主纜鋼絲腐蝕聲發(fā)射監(jiān)測及斷絲信號源定位

王 盛,方 海,華 鵬,崔劍峰

(1.南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,江蘇 南京 211800; 2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計有限公司,湖南 長沙 410008)

懸索橋主纜主要由高強度平行鍍鋅鋼絲組成[1]。國內(nèi)外大量橋梁主纜換索案例表明,在橋梁的建造和前期設(shè)計過程中,如果忽視橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性,當(dāng)鋼絲發(fā)生腐蝕后,橋梁主纜會不可避免地發(fā)生斷絲現(xiàn)象[2]。主纜鋼絲的嚴(yán)重腐蝕已成為懸索橋領(lǐng)域發(fā)展與橋梁運營中的嚴(yán)峻問題。

本文中,采用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測并研究主纜的腐蝕情況。現(xiàn)代聲發(fā)射技術(shù)[3]從德國凱塞(Kaiser)的研究開始,凱塞發(fā)現(xiàn)材料在形變過程中無法重復(fù)出現(xiàn)聲發(fā)射現(xiàn)象。文獻[4-6]中,作者通過斜拉橋中單根高強鋼絲和拉索的張拉破壞試驗,發(fā)現(xiàn)斷絲聲源在拉索中傳播一段距離后,振幅會發(fā)生衰減。李冬生等[7-10]采用聲發(fā)射技術(shù)檢測腐蝕斜拉橋拉索的損傷演化過程,使用小波奇異性分析損傷信號并進行類型識別。丁穗坤[11]通過拉索電化學(xué)腐蝕試驗,利用聲發(fā)射技術(shù)對拉索腐蝕損傷全過程進行動態(tài)監(jiān)測,并且結(jié)合二維傅里葉變換給出了腐蝕過程中不同損傷階段聲發(fā)射特征信號及其判斷方法。李寶玉等[12]認(rèn)為金屬材料在腐蝕過程中最危險的狀態(tài)是點蝕,介紹了聲發(fā)射技術(shù)對于探測點蝕來說是一種有效的方法。耿榮生等[13]對聲發(fā)射過程中金屬點蝕進行了相關(guān)的研究,將Lamb波理論和經(jīng)典參數(shù)分析方法相結(jié)合,對腐蝕初始階段發(fā)生的低能量波形信號進行有效識別,對金屬材料的安全使用和壽命評估具有一定的參考價值。

目前,針對懸索橋主纜鋼絲腐蝕聲發(fā)射監(jiān)測方面的研究還處于起步階段[14-22],大部分學(xué)者的研究內(nèi)容比較零散。筆者對張拉應(yīng)力狀態(tài)下主纜鋼絲的腐蝕損傷監(jiān)測、腐蝕斷絲的特性和聲發(fā)射源定位進行系統(tǒng)研究,以期為主纜鋼絲腐蝕的監(jiān)測、檢修提供一定的指導(dǎo)。

1 主纜鋼絲腐蝕損傷試驗

1. 1 試驗設(shè)備

本試驗聲發(fā)射監(jiān)測設(shè)備包括直流穩(wěn)定電源、PCI-2型聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)、傳感器和前置放大器。鋼絲張拉系統(tǒng)包括L形地錨裝置(預(yù)留鋼絲孔洞)、YCW60B型穿心千斤頂(張拉行程200 mm,張拉力600 kN)、油泵、直徑5 mm錨具(配夾片)、DH3818-2型靜態(tài)應(yīng)變測試儀以及50 kN拉壓式負(fù)荷傳感器,如圖1所示。

1.2 應(yīng)力鋼絲腐蝕聲發(fā)射監(jiān)測方案

本文中,研究岳陽洞庭湖大橋主纜鋼絲應(yīng)力腐蝕損傷聲發(fā)射監(jiān)測試驗時,張拉應(yīng)力分別控制為300(低應(yīng)力)、500(中應(yīng)力)和700 MPa(高應(yīng)力),每種應(yīng)力狀態(tài)分別使用3根試件,采用直流穩(wěn)定電源加速電化學(xué)腐蝕。鋼絲兩端固定在錨固裝置上,根據(jù)極限荷載計算方法計算鋼絲的極限破斷荷載,使用穿心千斤頂張拉到相應(yīng)應(yīng)力,然后用錨具和夾片固定。

