磁致伸缩导波检测技术在桥梁缆索检测中的应用

郭志越,鞠鹏飞,徐 江,王景武

(1.华中科技大学 机械科学与工程学院，湖北 武汉 430074；2. 湖北楚检科科技有限公司，湖北 武汉 430030；3.大庆油田采油一厂作业大队，黑龙江 大庆 163458)

0 引言

索承式桥梁如悬索桥、斜拉桥、系杆拱桥等，具有美观、建造速度快等特点，在我国大型桥梁和城市桥梁建设中得到了广泛采用。缆索作为这类桥梁的主要承力部件，其完整性直接关系到桥梁的安全。对于长期工作在高应力状态和风吹日晒等恶劣环境下的缆索，随着使用年限的增加及防护措施失效可能产生腐蚀和断丝等损伤，如不能及时发现这些损伤，不仅可能发生缆索断裂，甚至可能发生桥梁倒塌等重大安全事故。近年来，国内外均发生了由于缆索断裂导致的塌桥事故，造成了人员伤亡和巨大的经济损失，社会影响十分恶劣，如中国台湾南方澳大桥、意大利莫兰蒂大桥、福建武夷山公馆大桥等。因此桥梁缆索的完整性也越来越受到人们的关注[1-2]。

目前常用的缆索体系主要为平行钢丝和钢绞线两种，分别由旋转的平行钢丝束和平行钢绞线组成。缆索外层是双层同步挤压成型的高密度聚乙烯(High Density Polyethylene， HDPE)防护套管，两端锚头常用冷铸锚或热铸锚，图1为冷铸锚缆索的结构示意图。缆索内部钢丝主要的损伤类型为断丝及腐蚀等[3]。缆索钢丝断裂失效的起因主要是疲劳，在高应力反复作用下产生疲劳损伤，进而导致钢丝疲劳断裂。缆索钢丝腐蚀缺陷的起因是原有防护措施失效，如HDPE开裂、密封失效等，导致水汽入侵进而使内部钢丝产生腐蚀损伤。由于缆索安装特点，导致水汽入侵后易形成冷凝水汇集到下锚头附近的缆索处。而处于高应力状态下的钢丝，缆索的腐蚀速度较无应力状态下有加速效果，因此腐蚀损伤往往先发生于下锚头附近钢丝。

图1 冷铸锚缆索的结构示意图Figure 1 Structure diagram of cold cast anchor cable

目前缆索检测最常用的方法是基于人工的视觉检测法，主要以目测的方式定期检查缆索系统是否遭受腐蚀，其耗时长花费大量的人力和物力，检测结果人为影响较大，而且不能检测到缆索内部钢丝的缺陷。随着无损检测技术的不断发展，越来越多的学者将声发射、漏磁、射线、超声波以及磁致伸缩导波等无损检测方法应用到缆索的检测上[4-6]，其中大部分无损检测方法需要配套对应的扫查装置或爬行器对缆索进行检测，且无法对靠近锚固区域或其他不可达位置的缆索进行检测。基于磁致伸缩效应的导波检测法具有单点激励即可实现缆索的长距离检测，并且可同时对靠近锚固区的缆索进行检测。由于采取非接触的磁声传感方式，检测时无需破坏传感器安装位置的HDPE保护层；另外检测时无需封闭交通，可在桥梁正常运营下完成缆索的快速检测。

1 磁致伸缩导波桥梁缆索检测原理及实现方法

桥梁缆索是由带有轻微扭转角度的平行钢丝束或平行钢绞线这类铁磁性材料组成，而铁磁性材料具有磁致伸缩这一特性。桥梁缆索的磁致伸缩导波检测原理就是基于铁磁性材料自身的磁致伸缩效应及其逆效应在缆索中激励和接收导波，通过弹性波的反射实现腐蚀或断丝缺陷的检测。所谓磁致伸缩效应，是指当铁磁性材料在受到磁场作用时，其结构尺寸会发生变化的效应。磁致伸缩逆效应则是指当铁磁性材料处于恒定磁场中，受到外力作用时，产生相对形变，同时会引起内部的磁化状态发生改变的效应[7-9]。铁磁性材料发生的相对形变可以用磁致伸缩系数表示：

λ=Δl/l

(1)

式中:Δl为材料磁化后长度的变化量；l为材料的原始长度。

从微观来看，磁致伸缩效应的产生机理是当把铁磁性材料置于外加磁场中时，其内部的磁畴壁发生移动和转动，接近外加磁场方向的磁畴增大，而远离外加磁场方向的磁畴压缩，同时也会带动晶格的变形，这种微观形变累加后就是材料结构尺寸发生变化的宏观形变。磁致伸缩逆效应的产生机理是当已被磁化的铁磁性材料在受到外力作用时，其内部晶格也将产生变形，从而改变了磁畴内自发磁化的方向，导致铁磁性材料内部的磁化状态发生改变。

