǎo)致懸索結(jié)構(gòu)腐蝕和疲勞的累積，如果吊索的應(yīng)力過(guò)大、應(yīng)力變化不均勻、管線變形、塔基礎(chǔ)及邊坡?tīng)顩r變化等，會(huì)影響懸索橋和酸氣管線的安全運(yùn)行。橋梁的吊索體系是大跨懸索橋的重要組成部分，由于吊索結(jié)構(gòu)相對(duì)于其它構(gòu)件十分纖細(xì)，在較高應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下，吊索成為整個(gè)結(jié)構(gòu)體系中對(duì)損傷最為敏感的構(gòu)件。通過(guò)檢測(cè)懸索橋的吊索，并對(duì)其剩余強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，確保管線懸索橋的安全性。

1 檢測(cè)方法及原理

對(duì)吊索鋼絲繩進(jìn)行損傷檢測(cè)的方法有人工檢測(cè)法、磁檢測(cè)法、放射線檢測(cè)法、聲發(fā)射檢測(cè)法；其中，磁檢測(cè)法一直是檢測(cè)鋼鐵工件的首選方法。鋼絲繩絕大多數(shù)采用導(dǎo)磁性能良好的高碳鋼制成，很適合于利用電磁檢測(cè)法進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)磁檢測(cè)法具有成本較低，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

本次現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)將使用T C K便攜式鋼絲繩探傷儀檢測(cè)，它是運(yùn)用“磁場(chǎng)空間矢量合成”的原理，通過(guò)檢測(cè)鋼絲繩上的磁場(chǎng)變化，來(lái)得到鋼絲繩的損傷面積，并且應(yīng)用現(xiàn)代斷裂力學(xué)方法，建立其失效概率計(jì)算方程和吊索系統(tǒng)疲勞失效方程，考慮構(gòu)件腐蝕后進(jìn)行吊索系統(tǒng)安全剩余疲勞強(qiáng)度的評(píng)估計(jì)算。

檢測(cè)原理為：鋼絲繩被磁化后，在鋼絲繩內(nèi)部產(chǎn)生主磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz，在鋼絲繩表面產(chǎn)生主漏磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz1。Bz1與缺陷磁感應(yīng)強(qiáng)度方向相反，傳感器對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行綜合處理時(shí)，用補(bǔ)償磁感應(yīng)矢量Bb來(lái)抵消主漏磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz1。檢測(cè)某點(diǎn)傳感線圈捕捉到的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量，是鋼絲繩外該點(diǎn)各種磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量沿軸向分量的矢量和，即：

Bs＝Bz1＋Bb＋Bh＋By＋Bd＋Bm＋

式中：Bs為傳感線圈捕捉到的磁感應(yīng)強(qiáng)度；Bz1為主漏磁感應(yīng)強(qiáng)度；Bb為補(bǔ)償磁感應(yīng)強(qiáng)度；Bh為環(huán)境磁感應(yīng)強(qiáng)度；By為偏移磁感應(yīng)強(qiáng)度；Bd為斷絲漏磁感應(yīng)強(qiáng)度；Bm為磨損漏磁感應(yīng)強(qiáng)度；Bx為銹蝕漏磁感應(yīng)強(qiáng)度；Bp為疲勞漏磁感應(yīng)強(qiáng)度；Bb為變形漏磁感應(yīng)強(qiáng)度；Bn為第n個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量；Bi為任何缺陷磁感應(yīng)強(qiáng)度。

實(shí)驗(yàn)表明：傳感線圈的輸出信號(hào)U是Bs的函數(shù)，缺陷當(dāng)量ΔS又是U的函數(shù)。U＝F（Bs）ΔS＝F（U）

式中：U為傳感線圈輸出的電壓信號(hào)。

式中：ΔS為缺陷當(dāng)量或損耗面積的百分比數(shù)；A為比例系數(shù)（由實(shí)驗(yàn)所得）；C為常數(shù)。

鋼絲損傷點(diǎn)的面積損耗值ΔS變成了場(chǎng)強(qiáng)Bi的函數(shù)。

用TC K便攜式鋼絲繩探傷儀進(jìn)行檢測(cè)之后，將得到鋼絲繩的此波形圖及損傷報(bào)告，由此我們就可以知道：線纜的損傷形式，損傷位置，損傷量值，斷絲當(dāng)量?？梢远颗袛噤摻z繩金屬有效截面積當(dāng)量損失，再結(jié)合鋼絲繩原始的抗拉強(qiáng)度，就可以得到鋼絲繩的剩余強(qiáng)度。

2 檢測(cè)過(guò)程

2．1 檢測(cè)設(shè)備

檢測(cè)采用便攜式鋼絲繩檢測(cè)儀，型號(hào)為TCKB X55型鋼絲繩弱磁檢測(cè)儀，包括弱磁加載儀和弱磁檢測(cè)儀2部分，如圖1所示。左邊為弱磁加載儀，右邊為弱磁檢測(cè)儀；此檢測(cè)儀可檢測(cè)最大直徑為?56mm的繩索，滿足現(xiàn)場(chǎng)吊索?26 m m鋼絲繩內(nèi)外部斷絲、疲勞、磨損和銹蝕等缺陷的檢測(cè)。