如圖2所示,聲發(fā)射傳感器S1、S3、S5分別布置在距離腐蝕點左側(cè)500、1 000、1 500 mm處,S2、S4、S6、S7、S8分別布置在距離腐蝕點右側(cè)500、1 000、1 500、2 000、2 500 m處。使用凡士林作為耦合劑,用聚氯乙烯(PVC)膠帶將傳感器固定在鋼絲表面,在固定之前先清潔鋼絲表面,以免有油污,進而影響波形的傳播。將待腐蝕的鋼絲部位浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的NaCl溶液中,使鋼絲發(fā)生電化學(xué)快速腐蝕,腐蝕持續(xù)時間約2.5 d,依據(jù)張拉應(yīng)力不同而有所差異。

圖2 應(yīng)力鋼絲腐蝕試驗裝置Fig.2 Test device of stress steel wire corrosion

1.3 鋼絲腐蝕試驗

采用聲發(fā)射系統(tǒng)對鋼絲的腐蝕點進行全程監(jiān)測,觀察鋼絲在不同應(yīng)力狀態(tài)下的腐蝕現(xiàn)象。圖3(a)為鋼絲腐蝕初期,由于鋼絲表面鍍鋅層的保護,該階段還不能對內(nèi)部鋼絲產(chǎn)生腐蝕,主要是對鍍鋅層進行均勻腐蝕,直到鍍鋅層腐蝕殆盡。如圖3(b)所示,在鋼絲腐蝕中期,主要是對鋼絲的鋅鐵融合層進行腐蝕,腐蝕速度加快,腐蝕產(chǎn)物附著較多,產(chǎn)生大量的鐵銹,由于腐蝕產(chǎn)物包裹在鋼絲表面，腐蝕過程的進一步發(fā)展受到阻礙而變得非常緩慢和穩(wěn)定。如圖3(c)所示,在腐蝕后期,前期腐蝕產(chǎn)生的懸浮物和鐵銹都沉積或者剝落下來,內(nèi)部鋼絲重新暴露在腐蝕溶液中,此時腐蝕速度加快。在應(yīng)力和電化學(xué)腐蝕作用下,由于應(yīng)力腐蝕具有低應(yīng)力滯后斷裂的特征,所以在極限抗拉強度之前鋼絲就會發(fā)生應(yīng)力腐蝕而斷裂,應(yīng)力腐蝕屬于脆性破壞,腐蝕處的鋼絲表面具有很多大小不一的蝕坑,最終在鋼絲腐蝕最小截面處發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)的滑移而導(dǎo)致鋼絲斷裂。因此，可以將鋼絲腐蝕過程分為3個不同的階段：腐蝕開始、腐蝕穩(wěn)定和腐蝕迅速發(fā)展階段。

圖3 鋼絲腐蝕過程Fig.3 Corrosion process of steel wire

1.4 各應(yīng)力腐蝕過程的聲發(fā)射信號累積特征參數(shù)分析

在對聲發(fā)射信號的累積特征參數(shù)(累積能量計數(shù)、累積幅值和累積振鈴計數(shù))進行分析時,選擇各應(yīng)力腐蝕過程中某一個傳感器采集的聲發(fā)射特征參數(shù)作為依據(jù),發(fā)現(xiàn)特征參數(shù)具有明顯的差異性。由圖4可知:3種張拉應(yīng)力聲發(fā)射簡化波形特征參數(shù)隨著張拉應(yīng)力的不同具有一定的規(guī)律,隨著張拉應(yīng)力的增加(300、500、700 MPa),累積能量計數(shù)、累積幅值和累積振鈴計數(shù)的變化率逐漸增大。在相同腐蝕條件下,鋼絲張拉應(yīng)力越大,腐蝕處越容易產(chǎn)生大小不等的孔蝕,導(dǎo)致腐蝕不斷深入,腐蝕溶液隨著孔蝕加深進一步加快電化學(xué)腐蝕,從而加快了腐蝕的速度。鋼絲經(jīng)300 MPa張拉203 445 s時發(fā)生斷絲,鋼絲經(jīng)500 MPa張拉191 651 s時發(fā)生斷絲,鋼絲經(jīng)700 MPa張拉179 376 s時發(fā)生斷絲,由此可知張拉應(yīng)力越大,鋼絲發(fā)生腐蝕斷絲需要的時間越短。300和500 MPa的累積特征參數(shù)變化率相近,與700 MPa的累積特征參數(shù)變化率相差較大,即隨著張拉應(yīng)力的增大,鋼絲腐蝕速度加快。

圖4 聲發(fā)射累積特征參數(shù)-時間關(guān)系曲線Fig.4 Cumulative characteristic parameters-time relationship curves of acoustic emission

