金屬磁記憶漏磁信號檢測鋼絞線拉索銹蝕模型和試驗

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計院有限公司， 重慶 400067； 2. 重慶財經(jīng)學院 公共管理學院， 重慶 401320； 3. 重慶交通大學 土木工程學院， 重慶 400074； 4. 廣州市市政工程試驗檢測有限公司， 廣東 廣州 510520)

拉索作為斜拉橋重要的承載構件，其運營狀況直接關系到斜拉橋的安全和使用壽命.由于其破損部位的隱蔽性，因此無損檢測至關重要[1].為此，國內外學者針對拉索表面缺陷檢測[2]和拉索內部結構檢測[3]技術開展了大量的研究.拉索表面缺陷檢測技術[4]也稱為視覺檢測法，主要通過對拉索結構外部防護套的表觀檢測來判斷拉索防護層破損情況(老化開裂、破損和劃痕等病害)及拉索損傷狀況，但不能對拉索內部進行檢測.拉索內部結構檢測技術[5-6]主要是對拉索內部鋼絲損傷進行檢測，根據(jù)檢測原理和特點，可分為直接測量法和間接測量法.直接法有壓力表測定法、壓力傳感器法等.間接法有振動頻率法、磁彈效應法、射線檢測法和聲發(fā)射法等.針對斜拉橋拉索破損情況的檢測問題，現(xiàn)有常規(guī)檢測技術均具有一定的局限性，特別是拉索銹蝕無損檢測問題[7-8].

鋼絞線作為典型鐵磁性構件，在銹蝕之后會產生局部應力集中和截面損失缺陷等損傷，并在缺陷損傷表面形成自發(fā)漏磁場.金屬磁記憶作為一種漏磁檢測技術，實質是依據(jù)鐵磁性材料表面與缺陷損傷信息相關的自發(fā)漏磁效應，對材料損傷進行有效地檢測.該方法一經(jīng)提出，便因其獨有的既能發(fā)現(xiàn)鐵磁性構件宏觀缺陷，又能發(fā)現(xiàn)由應力集中引起的微觀損傷，且不需要外加磁場的優(yōu)點而受到關注，并被廣泛應用.目前金屬磁記憶技術研究主要集中于應力集中、疲勞裂紋、焊縫焊接等方面，并已成功應用于鐵磁性構件的質量檢測及石油天然氣管道、鍋爐、機械設備等強度和壽命的診斷.但是金屬磁記憶技術在土木工程領域應用較少，僅針對小型金屬構件進行了試驗研究[9]，尚未應用于實際工程中[10].

鑒于金屬磁記憶技術在鐵磁性材料無損檢測方面的諸多優(yōu)勢，結合斜拉橋拉索無損檢測的實際需求，筆者擬將金屬磁記憶技術引入到鋼絞線拉索銹蝕檢測中來，從其理論出發(fā)，結合缺陷漏磁信號檢測磁偶極子模型，建立鋼絞線銹蝕缺陷漏磁模型，并開展鋼絞線試件銹蝕缺陷漏磁信號有限元數(shù)值仿真模擬和試驗驗證.通過理論研究、仿真分析和試驗驗證剖析鋼絞線銹蝕缺陷漏磁信號分布變化特征，構建漏磁信號檢測鋼絞線銹蝕的判別準則.

1 鋼絞線銹蝕缺陷漏磁模型

鋼絞線作為典型的鐵磁性構件，在銹蝕之后會產生局部的應力集中和截面面積損失等缺陷損傷，并在缺陷損傷處形成漏磁場.根據(jù)金屬磁記憶技術原理，結合缺陷漏磁信號檢測磁偶極子模型，建立鋼絞線銹蝕缺陷的漏磁模型.圖1為鋼絞線銹蝕缺陷漏磁信號的磁偶極子模型示意圖.

圖1 鋼絞線銹蝕缺陷漏磁信號的磁偶極子模型示意圖

假設鋼絞線長度為2l1，兩端端頭分布的磁荷密度大小均為ρ1，且極性相反.以該磁荷分布模擬鋼絞線端頭磁感應強度分布，磁荷線深度為h1.假設鋼絞線銹蝕區(qū)域為一個矩形槽，槽口寬度為2l2，深度為h2，且槽口兩側分布磁荷密度，分別為ρ2且極性相反的磁荷分布，用來模擬鋼絞線銹蝕區(qū)域缺陷磁感應強度分布.

根據(jù)磁荷理論[11]可知，磁荷帶上具有單位寬度為dη的面積微元磁荷ρmdη，在空間任一點p(x,y)的磁感應強度矢量B為

(1)

式中：ρm為磁荷密度，其中磁荷帶位于兩端時ρm=±ρ1，磁荷帶位于銹蝕缺陷槽口兩側時ρm=±ρ2；μ0為空氣磁導率；r為空間任一點p(x,y)到磁荷帶的距離.由圖1可知，鋼絞線磁偶極子模型在空間任一點p(x,y)的磁感應強度為磁荷微元產生的磁感應強度矢量和，即磁感應強度為鋼絞線兩端和銹蝕缺陷槽口兩側磁感應強度矢量和，其切向和法向分量計算公式[11]如下：

(2)

(3)

當磁荷帶位于兩端時，端頭漏磁場磁感應強度切向分量和法向分量分別為

(4)

(5)

式中：l1為鋼絞線長度的1/2；η為缺陷寬度.

