无损检测在钢结构疲劳损伤检测中的应用研究

刘定坤

摘  要：钢结构疲劳问题日益突出，目前人们对于钢结构疲劳损伤问题检测手段极为有限，纵观国内国外的研究進展，钢梁焊缝疲劳损伤检测技术多种多样，但存在着检测时间长、效率低、需要对检测表面进行处理等缺点，现有检测技术只能寻找已经存在的缺陷，不能发现和预测将会要发生的缺陷，因此有必要研究一种新的检测方法来推进钢梁焊缝疲劳损伤的无损检测技术的发展。金属磁记忆技术相较传统无损检测技术有着无损伤、灵敏度高、早期检测等特点优势，文章着重比较了金属磁记忆检测技术与传统无损检测技术的优缺点，为钢结构的疲劳损伤问题提供了更多更好的检测手段。

关键词：钢结构;疲劳损伤;无损检测;金属磁记忆

中图分类号：U442         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）07-0169-02

Abstract： The fatigue problem of steel structure is becoming increasingly prominent. At present， the detection methods for fatigue damage of steel structure are very limited. Throughout the research progress at home and abroad， there are a variety of fatigue damage detection techniques for steel beam welds. However， there are some shortcomings， such as long detection time， low efficiency， and there is need to treat the inspection surface， and so on. The existing detection technology can only find the existing defects， but can not find and predict the defects that will occur. Therefore， it is necessary to study a new testing method to promote the development of non-destructive testing technology for fatigue damage of steel beam welds. Compared with the traditional non-destructive testing technology， the metal magnetic memory technology has the advantages of no damage， high sensitivity and early detection. This paper focuses on the comparison of the advantages and disadvantages of the metal magnetic memory testing technology and the traditional non-destructive testing technology. It provides more and better testing methods for fatigue damage of steel structures.

Keywords： steel structure; fatigue damage; non-destructive testing; metal magnetic memory

引言

截止到2019年，中国已有的公路桥梁共80.53万座、4916.97万米，包括特大桥梁4257座、753.54万米，大桥86178座、2251.50万米。钢箱梁结构形式的钢桥，因为其拥有重量轻、跨越能力显著、截面抗弯性能强、抗扭刚度大等特点而得到广泛的应用。钢结构疲劳破坏的主要损坏因素是如焊缝位置处等应力集中区域出现缺陷的现象。由于应力集中以及结构和部件的各种微裂纹的扩展而引起的脆性破坏非常严重，并且将导致灾难性事故。由于钢结构的疲劳损伤具有一定的随机性，而实际动载荷也具有较大的随机性，这使得结构的疲劳监测和损伤检测成为必不可少的重要环节。伴随着现代无损检测技术的飞速发展，我们以期能够在结构的运营期内实现对既有焊缝的疲劳损伤进行检测。通过无损检测，疲劳损伤可以在结构使用寿命中尽早出现，并且可以更新结构可靠性评估结果。评估结果将可实现对维护方法的优化评估，避免因为维护和更换造成的损失，并能够合理地使结构的使用寿命得到延长。因此，如何利用无损检测结果对结构进行结构疲劳损伤可靠度评估，已成为既有钢结构寿命评估研究的热点[1]。

1 研究目的及意义

现有无损检测技术，对发现钢结构裂缝较为有效，对疲劳微观裂纹早期诊断还存在一定困难，研究发现金属磁记忆检测法较好地解决这个问题，有望实现钢结构疲劳裂纹的早期损伤检测。金属磁记忆检测方法，其本质上是一种基于漏磁信号检测的技术，其自发的漏磁信号是因为结构性状的改变而具有特征上的改变，这种信号与结构的缺陷之间存在着固有的相关性。金属磁记忆检测技术克服了传统的无损检测技术的缺点，并且可以针对铁磁金属构件的应力集中区域进行早期诊断。它是无损检测领域中的一种新的检测方法，是迄今为止最有可能实现构件或结构的早期损坏诊断的方法之一[2]。因此，结合金属磁记忆检测技术相较于其他无损检测手段的优势，本研究的突出意义包括：

（1）具有重要的科学意义。金属磁记忆法是基于铁磁性材料固有性质发展而来，尤其是针对结构的早期损伤诊断有极其敏銳的识别能力，近年来金属磁记忆法多用于石油、化工和机械等领域内，专门针对钢结构焊缝疲劳损伤检测的研究非常少。

（2）具有重要的社会经济价值。本文针对钢梁结构焊缝疲劳损伤发展特点进行论证，研究结论可为后期工程钢结构实测和装备研究提供依据，有望减少因焊缝疲劳造成钢结构的突然破坏，带来显著的社会价值。

2 常规检测手段

在长期动荷载因素的作用下，钢结构焊缝位置会不可避免地出现疲劳损伤，导致整体结构的承载能力下降，从而影响结构的安全。因此很有必要对钢结构焊缝疲劳问题进行有效的损伤检测。现阶段常见的无损检测方法大致有如下几类：超声波检测方法、磁粉探伤法、射线检测法等[3]。