2 主纜鋼絲腐蝕斷絲信號特性和源定位

2. 1 監(jiān)測試驗方案

2.1.1 監(jiān)測原理

2.1.1.1 聲發(fā)射定位原理

采用聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)分析斷絲源波形,針對不同應(yīng)力分別研究該波形的相關(guān)特性,以此估計鋼絲斷絲的腐蝕情況。將聲發(fā)射傳感器以一定間距布置于鋼絲表面,對同一個斷絲點采集各傳感器接收的波形信號并計算出時間差,進而對鋼絲腐蝕斷絲進行源定位研究,圖5為鋼絲腐蝕斷絲源聲發(fā)射線定位示意圖。

圖5(a)中傳感器1和2之間的圓點為腐蝕斷絲的位置,斷絲信號沿鋼絲表面?zhèn)鞑?到達兩傳感器的時間分別為t1和t2,對應(yīng)的時間差τ=t2-t1,傳感器1和傳感器2之間的長度為D,斷絲波形在鋼絲中的傳播速度用v表示。因此，斷絲點到最近傳感器的距離(d)用式(1)表示。

(1)

圖5 聲發(fā)射線定位示意圖Fig.5 Schematic diagrams of acoustic emission line positioning

2.1.1.2 聲發(fā)射互相關(guān)函數(shù)求時間差原理

互相關(guān)函數(shù)(BCC)是指兩個不同信號在時域上具有相似性,即兩個完全獨立無關(guān)的信號在同一個時間序列中不同時刻之間取值的相互關(guān)聯(lián)性。因為各聲發(fā)射傳感器對同一個斷絲源處采集到的波形具有很大的相似度,所以計算各傳感器采集到的聲發(fā)射波形的互相關(guān)函數(shù),可以獲得斷絲源信號到達兩個傳感器之間的時間差。

假設(shè)同一斷絲源位置的信號被兩側(cè)不同位置的聲發(fā)射傳感器接收,波形信號特征參數(shù)分別記為x1(t)和x2(t),見式(2)。

(2)

式中:s(t)為聲發(fā)射源處的信號,n1(t)和n2(t)為噪聲信號，t為斷絲信號傳播時間。

則x1(t)和x2(t)的互相關(guān)函數(shù)R12(τ)的期望值(E)形式為式(3)。

R12(τ)=E[x1(t)x2(t-τ)]

(3)

將式(2)代入式(3),得互相關(guān)函數(shù)

R12(τ)=E[s(t-t1)+n1(t)][s(t-t2-τ)+

n2(t-τ)]=E[s(t-t1)s(t-t2-τ)]+

E[s(t-t1)n2(t-τ)]+E[n1(t)s(t-t2-

τ)]+E[n1(t)n2(t-τ)]

(4)

假設(shè)s(t)、n1(t)和n2(t)沒有相關(guān)性,則式(4)可以簡化為式(5)。

R12(τ)=E[s(t-t1)s(t-t2-τ)]=Rs[τ-(t1-t2)]

(5)

式中，Rs表示s(t)的自相關(guān)函數(shù)。

由互相關(guān)函數(shù)可知：當(dāng)τ-(t1-t2)=0時,R12(τ)最大。

2.1.2 監(jiān)測內(nèi)容

本研究中,主要監(jiān)測不同張拉應(yīng)力下鋼絲腐蝕斷絲聲發(fā)射波形信號的特性并對不同傳感器的波形信號進行斷絲源定位分析。對鋼絲分別采用300、500和700 MPa 3種張拉應(yīng)力,把預(yù)先確定的腐蝕斷絲點作為固定點,以此為中心向鋼絲兩側(cè)分別選擇6組傳感器(S1和S2、S1和S4、S1和S6、S3和S2、S3和S4、S3和S6)進行源定位分析,Si(i=1,2,3,4,5,6)到腐蝕斷絲點的距離Li(i=1,2,3,4,5,6)分別為500、500、1 000、1 000、1 500、1 500 mm。

2.2 不同張拉應(yīng)力下鋼絲斷絲聲發(fā)射信號特性研究

為了研究鋼絲發(fā)生腐蝕斷絲時,張拉應(yīng)力的大小對聲發(fā)射斷絲波形信號的影響,對懸索橋中常用的直徑5 mm鍍鋅鋼絲施加3種張拉應(yīng)力,分別采集各應(yīng)力狀態(tài)下的腐蝕斷絲波形信號。300 MPa張拉應(yīng)力下鋼絲在203 445 s(約56.5 h)時發(fā)生斷絲,500 MPa張拉應(yīng)力下鋼絲在191 651 s(約53.2 h)時發(fā)生斷絲,700 MPa張拉應(yīng)力鋼絲下在179 376 s(約49.8 h)時發(fā)生斷絲。圖6為3種張拉應(yīng)力下,鋼絲腐蝕斷絲時斷絲點的聲發(fā)射波形信號和對應(yīng)頻譜(FFT)分析,其中FFT分析是將信號分解成一系列不同頻率的正余弦函數(shù)的疊加,使用這種方法不但可以看到信號的時域信息,也可以看到信號的頻域信息。

