磁致伸縮導(dǎo)波檢測技術(shù)在橋梁纜索檢測中的應(yīng)用

郭志越,鞠鵬飛,徐 江,王景武

(1.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2. 湖北楚檢科科技有限公司，湖北 武漢 430030；3.大慶油田采油一廠作業(yè)大隊，黑龍江 大慶 163458)

0 引言

索承式橋梁如懸索橋、斜拉橋、系桿拱橋等，具有美觀、建造速度快等特點(diǎn)，在我國大型橋梁和城市橋梁建設(shè)中得到了廣泛采用。纜索作為這類橋梁的主要承力部件，其完整性直接關(guān)系到橋梁的安全。對于長期工作在高應(yīng)力狀態(tài)和風(fēng)吹日曬等惡劣環(huán)境下的纜索，隨著使用年限的增加及防護(hù)措施失效可能產(chǎn)生腐蝕和斷絲等損傷，如不能及時發(fā)現(xiàn)這些損傷，不僅可能發(fā)生纜索斷裂，甚至可能發(fā)生橋梁倒塌等重大安全事故。近年來，國內(nèi)外均發(fā)生了由于纜索斷裂導(dǎo)致的塌橋事故，造成了人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，社會影響十分惡劣，如中國臺灣南方澳大橋、意大利莫蘭蒂大橋、福建武夷山公館大橋等。因此橋梁纜索的完整性也越來越受到人們的關(guān)注[1-2]。

目前常用的纜索體系主要為平行鋼絲和鋼絞線兩種，分別由旋轉(zhuǎn)的平行鋼絲束和平行鋼絞線組成。纜索外層是雙層同步擠壓成型的高密度聚乙烯(High Density Polyethylene， HDPE)防護(hù)套管，兩端錨頭常用冷鑄錨或熱鑄錨，圖1為冷鑄錨纜索的結(jié)構(gòu)示意圖。纜索內(nèi)部鋼絲主要的損傷類型為斷絲及腐蝕等[3]。纜索鋼絲斷裂失效的起因主要是疲勞，在高應(yīng)力反復(fù)作用下產(chǎn)生疲勞損傷，進(jìn)而導(dǎo)致鋼絲疲勞斷裂。纜索鋼絲腐蝕缺陷的起因是原有防護(hù)措施失效，如HDPE開裂、密封失效等，導(dǎo)致水汽入侵進(jìn)而使內(nèi)部鋼絲產(chǎn)生腐蝕損傷。由于纜索安裝特點(diǎn)，導(dǎo)致水汽入侵后易形成冷凝水匯集到下錨頭附近的纜索處。而處于高應(yīng)力狀態(tài)下的鋼絲，纜索的腐蝕速度較無應(yīng)力狀態(tài)下有加速效果，因此腐蝕損傷往往先發(fā)生于下錨頭附近鋼絲。

圖1 冷鑄錨纜索的結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Structure diagram of cold cast anchor cable

目前纜索檢測最常用的方法是基于人工的視覺檢測法，主要以目測的方式定期檢查纜索系統(tǒng)是否遭受腐蝕，其耗時長花費(fèi)大量的人力和物力，檢測結(jié)果人為影響較大，而且不能檢測到纜索內(nèi)部鋼絲的缺陷。隨著無損檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的學(xué)者將聲發(fā)射、漏磁、射線、超聲波以及磁致伸縮導(dǎo)波等無損檢測方法應(yīng)用到纜索的檢測上[4-6]，其中大部分無損檢測方法需要配套對應(yīng)的掃查裝置或爬行器對纜索進(jìn)行檢測，且無法對靠近錨固區(qū)域或其他不可達(dá)位置的纜索進(jìn)行檢測。基于磁致伸縮效應(yīng)的導(dǎo)波檢測法具有單點(diǎn)激勵即可實(shí)現(xiàn)纜索的長距離檢測，并且可同時對靠近錨固區(qū)的纜索進(jìn)行檢測。由于采取非接觸的磁聲傳感方式，檢測時無需破壞傳感器安裝位置的HDPE保護(hù)層；另外檢測時無需封閉交通，可在橋梁正常運(yùn)營下完成纜索的快速檢測。