圖1 TCKB X55型鋼絲繩弱磁檢測(cè)儀

2．2 檢測(cè)方案

在元壩氣田的現(xiàn)場(chǎng)，由于懸索橋的吊纜數(shù)目眾多，根據(jù)懸索橋設(shè)計(jì)及受力理論分析結(jié)果，并依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，只對(duì)表觀檢測(cè)異常和懸掛鋼絲繩應(yīng)力較大部位進(jìn)行抽檢。

2．2．1 表觀檢測(cè)

1） 表觀檢測(cè)在白天進(jìn)行，從鋼絲繩兩側(cè)同時(shí)觀察，目檢時(shí)的速度不應(yīng)超過(guò)0．5 m／s，主要觀察有腐蝕的線纜。

2） 檢查時(shí)，應(yīng)采用對(duì)鋼絲繩沒(méi)有損傷的機(jī)械方法清除鋼絲繩表面的污物，以防止其阻礙檢測(cè)。

3） 可用無(wú)損探傷代替目檢，但對(duì)受力比較大部位或已出現(xiàn)損傷的部位還應(yīng)目檢。

2．2．2 弱磁抽檢

控制截面的設(shè)計(jì)內(nèi)力包括加勁梁控制截面的彎矩與剪力、主纜的軸力、索塔控制截面的軸力、彎矩，吊桿的軸力，橋面系的應(yīng)力等。

相應(yīng)的應(yīng)變觀測(cè)內(nèi)容為加勁梁支點(diǎn)、L／8、L／4、 3L／8、跨中、5L／8、3L／4、7L／8截面的撓度以及上述觀測(cè)點(diǎn)在偏載情況下的扭轉(zhuǎn)角和橫橋向位移，加勁梁跨中截面、L／8截面、索塔控制截面的應(yīng)變，索塔塔頂?shù)乃轿灰?、控制吊桿的軸力、最大索股索力、主纜的表面溫度、橋面系的工作性能等。

對(duì)輸氣管線橋梁吊索鋼絲繩檢測(cè)時(shí)，有PE層破損等目檢問(wèn)題點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)，并對(duì)鋼絲繩彎矩、剪力大的點(diǎn)，例如懸索橋1／4、3／8、跨中及對(duì)稱點(diǎn)處的風(fēng)纜及吊纜進(jìn)行抽檢。

2．3 檢測(cè)流程

T C K B X系列鋼絲繩探傷儀對(duì)鋼絲繩檢測(cè)包括三部分：弱磁加載、弱磁檢測(cè)和檢測(cè)數(shù)據(jù)處理及打印檢測(cè)報(bào)告。

1） 弱磁加載。

手持弱磁加載儀，扣動(dòng)解鎖扳機(jī)使儀器適度張開(kāi)，先將一半儀器的導(dǎo)向輪與鋼絲繩對(duì)位，輕輕合上另一半，先不鎖死，沿鋼絲繩來(lái)回推動(dòng)儀器，確保鋼絲繩已經(jīng)準(zhǔn)確地被導(dǎo)向輪包圍，并且能夠平穩(wěn)地沿鋼絲繩滑動(dòng)，然后鎖緊儀器，使弱磁加載儀勻速在鋼絲繩上移動(dòng)，走完整根鋼絲繩后卸載弱磁加載儀。

2） 弱磁檢測(cè)。

在使用弱磁加載儀，對(duì)吊索進(jìn)行弱磁加載后，再在加載儀加載過(guò)的方向上鎖緊弱磁檢測(cè)儀，先在鋼絲繩完好段對(duì)選定3個(gè)點(diǎn)對(duì)檢測(cè)儀器進(jìn)行標(biāo)定，然后手持弱磁檢測(cè)儀勻速沿鋼絲繩移動(dòng)，整根鋼絲繩檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到弱磁檢測(cè)儀中。

3） 檢測(cè)數(shù)據(jù)處理及檢測(cè)結(jié)果。

檢測(cè)完所選的鋼絲繩后，通過(guò)弱磁檢測(cè)儀導(dǎo)出檢測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，對(duì)鋼絲繩缺陷進(jìn)行定位、定性和定量分析，最后得出檢測(cè)結(jié)果。

3 檢測(cè)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析

3．1 檢測(cè)數(shù)據(jù)

