基于漏磁信号的持荷钢绞线锈蚀检测试验

李志刚，马惠香，周建庭，赵亚宇，张 洪

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067；2.重庆财经学院 公共管理学院，重庆 401320；3.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；4.广州市市政工程试验检测有限公司，广东 广州 510520)

钢绞线拉索作为斜拉桥重要的承载构件，其运营状况直接关系到斜拉桥的安全和使用寿命.目前钢绞线拉索锈蚀已成为影响拉索运营状况的关键性因素，但由于其具有隐蔽性，且长期处于荷载作用下，致使常规技术难以检测，使得拉索锈蚀检测一直是工程界亟待解决的难题.

目前钢绞线拉索的检测方法主要有视觉法、声发射法、射线法和导波法等，但都有局限性.视觉法存在劳动强度大、施工成本高、效率低、人为因素影响大及存在较大安全隐患等问题[1].声发射法具有信噪比低、仅能给出相对检测结果等特点.由于钢绞线拉索内部结构复杂，损伤裂纹生成区域不固定，束缚了声发射法的应用[2].射线法具有检测效率低、图像解释困难、造价高等问题.导波法存在检测精度相对较低、周向定位困难等问题[3].

因此，20世纪90年代俄罗斯学者杜波夫(Dubov)首次提出了金属磁记忆技术，是迄今为止唯一能够对铁磁性金属构件进行早期诊断和寿命评估工作的无损检测方法[4].金属磁记忆技术基本原理如下：铁磁性材料在地磁场激励下，应力集中和锈蚀区域会发生磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的重新取向，并在地磁环境中表现为局部磁异常，形成所谓漏磁场，并以漏磁信号的形式出现在铁磁体表面[5-6].与传统的无损检测方法相比，金属磁记忆技术因其具有既能发现构件宏观缺陷，又能发现因应力集中引起的微观损伤，且不需要外加磁场的优点而得到迅速发展[7].目前磁记忆技术主要集中应用于应力集中、疲劳裂纹、焊缝焊接等方面[8]，不仅在实验室取得了研究成果，而且还在铁磁性构件的质量检测、分选及石油管道、锅炉、机械设备等强度和寿命的诊断中得到了应用.但是金属磁记忆技术在土木工程领域应用较少，仅针对小型金属构件进行了检测试验研究，尚未应用于实际工程中.钢绞线拉索作为典型的铁磁性构件，在锈蚀后会产生局部的应力集中和截面损失缺陷等损伤，并伴有漏磁信号的累积，发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的重新取向，在缺陷损伤表面形成自发漏磁场，因此，可利用金属磁记忆技术对钢绞线的锈蚀进行检测[9].周建庭等[10]、赵亚宇等[11]结合金属磁记忆理论在铁磁性材料早期缺陷无损检测方面的优势，针对拉索腐蚀问题，将磁记忆无损检测技术引入到钢绞线拉索腐蚀检测中，提出了基于金属磁记忆技术的镀锌钢绞线拉索腐蚀检测新方法，通过试验分析钢绞线腐蚀磁记忆漏磁信号分布变化特征，构建基于磁记忆信号特征的钢绞线腐蚀度判别准则，验证了金属磁记忆检测技术用作钢绞线腐蚀检测的可行性及合理性，为镀锌钢绞线拉索腐蚀检测提供了参考.但对持荷钢绞线锈蚀漏磁信号检测却没有涉及，而钢绞线拉索在运营过程中基本都是处于持荷状态.

基于此，笔者在前期研究的基础上，对钢绞线施加拉力，使钢绞线处于持荷状态，然后对其进行定点加速锈蚀，以进一步探究钢绞线的锈蚀、拉力与漏磁信号的关系.

1 试验系统

1.1 试验材料与设备

1.1.1试验材料

试验采用工程上常用的Φs15.2(1×7)1860级镀锌钢绞线.

1.1.2试验设备

1)张拉试验装置.钢绞线拉伸采用的是自主搭建的张拉试验装置.该张拉试验装置由电动油泵、千斤顶、综合测试仪、压力传感器和张拉台座组成.图1为张拉试验装置实物图.