1 磁致伸縮導(dǎo)波橋梁纜索檢測原理及實(shí)現(xiàn)方法

橋梁纜索是由帶有輕微扭轉(zhuǎn)角度的平行鋼絲束或平行鋼絞線這類鐵磁性材料組成，而鐵磁性材料具有磁致伸縮這一特性。橋梁纜索的磁致伸縮導(dǎo)波檢測原理就是基于鐵磁性材料自身的磁致伸縮效應(yīng)及其逆效應(yīng)在纜索中激勵和接收導(dǎo)波，通過彈性波的反射實(shí)現(xiàn)腐蝕或斷絲缺陷的檢測。所謂磁致伸縮效應(yīng)，是指當(dāng)鐵磁性材料在受到磁場作用時，其結(jié)構(gòu)尺寸會發(fā)生變化的效應(yīng)。磁致伸縮逆效應(yīng)則是指當(dāng)鐵磁性材料處于恒定磁場中，受到外力作用時，產(chǎn)生相對形變，同時會引起內(nèi)部的磁化狀態(tài)發(fā)生改變的效應(yīng)[7-9]。鐵磁性材料發(fā)生的相對形變可以用磁致伸縮系數(shù)表示：

λ=Δl/l

(1)

式中:Δl為材料磁化后長度的變化量；l為材料的原始長度。

從微觀來看，磁致伸縮效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理是當(dāng)把鐵磁性材料置于外加磁場中時，其內(nèi)部的磁疇壁發(fā)生移動和轉(zhuǎn)動，接近外加磁場方向的磁疇增大，而遠(yuǎn)離外加磁場方向的磁疇壓縮，同時也會帶動晶格的變形，這種微觀形變累加后就是材料結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)生變化的宏觀形變。磁致伸縮逆效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理是當(dāng)已被磁化的鐵磁性材料在受到外力作用時，其內(nèi)部晶格也將產(chǎn)生變形，從而改變了磁疇內(nèi)自發(fā)磁化的方向，導(dǎo)致鐵磁性材料內(nèi)部的磁化狀態(tài)發(fā)生改變。

磁致伸縮導(dǎo)波橋梁纜索檢測原理可以分為3個階段進(jìn)行描述：① 利用非接觸磁聲換能器基于磁致伸縮效應(yīng)在對應(yīng)位置的鋼絲中產(chǎn)生特定頻率和模態(tài)的導(dǎo)波；② 導(dǎo)波在鋼絲中傳播，傳播過程中遇到腐蝕、斷絲缺陷或其他異常結(jié)構(gòu)時由于聲阻抗變換產(chǎn)生回波；③ 回波到達(dá)接收傳感器時基于磁致伸縮逆效應(yīng)接收線圈感應(yīng)電信號，信號經(jīng)過處理后存儲到計算機(jī)，通過分析回波的到達(dá)時間和幅值等即可確定缺陷位置及其大小。

磁致伸縮導(dǎo)波橋梁纜索檢測系統(tǒng)的典型構(gòu)成如圖2所示，實(shí)現(xiàn)方法如下：首先將傳感器安裝在待測纜索上，然后由計算機(jī)控制信號發(fā)生器產(chǎn)生特定頻率特定周期數(shù)的脈沖信號,再經(jīng)過功率放大器放大后輸入到激勵線圈，從而在激勵線圈安裝處的纜索中產(chǎn)生沿纜索軸向傳播的導(dǎo)波。導(dǎo)波在傳播中遇到缺陷或端面時會產(chǎn)生反射回波，接收傳感器將包含有纜索信息的導(dǎo)波信號在磁致伸縮逆效應(yīng)作用下轉(zhuǎn)換為電信號，該信號經(jīng)過預(yù)處理和A/D轉(zhuǎn)換后輸入到計算機(jī)中，對獲得的信號進(jìn)行處理和分析，便可得到纜索的缺陷信息[10]。

圖2 磁致伸縮導(dǎo)波橋梁纜索缺陷檢測系統(tǒng)Figure 2 Magnetostrictive guided wave bridge cable defect detection system

2 磁致伸縮導(dǎo)波橋梁纜索檢測的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 導(dǎo)波在纜索中傳播特性

在利用導(dǎo)波檢測技術(shù)對纜索檢測前，首先需要確定導(dǎo)波的模態(tài)和對應(yīng)的激勵頻率，這需要依靠頻散曲線了解導(dǎo)波在纜索中的振型和波速等信息。對于鋼絲的頻散曲線可以利用Disperse[11]或Pcdisp[12]進(jìn)行計算獲取。而對于纜索這類復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可以通過半解析有限元算法[13]或基于COMSOL軟件模式分析法來進(jìn)行求解，圖3為利用COMSOL模式分析法獲得的規(guī)格為37×Φ7 mm纜索頻散曲線。利用頻散曲線可以確定磁致伸縮導(dǎo)波檢測的激勵頻率和適合檢測的缺陷類型等。目前常用于纜索檢測的模態(tài)是縱向模態(tài)，而激勵頻率一般小于100 kHz。

