元坝气田悬索桥吊索体系检测强度评估

蔡锁德，文晓龙，华小涛，刘 鹏，王 强（．中国石化　西南油气分公司，四川　阆中6700；．甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，兰州70070；．渤海装置辽河重工有限公司，辽宁盘锦00；．宁夏锅炉压力容器检所，银川70000；．榆林市特种设备设备检验所，陕西榆林79000）

元坝气田悬索桥吊索体系检测强度评估

蔡锁德1，文晓龙2，华小涛3，刘 鹏4，王 强5
（1．中国石化西南油气分公司，四川阆中637400；2．甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，兰州730070；3．渤海装置辽河重工有限公司，辽宁盘锦124010；4．宁夏锅炉压力容器检所，银川750000；5．榆林市特种设备设备检验所，陕西榆林719000）①

通过对元坝气田悬索桥中的吊索体系进行现场弱磁检测，并对收集的吊索参数信息进行整理、分类；根据现场检测的有效截面积当量损失，评价了吊索体系拉伸剩余强度。得到吊索体系中受损最严重的吊索的拉伸剩余强度为1 646 M Pa，满足悬索桥的强度要求。

吊索体系；剩余强度；弱磁检测法

吊索体系作为悬索桥中最薄弱的环节，它的力学性能及其安全性决定了整个悬索桥的安全与寿命。元坝气田属于超高含量H2S气田，且C O2含量也很高，所以对于气体泄漏的控制要求极其严格。管线经过长时期的使用，可能导致悬索结构腐蚀和疲劳的累积，如果吊索的应力过大、应力变化不均匀、管线变形、塔基础及边坡状况变化等，会影响悬索桥和酸气管线的安全运行。桥梁的吊索体系是大跨悬索桥的重要组成部分，由于吊索结构相对于其它构件十分纤细，在较高应力的长期作用下，吊索成为整个结构体系中对损伤最为敏感的构件。通过检测悬索桥的吊索，并对其剩余强度进行评估，确保管线悬索桥的安全性。

1 检测方法及原理

对吊索钢丝绳进行损伤检测的方法有人工检测法、磁检测法、放射线检测法、声发射检测法；其中，磁检测法一直是检测钢铁工件的首选方法。钢丝绳绝大多数采用导磁性能良好的高碳钢制成，很适合于利用电磁检测法进行检测，同时磁检测法具有成本较低，易于实现等优点。

本次现场检测将使用T C K便携式钢丝绳探伤仪检测，它是运用“磁场空间矢量合成”的原理，通过检测钢丝绳上的磁场变化，来得到钢丝绳的损伤面积，并且应用现代断裂力学方法，建立其失效概率计算方程和吊索系统疲劳失效方程，考虑构件腐蚀后进行吊索系统安全剩余疲劳强度的评估计算。

检测原理为：钢丝绳被磁化后，在钢丝绳内部产生主磁感应强度Bz，在钢丝绳表面产生主漏磁感应强度Bz1。Bz1与缺陷磁感应强度方向相反，传感器对磁感应强度进行综合处理时，用补偿磁感应矢量Bb来抵消主漏磁感应强度Bz1。检测某点传感线圈捕捉到的磁感应强度矢量，是钢丝绳外该点各种磁感应强度矢量沿轴向分量的矢量和，即：

Bs＝Bz1＋Bb＋Bh＋By＋Bd＋Bm＋

式中：Bs为传感线圈捕捉到的磁感应强度；Bz1为主漏磁感应强度；Bb为补偿磁感应强度；Bh为环境磁感应强度；By为偏移磁感应强度；Bd为断丝漏磁感应强度；Bm为磨损漏磁感应强度；Bx为锈蚀漏磁感应强度；Bp为疲劳漏磁感应强度；Bb为变形漏磁感应强度；Bn为第n个磁感应强度矢量；Bi为任何缺陷磁感应强度。

实验表明：传感线圈的输出信号U是Bs的函数，缺陷当量ΔS又是U的函数。U＝F（Bs）ΔS＝F（U）

式中：U为传感线圈输出的电压信号。

式中：ΔS为缺陷当量或损耗面积的百分比数；A为比例系数（由实验所得）；C为常数。

钢丝损伤点的面积损耗值ΔS变成了场强Bi的函数。

用TC K便携式钢丝绳探伤仪进行检测之后，将得到钢丝绳的此波形图及损伤报告，由此我们就可以知道：线缆的损伤形式，损伤位置，损伤量值，断丝当量。可以定量判断钢丝绳金属有效截面积当量损失，再结合钢丝绳原始的抗拉强度，就可以得到钢丝绳的剩余强度。

2 检测过程

2．1 检测设备

检测采用便携式钢丝绳检测仪，型号为TCKB X55型钢丝绳弱磁检测仪，包括弱磁加载仪和弱磁检测仪2部分，如图1所示。左边为弱磁加载仪，右边为弱磁检测仪；此检测仪可检测最大直径为Ø56mm的绳索，满足现场吊索Ø26 m m钢丝绳内外部断丝、疲劳、磨损和锈蚀等缺陷的检测。