由T C K弱磁檢測(cè)儀得出關(guān)于元壩氣田懸索橋吊索的相關(guān)數(shù)據(jù)，可用鋼絲繩檢測(cè)曲線來(lái)表示，該曲線是檢測(cè)儀用來(lái)描繪鋼絲繩的損傷位置與鋼絲繩金屬有效截面積當(dāng)量損失百分比的一個(gè)二維坐標(biāo)圖。由檢測(cè)可得，在70根線纜的檢測(cè)數(shù)據(jù)中，懸索橋中第20根吊索發(fā)現(xiàn)損傷比較嚴(yán)重，在一條吊索的不同位置發(fā)生了不同形式，大小不一的損傷量值，如圖2所示。圖中的橫坐標(biāo)表明了鋼絲繩的損傷位置，而縱坐標(biāo)表明了鋼絲繩的損傷量值，這樣的二維坐標(biāo)圖形象、直觀地表達(dá)了鋼絲繩的損傷狀況。

圖2 懸索橋第20根吊索檢測(cè)曲線

由于此吊索長(zhǎng)度為21．82 m，檢測(cè)時(shí)將其檢測(cè)曲線分為3段，以便能更清晰更具體地找到鋼絲繩的損傷位置及其損傷量值。除去在鋼絲繩開(kāi)始端和終端1 m范圍內(nèi)的磁極區(qū)，將鋼絲繩的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

表1 懸索橋第20根吊索損傷序列表

表1反映了鋼絲繩損傷處的損傷形式，損傷位置，損傷量值，斷絲當(dāng)量等。通過(guò)表1可以發(fā)現(xiàn)第20根吊索中，受損最嚴(yán)重的損傷點(diǎn)在第13點(diǎn)，位置位于14．42 m處，其損傷量值達(dá)1．42%。因此，對(duì)此根吊索的剩余強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。

3．2 數(shù)據(jù)分析

懸索橋采用PES5 37斜拉橋熱擠聚乙烯拉索，PES5 37是由37根5m m的鍍鋅鋼絲絞制的斜拉橋熱擠聚乙烯拉索。根據(jù)CJ3058—1996《塑料護(hù)套半平行鋼絲拉索》計(jì)算，可得PES5 37的拉伸強(qiáng)度為1670M Pa。通過(guò)查閱相關(guān)資料和相關(guān)試驗(yàn)得出，隨著鋼絲繩有效截面積的變化會(huì)引起吊索剩余強(qiáng)度的變化，即有效截面積與剩余強(qiáng)度基本上呈線性關(guān)系。可通過(guò)得到的鋼絲繩拉伸強(qiáng)度及鋼絲繩損傷（鋼絲繩有效截面積），對(duì)鋼絲繩的剩余強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，即剩余強(qiáng)度＝拉伸強(qiáng)度×（1－鋼絲繩金屬有效截面積當(dāng)量損失的百分比）。由現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)可得，吊索的最大損傷在懸索橋第20根吊索中的從下到上的14．42 m處，其損傷量值達(dá)1．42%。

對(duì)此危險(xiǎn)點(diǎn)作剩余強(qiáng)度評(píng)估：

危險(xiǎn)點(diǎn)剩余強(qiáng)度為

1 670×（1－1．42%）＝1 646 M Pa。

得出最危險(xiǎn)點(diǎn)的拉伸剩余強(qiáng)度為1 646 M Pa，滿足懸索橋的抗拉要求。

4 結(jié)論

通過(guò)弱磁檢測(cè)法對(duì)元壩氣田管線懸索橋的吊索進(jìn)行損傷檢測(cè)，得到鋼絲繩金屬有效截面積當(dāng)量損失，然后利用吊索的剩余強(qiáng)度與有效截面積當(dāng)量損失線性相關(guān)關(guān)系，結(jié)合弱磁檢測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)吊索體系的拉伸剩余強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。經(jīng)檢測(cè)，元壩氣田的管線懸索橋吊索中，損傷最嚴(yán)重的第20根吊索拉伸剩余強(qiáng)度為1 646 M Pa，滿足懸索橋的抗拉要求，故懸索橋吊索安全。

［1］ 周孟波．劉白明．王邦桅．懸索橋手冊(cè)［M］．北京：人民交通出版社，2003．

［2］ 戴曉棟．章鎮(zhèn)橋斜拉索防護(hù)及使用壽命分析［J］．公路交通技術(shù)，2007（4）：80 82．

［3］ 徐?。鲹p傷演化機(jī)理與剩余使用壽命評(píng)估［D］．同濟(jì)大學(xué)，2006．

［4］ 黃躍平．青明．姜益軍，等．拉索局部腐蝕檢測(cè)與評(píng)估分析［J］．腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2006，18（2）：132 135．

［5］ 楊少軍．橋梁拉索體系損傷的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)方法［［J］．公路交通技術(shù)，2005（3）：130 134．

［6］ 張家輝．在役纜索自動(dòng)檢測(cè)［J］．無(wú)損檢測(cè)，2006，25 （2）：99 101．

［7］ 張勇．磁漏檢測(cè)若干關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］．中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007．

T E973

B

10．3969／j．issn．1001 3842．2015．06．023

1001 3482（2015）06 0095 03

①2015 1 5

蔡鎖德（1964 ），男，河北晉縣人，高級(jí)工程師，主要從事油氣田地面工程建設(shè)管理工作。