(a) 相速度

2.2 磁致伸縮導(dǎo)波纜索檢測傳感技術(shù)

基于磁致伸縮效應(yīng)及其逆效應(yīng)在纜索中有效的激勵和接收縱向模態(tài)導(dǎo)波，關(guān)鍵在于偏置磁化器和線圈的設(shè)計，其中偏置磁化器提供的偏置磁場可以避免倍頻效應(yīng)和提高磁聲耦合效率，而線圈可以保證檢測頻率和換能效率。偏置磁場與傳感器換能效率在纜索中的關(guān)系曲線如圖4所示，從圖中可以看到它們之間的關(guān)系不是單調(diào)遞增關(guān)系，為了保證耦合效率，激勵和接收端均應(yīng)提供合適的偏置磁場[14]。

(a) 激勵端

螺線管線圈和永久磁鐵磁化器常用于為導(dǎo)波激勵和接收提供偏置磁場。其中，螺線管線圈可以通過調(diào)節(jié)輸入電流連續(xù)調(diào)節(jié)偏置磁場，但是螺線管線圈需要現(xiàn)場繞制,實(shí)現(xiàn)起來較為困難，同時需要額外的直流源供電。而永久磁鐵磁化器采用永久磁鐵作為磁源，雖磁化效果較為穩(wěn)定，但無法連續(xù)調(diào)節(jié)?；谝陨蟽?yōu)缺點(diǎn)，目前比較實(shí)用的偏置磁場提供裝置主要為永久磁鐵磁化器，通過模塊化設(shè)計，對于不同直接的纜索選取不同的磁化器數(shù)量，磁化器在纜索上的安裝如圖5所示。

(a) 傳感器布置照片

激勵和接收線圈用于產(chǎn)生和感應(yīng)交變磁場，為了現(xiàn)場安裝的方便，一般采用連接器連接扁平電纜組成，其實(shí)物如圖6所示，線圈的寬度要求小于最高激勵頻率對應(yīng)波長的一半[15]。

圖6 線圈和連接器Figure 6 Coils and connectors

對于帶有不銹鋼護(hù)套的橋梁纜索磁致伸縮導(dǎo)波現(xiàn)場檢測，不銹鋼護(hù)套對磁致伸縮檢測導(dǎo)波的激勵過程與接收過程均會造成衰減，在低頻檢測時傳感器可以安裝在不銹鋼護(hù)套上，高頻檢測時傳感器不應(yīng)該安裝在不銹鋼護(hù)套上，如果條件允許傳感器應(yīng)該盡量安裝在無不銹鋼護(hù)套的位置。另外纜索的索力會對傳感器的換能效率產(chǎn)生影響，索力的存在會使纜索等效偏置磁場強(qiáng)度增加，影響磁聲換能效率。因此在實(shí)際橋梁纜索檢測中，需要考慮索力對換能效率的影響，對檢測信號進(jìn)行補(bǔ)償，從而得到可靠的檢測結(jié)果[16]。

2.3 磁致伸縮導(dǎo)波纜索檢測儀器組成及實(shí)現(xiàn)

磁致伸縮導(dǎo)波檢測儀器一般由系統(tǒng)主機(jī)、傳感器和上位機(jī)軟件等部分組成[17]，其結(jié)構(gòu)組成如圖7所示。信號發(fā)生與采集單元用于產(chǎn)生特定頻率和周期的激勵信號和接收信號的數(shù)據(jù)采集，根據(jù)前述分析其發(fā)生的正弦波頻率不低于100 kHz和采樣頻率不低于1 MHz/Sa。功率放大器配合功放控制器將信號發(fā)生的信號進(jìn)行功率放大，與管道磁致伸縮導(dǎo)波檢測儀器相比，由于纜索HDPE可達(dá)十幾毫米，導(dǎo)致傳感器耦合效率較低，因此需要橋梁纜索磁致伸縮導(dǎo)波儀器提供更大的激勵功率(瞬態(tài)功率可達(dá)10 kW)。另外由于導(dǎo)波檢測的接收信號較為微弱(uV 級)，因此需要利用濾波放大器對接收傳感器輸出的信號進(jìn)行濾波放大處理(信號放大倍數(shù)可達(dá)100 dB)。雙工器主要為了高壓激勵信號和微弱接收信號的快速切換，可利用單個傳感器實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波的激勵和接收。計算機(jī)軟件可實(shí)現(xiàn)信號發(fā)生控制、數(shù)據(jù)采集、分析及存儲等功能。

圖7 磁致伸縮導(dǎo)波檢測儀器結(jié)構(gòu)組成Figure 7 Structure composition of magnetostrictive guided wave testing instrument