磁致伸缩导波桥梁缆索检测原理可以分为3个阶段进行描述：① 利用非接触磁声换能器基于磁致伸缩效应在对应位置的钢丝中产生特定频率和模态的导波；② 导波在钢丝中传播，传播过程中遇到腐蚀、断丝缺陷或其他异常结构时由于声阻抗变换产生回波；③ 回波到达接收传感器时基于磁致伸缩逆效应接收线圈感应电信号，信号经过处理后存储到计算机，通过分析回波的到达时间和幅值等即可确定缺陷位置及其大小。

磁致伸缩导波桥梁缆索检测系统的典型构成如图2所示，实现方法如下：首先将传感器安装在待测缆索上，然后由计算机控制信号发生器产生特定频率特定周期数的脉冲信号,再经过功率放大器放大后输入到激励线圈，从而在激励线圈安装处的缆索中产生沿缆索轴向传播的导波。导波在传播中遇到缺陷或端面时会产生反射回波，接收传感器将包含有缆索信息的导波信号在磁致伸缩逆效应作用下转换为电信号，该信号经过预处理和A/D转换后输入到计算机中，对获得的信号进行处理和分析，便可得到缆索的缺陷信息[10]。

图2 磁致伸缩导波桥梁缆索缺陷检测系统Figure 2 Magnetostrictive guided wave bridge cable defect detection system

2 磁致伸缩导波桥梁缆索检测的关键技术

2.1 导波在缆索中传播特性

在利用导波检测技术对缆索检测前，首先需要确定导波的模态和对应的激励频率，这需要依靠频散曲线了解导波在缆索中的振型和波速等信息。对于钢丝的频散曲线可以利用Disperse[11]或Pcdisp[12]进行计算获取。而对于缆索这类复杂结构，可以通过半解析有限元算法[13]或基于COMSOL软件模式分析法来进行求解，图3为利用COMSOL模式分析法获得的规格为37×Φ7 mm缆索频散曲线。利用频散曲线可以确定磁致伸缩导波检测的激励频率和适合检测的缺陷类型等。目前常用于缆索检测的模态是纵向模态，而激励频率一般小于100 kHz。

(a) 相速度

2.2 磁致伸缩导波缆索检测传感技术

基于磁致伸缩效应及其逆效应在缆索中有效的激励和接收纵向模态导波，关键在于偏置磁化器和线圈的设计，其中偏置磁化器提供的偏置磁场可以避免倍频效应和提高磁声耦合效率，而线圈可以保证检测频率和换能效率。偏置磁场与传感器换能效率在缆索中的关系曲线如图4所示，从图中可以看到它们之间的关系不是单调递增关系，为了保证耦合效率，激励和接收端均应提供合适的偏置磁场[14]。

(a) 激励端

螺线管线圈和永久磁铁磁化器常用于为导波激励和接收提供偏置磁场。其中，螺线管线圈可以通过调节输入电流连续调节偏置磁场，但是螺线管线圈需要现场绕制,实现起来较为困难，同时需要额外的直流源供电。而永久磁铁磁化器采用永久磁铁作为磁源，虽磁化效果较为稳定，但无法连续调节。基于以上优缺点，目前比较实用的偏置磁场提供装置主要为永久磁铁磁化器，通过模块化设计，对于不同直接的缆索选取不同的磁化器数量，磁化器在缆索上的安装如图5所示。

(a) 传感器布置照片

激励和接收线圈用于产生和感应交变磁场，为了现场安装的方便，一般采用连接器连接扁平电缆组成，其实物如图6所示，线圈的宽度要求小于最高激励频率对应波长的一半[15]。

图6 线圈和连接器Figure 6 Coils and connectors

对于带有不锈钢护套的桥梁缆索磁致伸缩导波现场检测，不锈钢护套对磁致伸缩检测导波的激励过程与接收过程均会造成衰减，在低频检测时传感器可以安装在不锈钢护套上，高频检测时传感器不应该安装在不锈钢护套上，如果条件允许传感器应该尽量安装在无不锈钢护套的位置。另外缆索的索力会对传感器的换能效率产生影响，索力的存在会使缆索等效偏置磁场强度增加，影响磁声换能效率。因此在实际桥梁缆索检测中，需要考虑索力对换能效率的影响，对检测信号进行补偿，从而得到可靠的检测结果[16]。