圖6 應(yīng)力腐蝕斷絲信號FFT分析Fig.6 FFT analysis of stress corrosion broken wire signal

由圖6可見:斷絲破壞瞬間雖然為突發(fā)性的脆性破壞,但由于斷絲過程聲發(fā)射波形信號十分復(fù)雜,在短時間內(nèi)連續(xù)發(fā)生多次聲發(fā)射波形,獲得類似連續(xù)聲發(fā)射波形特性的聲發(fā)射信號,在不同張拉應(yīng)力狀態(tài)下,鋼絲腐蝕斷絲波形信號的振幅隨著張拉應(yīng)力的增大而逐漸增大,分別約為1、2和4 V。斷絲波形的頻率分布范圍較廣,主要為0～100 kHz,并且主頻率集中在40 kHz左右。3種張拉應(yīng)力下,隨著張拉應(yīng)力的增大,主頻率所對應(yīng)的振幅逐漸增大,說明斷絲信號的強度和能量在不斷地增大,張拉應(yīng)力是影響鋼絲腐蝕斷絲聲發(fā)射信號特性的主要因素,為斷絲源定位時濾除噪聲和確定斷絲信號提供有效的數(shù)據(jù)支持。

2.3 張拉應(yīng)力鋼絲斷絲聲發(fā)射信號源定位研究

通過對聲發(fā)射信號在3種張拉應(yīng)力鋼絲腐蝕斷絲上波形信號的特性分析,并進行小波分解、閾值去噪和重構(gòu)處理。對鋼絲斷絲源定位研究時,選擇其中鋼絲張拉應(yīng)力為300 MPa的工況,選取腐蝕斷絲點兩側(cè)傳感器采集的波形信號進行斷絲源定位研究。

2.3.1 斷絲波形小波去噪和時延估計

聲發(fā)射傳感器在進行信號監(jiān)測時,由于試驗過程中振動和機械噪聲干擾的影響,導(dǎo)致采集的波形信號中不可避免地夾雜一些噪聲信號,為了盡量減少這些干擾,需要對斷絲波形采取小波去噪處理。由于采用互相關(guān)函數(shù)計算同一斷絲源波形傳播到兩個完全獨立傳感器的時間差時,噪聲的存在對時間差的計算將產(chǎn)生很大的誤差,從而影響斷絲信號源定位的準(zhǔn)確性,所以采用小波變換閾值方法對斷絲波形去噪非常有必要。

對鋼絲腐蝕斷絲的聲發(fā)射波形信號源定位之前,先進行小波變換閾值去噪處理。選擇300 MPa張拉應(yīng)力鋼絲斷絲波形信號作為本次源定位數(shù)據(jù)來源,以斷絲點在S1和S2傳感器之間為例，選擇斷絲位置兩側(cè)S1和S2傳感器采集到的斷絲波形信號進行分析。圖7和8分別對S1和S2傳感器采集到的斷絲信號使用db6小波進行5層分解,其中S為原始波形信號,A1—A5為近似信號,D1—D5為細節(jié)信號,每一層的近似信號分解為下一層的近似信號和細節(jié)信號。原始信號經(jīng)過小波分解后仍然包含斷絲信號和噪聲信號,其中斷絲信號主要為低頻信號,而噪聲信號為高頻信號,所以噪聲信號通常存在于頻率較高的細節(jié)部分,在D1和D2中可以明顯看到高頻的噪聲信號(圖7和8)。因此，使用固定閾值法估計原始信號的閾值,對S1和S2傳感器采集到的信號中A5和D1—D5信號進行重構(gòu),得到重構(gòu)后的小波變換閾值去噪信號。

圖7 選用db6小波對S1傳感器信號進行5層分解Fig.7 Selecting db6 wavelet to perform 5 layer decomposition on S1 sensor signal

圖8 選用db6小波對S2傳感器信號進行5層分解Fig.8 Selecting db6 wavelet to perform 5 layer decomposition on S2 sensor signal

圖9 S1和S2傳感器原始信號和去噪信號對比Fig.9 Comparison between original signals(S1 and S2 sensors) and de-nosing signal