2.1 超声波检测方法

超声波测试是基于以下事实：超声波在材料和裂纹中的传播速度会不同，以检测表面裂纹的传播。在检查过程中，待检查工件的表面可以通过耦合剂与超声波探头良好接触。该探针可以有效地向工件发射超声波，并且可以接收从缺陷反射的反射波传播时间，可以知道缺陷的位置。

2.2 磁粉探伤法

铁磁性材料在磁场中被磁化，并且基于磁性标记的图像和大小检测裂纹特征的方法是磁性颗粒检查方法。磁性粒子检测方法可以检测铁磁材料和组件的表面和近表面缺陷，并且对诸如裂纹，细纹，褶皱和不完全穿透之类的缺陷更敏感。

2.3 射线检测法

在使用射线检测法检测缺陷时，材料或者构件在辐射通过下被吸收和散射射线以降低其强度。构件或材料每个位置的衰减程度大小是取决于射线所经过区域的厚度、结构缺陷的大小。胶片记录或显示具有不同射线强度分布的“图像”。因此，可以通过检测穿过被检物体的辐射强度的相对差来确定该物体是否有缺陷。

因此可发现，常规的无损检测手段，只能对已存在的缺陷进行诊断，并不能实现对结构的早期检测，具有一定的局限性。

3 金属磁记忆技术的优势

俄罗斯学者Doubov A A在1997年提出了金属磁记忆技术[4]。这种新型的无损检测技术的机理是：铁磁元件具有所谓的记忆功能，即在工作载荷和地磁场的作用下，在应力集中和变形集中，磁畴组织取向不可逆的区域具有记忆功能，发生磁致伸缩特性时，会发生重新取向，这种不可逆的磁性状态变化在去除工作负载后不会消失。与其他传统无损检测技术相比，该技术无需外加激励磁场，单靠天然的地磁场对工件进行磁化;不需要对部件表面预先进行处理，对工件表面的检测可在线进行且灵敏度高由于该方法能很好的用于铁磁构件缺陷的早期预防和诊断，因此其一经问世，便引起了国内外学者的广泛关注和相关技术研究。

目前，金属磁记忆技术具有以下几点优势：

（1）这种方法不仅可以检测出微缺陷，而且可以预测潜在的危险。这也是磁记忆技术的最大优势。

（2）该方法不需要外部磁场。它仅通过损坏的构件的自有磁场与地球磁场的相互作用，生成泄漏磁场，该磁场的梯度可以通过特殊的磁检测仪器在应力集中区域进行测量。

（3）不需要对部件表面预先进行处理，可大大提高工作效率。

（4）可以非接触检测，并且提离效应对检测结果影响甚小，目前一种由俄罗斯学者研发的磁记忆探测仪器可以探测1m深度的石油管线。

（5）检测数据重复性与可靠性好。

（6）没有放射性，无害，无污染，且绿色环保。

而当今阶段从国内外的研究现状来看，虽然漏磁信号与结构应力之间的相关性有了初步的研究，但是漏磁信号定量分析应力水平高低的整体理论基础还很缺乏，在复杂环境因素下，漏磁信号的改变往往会显得杂乱无章，因此如何在多因素条件下，精准地找到单一可变因素，预期通过漏磁信号建立采用漏磁信号判别应力大小的数值模型还需要进一步的研究。但可预测，金属磁记忆技术对钢结构疲劳损伤的裂纹发展模式以及疲劳寿命早期预估是有效可行的。

4 结束语

（1）钢结构疲劳问题影响着结构的使用安全，采用无损检测手段对钢结构疲劳损伤进行检测，具有重要的科学社会意义和经济使用价值。

（2）常规的无损检测手段，只能够对已经存在的缺陷进行单一检测，很少能够对疲劳微观裂纹的早期发展进行诊断，存在一定的局限性。

（3）金属磁记忆检测技术不仅能够检测出结构的微观裂纹，并且能够预测结构破坏的潜在的危险，适合对钢结构疲劳损伤进行检测。本文的研究将进一步推进该技术在疲劳损伤检测上的量化应用，以期此技术能够实现对钢结构疲劳损伤的早期检测以及疲劳寿命预测。

参考文献：

[1]王春生，刘鑫，俞欣，等.基于无损探测信息的既有钢桥构件疲劳可靠度更新评估[J].土木工程学报，2010（08）：81-87.

[2]李志宏，姚立东，程浩.金属磁记忆检测技术在压力管道安装监督检验中的应用研究[J].科技经济导刊，2015（18）：97-98.

[3]牧野一成，蔡千华.车辆隐性裂纹的检查方法[J].国外机车车辆工艺，2009（02）：44-47.

[4]Doubov Anatoli A. Diagnostics of metal items and equipment by means of metal magnetic memory， Proc of CHSNDT 7Th conference on NDT and International Research Symposium[R]. 1999：181-187.