目前磁致伸縮導(dǎo)波纜索檢測儀器可達(dá)到的參數(shù)如下：(見圖8)。

圖8 磁致伸縮導(dǎo)波橋梁纜索檢測儀器Figure 8 Magnetostrictive guided wave bridge cable testing instrument

a.適合拉吊索直徑15～250 mm。

b.單次索體檢測距離200 m，錨固區(qū)檢測距離20 m。

c.檢測系統(tǒng)重量小于20 kg。

d.錨固段和自由段索體可實(shí)現(xiàn)5%截面積損失的腐蝕缺陷檢測。

e.在不拆除外層PE和不銹鋼保護(hù)套筒條件下實(shí)現(xiàn)纜索PE外觀和內(nèi)部鋼絲腐蝕斷絲等缺陷檢測，尤其適用于下錨固段內(nèi)部鋼絲檢測。

f.檢測時不需要耦合劑，安裝傳感器部位PE厚度可達(dá)20 mm。

g.裝置工作時間不低于24 h。

3 工程應(yīng)用

3.1 在橋梁換索工程中的應(yīng)用

松原市江南公鐵立交橋2000年建成通車，主橋?yàn)?孔中承式鋼管混凝土拱橋，吊桿采用擠包護(hù)層扭絞型拉索，其規(guī)格為SNS/S-5×199，內(nèi)為黑色PE護(hù)層，外為彩色HDPE護(hù)層。錨具采用配套的冷鑄錨，其規(guī)格為LM5-199-L和LM5-199-D。2013年7月采用磁致伸縮導(dǎo)波纜索檢測儀器對吊桿進(jìn)行了抽檢，發(fā)現(xiàn)多根吊桿存在靠近下錨頭內(nèi)部鋼絲存在腐蝕的狀況。在以上檢測結(jié)果的基礎(chǔ)上于2014年5月開展了更換主橋吊桿的設(shè)計。吊桿更換工作從2015年7月開始，在吊桿更換期間再次利用該技術(shù)對吊桿進(jìn)行了檢測并進(jìn)行了驗(yàn)證，檢測結(jié)果與吊桿實(shí)際腐蝕相吻合，檢測信號及開索驗(yàn)證結(jié)果如圖9所示。另外對更換完成后的吊桿進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，保存了原始數(shù)據(jù)，為后續(xù)的檢測提供了數(shù)據(jù)基準(zhǔn)。在吊桿更換完2 a后，再次對已更換的除短吊桿外的50根吊桿進(jìn)行了檢測，采集了原始數(shù)據(jù)，為后續(xù)的吊桿腐蝕狀況的監(jiān)測提供了基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，通過建立吊桿的長期檢測數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)的橋梁養(yǎng)護(hù)提供支持[18]。

圖9 松原市江南公鐵立交橋纜索檢測檢測波形及開索驗(yàn)證結(jié)果照片

3.2 在日常養(yǎng)護(hù)過程中的應(yīng)用

近年來，利用磁致伸縮導(dǎo)波纜索檢測儀器，完成了超過100座索承式橋梁近3 000根橋梁纜索的檢測，發(fā)現(xiàn)纜索主要存在的損傷形式為鋼絲腐蝕，圖10為橋梁日常養(yǎng)護(hù)過程中檢測時發(fā)現(xiàn)的損傷典型信號與開索驗(yàn)證結(jié)果。

(a) 損傷典型信號與開索驗(yàn)證1

(b) 損傷典型信號與開索驗(yàn)證2

4 結(jié) 論

本文對磁致伸縮導(dǎo)波檢測技術(shù)在橋梁纜索檢測方面的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，得到的主要結(jié)論如下：

a.磁致伸縮導(dǎo)波檢測技術(shù)利用非接觸磁聲耦合傳感實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波的激勵和接收，檢測時無需拆除纜索的HDPE護(hù)套，且不會影響橋梁的正常運(yùn)營。

b.磁致伸縮導(dǎo)波檢測技術(shù)實(shí)施時無需移動傳感器，僅需將傳感器安裝在靠近橋面的位置即可實(shí)現(xiàn)自由段和錨固段纜索內(nèi)部鋼絲腐蝕及斷絲缺陷的檢測。

利用磁致伸縮導(dǎo)波檢測技術(shù)對服役中的纜索開展檢測獲取纜索的健康狀態(tài)，一方面可以為纜索的日常養(yǎng)護(hù)提供支持，另一方面可以為換索時限的評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為保障索承式橋梁的安全運(yùn)行提供了高效快捷的檢測方法。