圖9為S1和S2傳感器采集到的原始信號和去噪信號及對應(yīng)頻譜分析。由圖9可以發(fā)現(xiàn):原始信號和去噪信號在振幅上具有微小的差距,去噪信號略小于原始信號,由于試驗環(huán)境較為理想,所以噪聲干擾較小。

選擇小波去噪的300 MPa張拉應(yīng)力鋼絲斷絲S1和S2傳感器采集到的波形信號為時延估計數(shù)據(jù)來源,S1和S2傳感器距離斷絲點皆為500 mm,分布在斷絲兩側(cè),將兩個信號代入編寫的MATLAB代碼中實現(xiàn)互相關(guān)函數(shù)求時間差。

圖10為S1和S2傳感器采集到的信號經(jīng)小波去噪后的波形信號和互相關(guān)函數(shù)。由圖10可見:從圖10(b)中可以找到互相關(guān)函數(shù)極大值點(85.5 μs，-1 671),此極大值點S1和S2傳感器采集到的信號的時間差τ=85.5 μs。因為兩傳感器到斷絲源的距離相同,所以時間差非常小,可以忽略不計。

圖10 重構(gòu)信號互相關(guān)函數(shù)Fig.10 Cross-correlation function of reconstructed signal

2.3.2 鋼絲斷絲源定位和結(jié)果分析

本次斷絲源定位研究針對張拉應(yīng)力為300 MPa的鋼絲,由2.2節(jié)可知斷絲信號的主頻率集中在40 kHz左右。斷絲波形的速度由聲發(fā)射設(shè)備自帶的聲學(xué)特性矩陣自動測試獲得,通過3次脈沖試驗取平均值v=5 063.736 m/s,時間差由互相關(guān)函數(shù)可以計算出來,最后依據(jù)聲發(fā)射線定位原理代入式(1),計算得到腐蝕斷絲點距最近傳感器的距離,并計算對應(yīng)的絕對誤差和相對誤差。

腐蝕斷絲源定位分析選取6組試驗數(shù)據(jù),兩傳感器分別位于斷絲位置兩側(cè),左側(cè)傳感器到斷絲點的布置距離用Lx表示,右側(cè)傳感器到斷絲點的布置距離用Ly表示,所有源定位結(jié)果如表1所示。

表1 鋼絲腐蝕斷絲聲發(fā)射源定位結(jié)果

由表1可見:6組傳感器定位效果都非常好,絕對誤差基本控制在20 mm范圍內(nèi),由于試驗使用的腐蝕溶液裝在邊長為150 mm的塑料容器中,所以絕對誤差基本滿足要求。相對誤差都在4%以下,定位精度較高。因此，使用小波去噪、重構(gòu)信號互相關(guān)函數(shù)進行時延估計，并對線定位原理進行了分析,利用懸索橋主纜鋼絲腐蝕斷絲產(chǎn)生的聲發(fā)射信號進行斷絲源定位具有一定的可行性,有很大的應(yīng)用價值。

3 結(jié)論

1)鋼絲腐蝕速度主要與鋼絲表面腐蝕產(chǎn)物的堆積程度有關(guān),通過采集的損傷簡化波形各特征參數(shù),發(fā)現(xiàn)腐蝕信號特征參數(shù)集中在某一特定的范圍內(nèi),且差異主要體現(xiàn)在集中頻率和參數(shù)大小,進而可以將鋼絲腐蝕過程劃分為3個不同的階段:腐蝕開始、腐蝕穩(wěn)定和腐蝕迅速發(fā)展階段。

2)通過累積特征參數(shù)與時間分布關(guān)系圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著張拉應(yīng)力的增加,鋼絲腐蝕速率由小到大對應(yīng)的張拉應(yīng)力分別為300、500、700 MPa,即張拉應(yīng)力越大,鋼絲腐蝕斷絲速度越快,在宏觀上為評價鋼絲腐蝕損傷提供一定的依據(jù)。

3)使用小波去噪濾除斷絲聲發(fā)射信號中夾雜的噪聲信號,然后采用互相關(guān)函數(shù)對重構(gòu)后的斷絲信號進行時延估計,計算得到兩傳感器的斷絲信號對同一斷絲源的時間差。根據(jù)線定位原理對鋼絲腐蝕斷絲源進行精確定位,鋼絲腐蝕斷絲源定位相對誤差在4%以內(nèi),精確度較高,在懸索橋主纜鋼絲監(jiān)測中具有很大的應(yīng)用價值和經(jīng)濟價值。