當磁荷帶位于缺陷槽口兩側時，缺陷漏磁場磁感應強度切向分量和法向分量分別為

(6)

(7)

當鐵磁性材料內部磁化均勻時，ρ1=ρ2.通過對式(2)-(7)進行積分疊加后，得到磁感應強度B在x，y方向上的切向分量和法向分量分別為

(8)

(9)

由式(8)-(9)可知：鋼絞線漏磁信號與鋼絞線銹蝕程度有一定的關系；當磁荷密度、空氣磁導率、磁荷線深度、空間位置和鋼絞線長度等一定時，銹蝕深度和銹蝕寬度與鋼絞線磁感應強度存在唯一對應關系.由此可見，通過檢測鋼絞線周圍漏磁信號大小及變化來判定鋼絞線銹蝕程度.

2 有限元分析

結合鋼絞線銹蝕缺陷漏磁信號模型，利用COMSOL Multiphysic有限元軟件中靜磁場仿真板塊，對鋼絞線試件銹蝕缺陷漏磁信號的磁感應強度進行數(shù)值模擬仿真.

2.1 模型假設

為了便于仿真建模，對鋼絞線試件做出以下假設：試件材質均勻，且各向同性，不考慮試件應力作用.

2.2 模型參數(shù)設置

鋼絞線試件銹蝕缺陷漏磁信號的磁感應強度仿真模型主要由試件、銹蝕缺陷、地磁場和空氣等組成，具體各部分材料參數(shù)設置如下：

1) 鋼絞線試件參數(shù).鋼絞線試件磁導率為2 000，磁化強度為3 000 A·m-1.由于鋼絞線存在自發(fā)磁化場，利用COMSOL Multiphysic鋼絞線物理場本構關系中的磁化關系.

2) 鋼絞線試件銹蝕缺陷參數(shù).銹蝕缺陷處磁導率按鋼絞線磁導率取值.試件周圍空氣及銹蝕缺口處空氣的相對磁導率取1.

3) 其他參數(shù).銹蝕寬度為50.0 mm，鋼絞線長度為800.0 mm，提離高度為15.0 mm，銹蝕深度h2為0、0.4、0.9、1.4、1.9、2.5、3.3、4.2和6.0 mm.

2.3 模型建立及網(wǎng)格劃分

鋼絞線試件實際銹蝕狀態(tài)是局部銹蝕，為簡化計算，其銹蝕缺陷按環(huán)向均勻缺口考慮.

對模型進行網(wǎng)格劃分時，網(wǎng)格劃分越細，模型計算精度越高.但是對計算機的資源配置要求過高，而且模型計算求解時間較長，綜合考慮不同介質、計算機配置資源、計算時長和模型精度，模型采用3層網(wǎng)格劃分，模型試件銹蝕缺陷部分與空氣接觸為第1層，模型試件其他部分與接觸空氣作為第2層，外部空氣為第3層.其中第1層和第2層采用網(wǎng)格細分，確保求解結果相對精確，第3層采用網(wǎng)格粗分，以節(jié)約計算空間和計算時長.

2.4 模型計算結果

對模型計算結果進行提取分析.圖2為不同銹蝕深度下鋼絞線銹蝕缺陷漏磁信號仿真曲線.由圖2可知：隨著銹蝕程度增加，試件銹蝕缺陷漏磁信號曲線會發(fā)生明顯變化；圖2a中，鋼絞線試件銹蝕區(qū)域漏磁信號的磁感應強度切向分量曲線出現(xiàn)極大值，且隨著腐蝕時間的增加，切向分量極值點逐漸增強，并在銹蝕中間區(qū)域交匯于兩點，兩點間的距離為52.1 mm，與銹蝕寬度50.0 mm較為接近；圖2c中，鋼絞線試件銹蝕區(qū)域漏磁信號法向分量曲線出現(xiàn)極大值和極小值，腐蝕中間區(qū)域過零點，且隨著腐蝕時間增加，鋼絞線漏磁信號的磁感應強度法向分量極值點增強，極值點之間間距為50.9 mm，與銹蝕寬度50.0 mm較為接近.

圖2 不同銹蝕深度下鋼絞線銹蝕缺陷漏磁信號仿真曲線

為深入分析鋼絞線試件不同銹蝕程度下漏磁信號的變化特征，對銹蝕缺陷漏磁信號的量綱一磁感應強度切向分量峰值Sx和量綱一法向分量峰值Sy與銹蝕深度之間的關系進行擬合，如圖2b、d所示.由2個圖可以發(fā)現(xiàn)，曲線呈Boltzmann函數(shù)分布，且擬合曲線相關系數(shù)R2均為0.999，擬合效果較好.