2.3 磁致伸缩导波缆索检测仪器组成及实现

磁致伸缩导波检测仪器一般由系统主机、传感器和上位机软件等部分组成[17]，其结构组成如图7所示。信号发生与采集单元用于产生特定频率和周期的激励信号和接收信号的数据采集，根据前述分析其发生的正弦波频率不低于100 kHz和采样频率不低于1 MHz/Sa。功率放大器配合功放控制器将信号发生的信号进行功率放大，与管道磁致伸缩导波检测仪器相比，由于缆索HDPE可达十几毫米，导致传感器耦合效率较低，因此需要桥梁缆索磁致伸缩导波仪器提供更大的激励功率(瞬态功率可达10 kW)。另外由于导波检测的接收信号较为微弱(uV 级)，因此需要利用滤波放大器对接收传感器输出的信号进行滤波放大处理(信号放大倍数可达100 dB)。双工器主要为了高压激励信号和微弱接收信号的快速切换，可利用单个传感器实现导波的激励和接收。计算机软件可实现信号发生控制、数据采集、分析及存储等功能。

图7 磁致伸缩导波检测仪器结构组成Figure 7 Structure composition of magnetostrictive guided wave testing instrument

目前磁致伸缩导波缆索检测仪器可达到的参数如下：(见图8)。

图8 磁致伸缩导波桥梁缆索检测仪器Figure 8 Magnetostrictive guided wave bridge cable testing instrument

a.适合拉吊索直径15～250 mm。

b.单次索体检测距离200 m，锚固区检测距离20 m。

c.检测系统重量小于20 kg。

d.锚固段和自由段索体可实现5%截面积损失的腐蚀缺陷检测。

e.在不拆除外层PE和不锈钢保护套筒条件下实现缆索PE外观和内部钢丝腐蚀断丝等缺陷检测，尤其适用于下锚固段内部钢丝检测。

f.检测时不需要耦合剂，安装传感器部位PE厚度可达20 mm。

g.装置工作时间不低于24 h。

3 工程应用

3.1 在桥梁换索工程中的应用

松原市江南公铁立交桥2000年建成通车，主桥为3孔中承式钢管混凝土拱桥，吊杆采用挤包护层扭绞型拉索，其规格为SNS/S-5×199，内为黑色PE护层，外为彩色HDPE护层。锚具采用配套的冷铸锚，其规格为LM5-199-L和LM5-199-D。2013年7月采用磁致伸缩导波缆索检测仪器对吊杆进行了抽检，发现多根吊杆存在靠近下锚头内部钢丝存在腐蚀的状况。在以上检测结果的基础上于2014年5月开展了更换主桥吊杆的设计。吊杆更换工作从2015年7月开始，在吊杆更换期间再次利用该技术对吊杆进行了检测并进行了验证，检测结果与吊杆实际腐蚀相吻合，检测信号及开索验证结果如图9所示。另外对更换完成后的吊杆进行了数据采集，保存了原始数据，为后续的检测提供了数据基准。在吊杆更换完2 a后，再次对已更换的除短吊杆外的50根吊杆进行了检测，采集了原始数据，为后续的吊杆腐蚀状况的监测提供了基准数据，通过建立吊杆的长期检测数据库，为后续的桥梁养护提供支持[18]。

图9 松原市江南公铁立交桥缆索检测检测波形及开索验证结果照片

3.2 在日常养护过程中的应用

近年来，利用磁致伸缩导波缆索检测仪器，完成了超过100座索承式桥梁近3 000根桥梁缆索的检测，发现缆索主要存在的损伤形式为钢丝腐蚀，图10为桥梁日常养护过程中检测时发现的损伤典型信号与开索验证结果。

(a) 损伤典型信号与开索验证1

(b) 损伤典型信号与开索验证2

4 结 论

本文对磁致伸缩导波检测技术在桥梁缆索检测方面的应用进行了总结，得到的主要结论如下：

a.磁致伸缩导波检测技术利用非接触磁声耦合传感实现导波的激励和接收，检测时无需拆除缆索的HDPE护套，且不会影响桥梁的正常运营。

b.磁致伸缩导波检测技术实施时无需移动传感器，仅需将传感器安装在靠近桥面的位置即可实现自由段和锚固段缆索内部钢丝腐蚀及断丝缺陷的检测。

利用磁致伸缩导波检测技术对服役中的缆索开展检测获取缆索的健康状态，一方面可以为缆索的日常养护提供支持，另一方面可以为换索时限的评估提供基础数据，为保障索承式桥梁的安全运行提供了高效快捷的检测方法。