图1 TCKB X55型钢丝绳弱磁检测仪

2．2 检测方案

在元坝气田的现场，由于悬索桥的吊缆数目众多，根据悬索桥设计及受力理论分析结果，并依据相关标准，只对表观检测异常和悬挂钢丝绳应力较大部位进行抽检。

2．2．1 表观检测

1） 表观检测在白天进行，从钢丝绳两侧同时观察，目检时的速度不应超过0．5 m／s，主要观察有腐蚀的线缆。

2） 检查时，应采用对钢丝绳没有损伤的机械方法清除钢丝绳表面的污物，以防止其阻碍检测。

3） 可用无损探伤代替目检，但对受力比较大部位或已出现损伤的部位还应目检。

2．2．2 弱磁抽检

控制截面的设计内力包括加劲梁控制截面的弯矩与剪力、主缆的轴力、索塔控制截面的轴力、弯矩，吊杆的轴力，桥面系的应力等。

相应的应变观测内容为加劲梁支点、L／8、L／4、 3L／8、跨中、5L／8、3L／4、7L／8截面的挠度以及上述观测点在偏载情况下的扭转角和横桥向位移，加劲梁跨中截面、L／8截面、索塔控制截面的应变，索塔塔顶的水平位移、控制吊杆的轴力、最大索股索力、主缆的表面温度、桥面系的工作性能等。

对输气管线桥梁吊索钢丝绳检测时，有PE层破损等目检问题点进行重点检测，并对钢丝绳弯矩、剪力大的点，例如悬索桥1／4、3／8、跨中及对称点处的风缆及吊缆进行抽检。

2．3 检测流程

T C K B X系列钢丝绳探伤仪对钢丝绳检测包括三部分：弱磁加载、弱磁检测和检测数据处理及打印检测报告。

1） 弱磁加载。

手持弱磁加载仪，扣动解锁扳机使仪器适度张开，先将一半仪器的导向轮与钢丝绳对位，轻轻合上另一半，先不锁死，沿钢丝绳来回推动仪器，确保钢丝绳已经准确地被导向轮包围，并且能够平稳地沿钢丝绳滑动，然后锁紧仪器，使弱磁加载仪匀速在钢丝绳上移动，走完整根钢丝绳后卸载弱磁加载仪。

2） 弱磁检测。

在使用弱磁加载仪，对吊索进行弱磁加载后，再在加载仪加载过的方向上锁紧弱磁检测仪，先在钢丝绳完好段对选定3个点对检测仪器进行标定，然后手持弱磁检测仪匀速沿钢丝绳移动，整根钢丝绳检测数据存储到弱磁检测仪中。

3） 检测数据处理及检测结果。

检测完所选的钢丝绳后，通过弱磁检测仪导出检测数据，并对检测数据进行分析处理，对钢丝绳缺陷进行定位、定性和定量分析，最后得出检测结果。

3 检测数据及数据分析

3．1 检测数据

由T C K弱磁检测仪得出关于元坝气田悬索桥吊索的相关数据，可用钢丝绳检测曲线来表示，该曲线是检测仪用来描绘钢丝绳的损伤位置与钢丝绳金属有效截面积当量损失百分比的一个二维坐标图。由检测可得，在70根线缆的检测数据中，悬索桥中第20根吊索发现损伤比较严重，在一条吊索的不同位置发生了不同形式，大小不一的损伤量值，如图2所示。图中的横坐标表明了钢丝绳的损伤位置，而纵坐标表明了钢丝绳的损伤量值，这样的二维坐标图形象、直观地表达了钢丝绳的损伤状况。

图2 悬索桥第20根吊索检测曲线

由于此吊索长度为21．82 m，检测时将其检测曲线分为3段，以便能更清晰更具体地找到钢丝绳的损伤位置及其损伤量值。除去在钢丝绳开始端和终端1 m范围内的磁极区，将钢丝绳的相关数据进行了统计，如表1所示。

表1 悬索桥第20根吊索损伤序列表

表1反映了钢丝绳损伤处的损伤形式，损伤位置，损伤量值，断丝当量等。通过表1可以发现第20根吊索中，受损最严重的损伤点在第13点，位置位于14．42 m处，其损伤量值达1．42%。因此，对此根吊索的剩余强度进行评估。

3．2 数据分析

悬索桥采用PES5 37斜拉桥热挤聚乙烯拉索，PES5 37是由37根5m m的镀锌钢丝绞制的斜拉桥热挤聚乙烯拉索。根据CJ3058—1996《塑料护套半平行钢丝拉索》计算，可得PES5 37的拉伸强度为1670M Pa。通过查阅相关资料和相关试验得出，随着钢丝绳有效截面积的变化会引起吊索剩余强度的变化，即有效截面积与剩余强度基本上呈线性关系。可通过得到的钢丝绳拉伸强度及钢丝绳损伤（钢丝绳有效截面积），对钢丝绳的剩余强度进行评估，即剩余强度＝拉伸强度×（1－钢丝绳金属有效截面积当量损失的百分比）。由现场检测数据可得，吊索的最大损伤在悬索桥第20根吊索中的从下到上的14．42 m处，其损伤量值达1．42%。

对此危险点作剩余强度评估：

危险点剩余强度为

1 670×（1－1．42%）＝1 646 M Pa。

得出最危险点的拉伸剩余强度为1 646 M Pa，满足悬索桥的抗拉要求。

4 结论

通过弱磁检测法对元坝气田管线悬索桥的吊索进行损伤检测，得到钢丝绳金属有效截面积当量损失，然后利用吊索的剩余强度与有效截面积当量损失线性相关关系，结合弱磁检测的现场数据，对吊索体系的拉伸剩余强度进行评估。经检测，元坝气田的管线悬索桥吊索中，损伤最严重的第20根吊索拉伸剩余强度为1 646 M Pa，满足悬索桥的抗拉要求，故悬索桥吊索安全。

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T E973

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10．3969／j．issn．1001 3842．2015．06．023

1001 3482（2015）06 0095 03

①2015 1 5

蔡锁德（1964 ），男，河北晋县人，高级工程师，主要从事油气田地面工程建设管理工作。