綜上，結合鋼絞線銹蝕缺陷漏磁模型可知：鋼絞線銹蝕深度對漏磁信號有顯著影響，且銹蝕深度與漏磁信號的量綱一磁感應強度峰值具有確定關系，為此可將漏磁信號的量綱一磁感應強度峰值作為判斷試件銹蝕程度的特征量；根據(jù)鋼絞線銹蝕缺陷漏磁信號的磁感應強度切向分量交匯點間距和法向分量反向極值點間距，可有效判斷鋼絞線銹蝕寬度.

3 試驗驗證

3.1 試驗材料與設備

試驗采用工程上常用的Φs15.2(1×7)1 860級鍍鋅鋼絞線.試驗裝置及設備采用自主研發(fā)的三軸微磁檢測掃描裝置和電化學加速銹蝕裝置[12].三軸微磁檢測掃描系統(tǒng)主要由試驗平臺、掃描裝置、PLC控制系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)組成，可實現(xiàn)三軸自由移動掃描檢測，精度達到0.1 mm.傳感器為Honeywell公司研發(fā)的HMR2300智能數(shù)字磁強計，量程為±2.0×10-4T，分辨率可達6.7×10-9T.通過Vi-sual C++2008軟件編程實現(xiàn)裝置的自動控制.

鋼絞線銹蝕的實質是鋼絞線發(fā)生了微電池腐蝕，為此筆者采用外加穩(wěn)壓電源，利用吸水布的強吸水性對鋼絞線進行定點加速銹蝕.采用NaCl質量分數(shù)為5%的電解質溶液，將鋼絞線充當陽極，碳棒充當陰極，使電源、鋼絞線、電解質溶液和碳棒形成閉合回路，進行加速銹蝕.

3.2 試驗方法

1) 試件準備和編號.截取長度為800 mm的鋼絞線試件5根，編號分別為1#、2#、3#、4#和5#.

2) 試件磁信號掃描.采用三軸微磁檢測掃描裝置對鋼絞線進行漏磁信號檢測，掃描范圍為鋼絞線長度中心對稱的400 mm范圍，提離高度(智能數(shù)字磁強計距鋼絞線上表面高度)分別為10、20、40、100、160、260 mm.

3) 試件的電化學銹蝕.采用電化學加速銹蝕裝置，對經(jīng)過上述掃描的試件中間待銹蝕區(qū)域進行定點加速腐蝕，銹蝕寬度為50.0 mm，通電腐蝕電流為0.5 A，通電腐蝕時間間隔為12 h.

4) 試件銹蝕后稱重，再次進行磁信號掃描.試件電化學銹蝕完成后，重復步驟2)，依次按照12 h為一個銹蝕間隔，在銹蝕間隔結束后對試件進行漏磁信號掃描，直至試件銹蝕嚴重.

3.3 試驗結果分析

通過對不同鋼絞線試件銹蝕程度的漏磁信號數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，各試件間的漏磁信號曲線具有較強的相似性.為說明規(guī)律性，以下僅以1#鋼絞線試件作為研究對象，并在數(shù)據(jù)處理分析時去除背景磁場.圖3為不同銹蝕程度漏磁信號磁感應強度切向和法向分量變化曲線，其中t為通電腐蝕時間.

圖3 不同銹蝕程度漏磁信號的磁感應強度切向和法向分量變化曲線

由圖3可知：隨著銹蝕程度的增加，試件銹蝕缺陷漏磁信號的磁感應強度曲線發(fā)生了明顯變化；鋼絞線試件銹蝕區(qū)域漏磁信號的磁感應強度切向分量曲線出現(xiàn)極大值，且隨著腐蝕時間的增加，切向分量極值點逐漸增強；鋼絞線試件銹蝕區(qū)域漏磁信號的磁感應強度法向分量曲線出現(xiàn)極大值、極小值及腐蝕中間區(qū)域過零點的現(xiàn)象，且隨著腐蝕時間的增加，鋼絞線漏磁信號的磁感應強度法向分量極值點增強.這與鋼絞線銹蝕缺陷漏磁信號模擬和有限元分析結果較為一致.

結合理論研究、仿真分析和試驗驗證的結果可知，鋼絞線銹蝕深度對漏磁信號有顯著影響，且銹蝕深度與漏磁信號的量綱一磁感應強度峰值具有確定關系.為此，將漏磁信號的量綱一磁感應強度峰值作為判斷試件銹蝕程度的特征量是切實可行的.

4 結 論

1) 鋼絞線銹蝕程度和金屬磁記憶漏磁信號存在唯一對應關系，可通過檢測鋼絞線周圍漏磁信號大小及變化來判定鋼絞線銹蝕程度.

2) 金屬磁記憶漏磁信號的量綱一磁感應強度峰值與鋼絞線銹蝕程度呈Boltzmann函數(shù)分布，可將其作為判斷試件銹蝕程度的特征量.

3) 根據(jù)金屬磁記憶漏磁信號的磁感應強度切向分量交匯點間距和法向分量反向極值點間距，可有效判定鋼絞線銹蝕寬度.