图1 张拉试验装置实物图

2)三轴微磁检测扫描装置.磁信号采集所用装置为自主研发的三轴微磁检测扫描系统，该系统主要由扫描装置、PLC控制系统和电脑控制系统组成.图2为三轴微磁检测扫描系统整体装置示意图.通过扫描装置系统可实现三轴自由移动扫描检测，精度达0.1 mm.图3为三轴微磁检测扫描装置实物图.图4为程序界面.传感器为Honeywell公司研发的HMR2300智能数字磁强计，量程为±2×10-4T，分辨率可达6.7×10-9T.通过Visual C++2008软件编程实现装置的自动控制.

图2 三轴微磁检测扫描系统整体装置示意图

图3 扫描装置实物图

图4 程序界面

3)锈蚀装置.采用外加稳压电源，利用吸水布的强吸水性对持荷钢绞线进行定点加速锈蚀.电解质采用质量分数为5 %的NaCl溶液，将钢绞线充当阳极，碳棒充当阴极，使电源、钢绞线、电解质溶液和碳棒形成闭合回路进行加速锈蚀.图5为钢绞线加速锈蚀示意图.

图5 钢绞线加速锈蚀示意图

1.2 试验步骤和过程

截取长度为8 m的钢绞线试件5根，编号分别为1#、2#、3#、4#和5#.首先通过张拉试验装置，对平台张拉待锈蚀钢绞线试件采用综合测试仪测试最初张拉力.其次采用电化学锈蚀装置对持荷状态下的钢绞线试件进行定点加速锈蚀，电解液中NaCl质量分数为5%，电流为0.5 A，锈蚀宽度为0.05 m，锈蚀时间分别为0、12、24、36、48、60、72、84、96、108 h，锈蚀区域为钢绞线中间位置.试件定点加速锈蚀结束后，继续用综合测试仪测试持荷状态下的钢绞线试件拉力.然后采用三轴微磁检测扫描系统，对持荷状态下的未锈蚀和锈蚀试件分别进行磁信号扫描，扫描范围为钢绞线长度中心对称的3.0 m内，提离高度z(智能数字磁强计距钢绞线上表面高度)分别为0.01、0.02、0.04、0.08、0.16、0.26、0.36 m.

图6为采用综合测试仪测试持荷试件在锈蚀的各阶段拉力变化情况.由图6可知，钢绞线试件在锈蚀阶段内变化主要分为2个阶段，即拉力平稳阶段和拉力下降阶段.造成这种情况的原因主要是在锈蚀初期阶段，试件锈蚀缺陷处截面可以承受初始拉应力荷载，使试件拉应力荷载处于平稳阶段；当锈蚀缺陷处截面削弱严重时截面将不足以承受初始拉应力荷载，试件会发生局部断丝，并会在断丝处产生滑移，最终导致试件拉应力下降.图7为持荷钢绞线锈蚀过程.

图6 锈蚀各阶段钢绞线拉力变化情况

图7 持荷钢绞线锈蚀过程

2 试验结果分析

通过对试验结果分析发现，不同钢绞线试件的漏磁信号分布规律表现出很强的相似性，说明试验具有良好的可重复性和可靠性.为此，笔者仅以1#钢绞线试件作为研究对象.图8和图9分别为持荷钢绞线试件磁感应强度切向分量Bx、法向分量Bz与位置x的关系曲线图，其中t为锈蚀时间，C为钢绞线的锈蚀度.

图8 持荷钢绞线试件磁感应强度切向分量与位置的关系曲线

图9 持荷钢绞线试件磁感应强度法向分量与位置的关系曲线

由图8、9可知，当持荷钢绞线未锈蚀时，表面漏磁信号出现随机波动，主要是由于钢绞线在生产过程中内部组织结构不均匀，且这种不均匀是随机分布的.根据磁机械效应自发漏磁理论[12]可知：存在自发磁化的铁磁性材料在材料内部组织不均匀处产生漏磁场；镀锌钢绞线作为典型铁磁性材料，在材料表面形成了自发漏磁场.

当持荷钢绞线发生锈蚀时，锈蚀时间t=36 h，锈蚀度C=37.11%时，钢绞线漏磁信号有少许变化，但总体变化不大.主要是钢绞线表层有镀锌层，试件锈蚀程度较低，截面损失较小，漏磁信号累积较少，在钢绞线缺陷损伤表面形成自发漏磁场较小.随着试件锈蚀程度的增加，t≥72 h，C≥74.22%时，钢绞线锈蚀区域漏磁信号随之增强，磁感应强度切向分量在锈蚀区域两端交汇于一点，且在试件锈蚀中间位置具有最大值，磁感应强度法向分量在试件锈蚀两端具有反向极大值和极小值.因此，可通过钢绞线漏磁信号曲线定量判定钢绞线锈蚀位置及范围.

为进一步分析数据，对不同锈蚀程度持荷钢绞线漏磁信号剔除背景磁场，进行量纲一化处理，并对比分析所得数据.图10为持荷钢绞线漏磁信号的磁感应强度切向和法向分量量纲一化峰值与位置、锈蚀度的关系曲线，其中Sx=Bx/|Bx|max,Sz=Bz/|Bz|max.

图10 磁感应强度切向和法向分量量纲一化峰值与位置、锈蚀度的关系曲线

由图10可知：在持荷钢绞线未锈蚀区域，漏磁信号的磁感应强度切向和法向分量量纲一化峰值变化较小；在持荷钢绞线锈蚀区域，漏磁信号切向和法向分量量纲一化峰值变化较大，且随着锈蚀程度的增加，漏磁信号磁感应强度切向和法向分量量纲一化峰值与锈蚀程度存在一定的关系.对持荷钢绞线锈蚀漏磁信号磁感应强度量纲一化峰值曲线进行拟合发现，切向和法向分量量纲一化峰值与锈蚀程度均呈Boltzmann函数分布，且拟合效果较好.计算公式如下：

(1)

(2)

式中：Sx为持荷钢绞线锈蚀漏磁信号磁感应强度切向分量量纲一化峰值；Sz为磁感应强度法向分量量纲一化峰值.另外，理论锈蚀度C即为钢绞线锈蚀前、后的质量损失率.

通过对钢绞线锈蚀程度与漏磁信号进一步分析可知，漏磁信号特征参量——磁感应强度切向和法向分量量纲一化峰值与钢绞线锈蚀程度存在一定关系.为此,可通过分析磁感应强度切向和法向分量量纲一化峰值的变化情况，对钢绞线锈蚀程度进行判断.

进一步分析钢绞线拉力与漏磁信号磁感应强度切向和法向分量量纲一化峰值关系，结果如图11所示.由图11可知：在钢绞线锈蚀漏磁信号磁感应强度切向和法向分量量纲一化峰值形成初期，峰值变化平稳，拉应力缓慢下降，拉力幅值变化较小；当峰值增加到一定程度时，拉力急剧下降.

图11 钢绞线拉力与锈蚀度及漏磁信号峰值的关系曲线

通过对钢绞线拉力及漏磁信号磁感应强度切向和法向分量量纲一化峰值曲线进行拟合发现，钢绞线拉力与磁感应强度切向和法向分量量纲一化峰值均呈Boltzmann函数分布，且拟合效果较好.F与Sx、Sz的关系公式如下：

(3)

(4)

通过对钢绞线拉力与漏磁信号磁感应强度切向和法向分量量纲一化峰值进一步分析可知，钢绞线锈蚀程度的漏磁信号特征参量——磁感应强度切向和法向分量量纲一化峰值与钢绞线拉力大小具有一定关系.因此，可通过钢绞线漏磁信号磁感应强度切向和法向分量量纲一化峰值对钢绞线拉力的大小进行判断.

3 结 论

1)随着钢绞线锈蚀程度的增加，持荷钢绞线漏磁信号随之增强，其磁感应强度切向分量在锈蚀区域两端交汇于一点，且在锈蚀中间位置具有最大值，法向分量在锈蚀两端具有反向极大值和极小值，由此可定量检测钢绞线锈蚀位置及范围.

2)持荷钢绞线锈蚀漏磁信号的磁感应强度切向和法向分量量纲一化峰值与锈蚀程度、钢绞线拉力均呈Boltzmann函数分布，由此可定量判定钢绞线锈蚀程度与拉力的大小.

3)笔者选取了5根钢绞线试件进行了相关性试验研究，现象及关系式都比较清晰，但在多因素(多根钢绞线、循环荷载等)耦合作用下的定量关系还需进一步深入研究.