钢桥疲劳裂纹几何特征对涡流检测信号影响规律研究

张立发,袁周致远,吉伯海,庞 根

河海大学土木与交通学院

0 引言

钢桥因其受力性能优越、跨越能力强,已成为大跨径桥梁最主要的结构类型,广泛应用于公路、铁路桥梁中。随着已建成钢结构桥梁服役年限的增长,不少正交异性钢桥面板中已经出现大量疲劳裂纹,直接威胁到钢桥结构的受力安全,疲劳损伤维护工作面临的压力也越来越大[1-2]。目前,针对钢桥面板疲劳裂纹缺陷无损检测方法主要以超声波检测为主,已取得较好的应用效果[3-5]。超声波检测时需要涂抹耦合剂贴近钢桥表面进行检测,但由于桥面铺装层的存在,检测工作难以开展,所以亟需一种无需接触钢桥面板且快速有效的无损检测方法,在初步检测的基础上采取有效措施对钢桥疲劳裂纹进行精确检测,为后续采取何种措施提供依据。

涡流检测是一种基于电涡流效应的“非接触式”的无损检测方法,具有灵敏度高、线性度高、检测速度快、简单可靠且能连续进行测量等特点[6],因此广泛应用于铁路、航空等领域的缺陷检测[7-8],而且在一定条件下,检测信号可提供裂纹长度、宽度等几何特征的信息。已有很多学者使用涡流检测技术对钢板等钢结构构件上的缺陷进行检测。张卫民等[9]研制了一种线圈阵列式电涡流传感器,能够有效检测铝板上的微小裂纹;范钦磊等[10]对轨道车辆车体焊缝内部缺陷进行涡流检测实验,结果表明涡流检测技术能够有效检测轨道车辆铝合金板焊缝内部缺陷;张国才等[11]针对涡轮叶片缺陷设计了PECT检测系统,分析了不同激励、内径线圈、频率等参数对检测信号特征的影响;张东利等[12]研究激励线圈存在提离效应时涡流分布场的变化情况,发现线圈的倾角对检测信号的影响,上述研究在检测试件表面以及近表面的缺陷取得了良好的检测结果。宋凯等[13]建立了钢管饱和磁化下的涡流检测数值计算模型,研究构件磁导率特性与涡流检测信号对涡流检测信号幅值和相位的作用机制,并分析了检测线圈参数、被测试件磁导率等对检测信号的影响,但是目前针对缺陷长度等几何特征对检测信号影响的研究相对较少。

为了研究钢桥裂纹几何特征对检测信号的影响规律,本文设计了横向扫查式涡流检测实验平台,通过对带有不同几何特征裂纹的钢板试件进行扫查实验,实现疲劳裂纹的有效检出,分析了裂纹长度、宽度、深度与检测信号幅度变化值之间的关系。并建立了钢桥裂纹涡流检测的有限元仿真模型,验证了涡流检测方法的可靠性,为后续对钢桥疲劳裂纹长度、深度和宽度进行定量分析提供依据。

1 疲劳裂纹检测基本原理

钢桥疲劳裂纹涡流检测原理如图1所示。涡流检测探头由激励线圈和霍尔传感器组成,在对钢桥面板进行检测时,向激励线圈中通入交变电流,线圈附近空间会形成原生交变磁场。由法拉第电磁感应定律可知,当钢桥面板处在此交变磁场中时,其表面会形成闭合回路的感应涡流,同时会产生原磁场相反的感生磁场,抵消部分原生磁场[14-15]。由于为低频电磁场,假设位移电流密度可忽略,则钢板产生的这种电磁现象可以用麦克斯韦方程组进行解释:

(1)

图1 疲劳裂纹涡流检测原理示意图

式中:H为磁场强度,A/m;J为线圈传导电流场,A/m2;Jp为平面导体涡流场,A/m2;D为电位移矢量,C/m2;E为电场强度,V/m;B为磁感应强度,T;ρ为电荷体密度,C/m3。

由式(1)可知空间磁场由通电线圈产生的原生磁场和钢板导体涡流产生的感生磁场组成,其中由钢板导体涡流产生的感生磁场中包含了裂纹缺陷信息。通过对钢桥面板进行横向移动扫查,当钢桥面板出现裂纹时,裂纹位置处涡流场的强度和分布情况会发生改变,从而影响裂纹上方的感生磁场,通过将霍尔元件置于线圈与试件中间,连续采集磁场强度信号,对磁场信号进行分析,可判断有无裂纹存在,并通过分析信号变化幅度进一步分析判断裂纹的尺寸大小。

霍尔传感器工作的基本原理是霍尔效应[16],霍尔元件通以恒定电流I,在垂直外加磁场B的作用下,霍尔元件内部的电子在洛伦兹力的作用下发生偏转,形成霍尔电压VH,即:

(2)

式中:RH为霍尔系数;d为霍尔元件厚度;n为载流子浓度;q为电子电荷;ρ为电阻率;μ为电子迁移率。

由式(2)可以看出霍尔电压VH与磁感应强度B成线性关系,因此可以通过霍尔传感器的感应电压确定空间磁场的强度大小。

2 疲劳裂纹涡流检测实验

2.1 涡流检测实验平台

搭建由信号发生器、功率放大器、霍尔传感器、特斯拉计和数据采集模块组成的涡流检测实验平台,如图2所示。通过信号发生器产生脉冲激励信号,激励信号通过功率放大器后驱动探头线圈,产生交变磁场,从而使带裂纹钢板试件上产生涡流场,形成感生磁场,再由霍尔探头接收原生磁场和感生磁场叠加磁场信号,将其转变为电压信号传输给特斯拉计,再与计算机建立通讯,由LabVIEW软件搭建的信号采集模块进行数据实时显示、采集以及储存工作。

(a)检测平台示意图

脉冲涡流对线圈的瞬时激励功率大,单次激励获得的缺陷信息多,对裂纹的检测能力优于正弦涡流[17]。实验所用激励频率为1 kHz,电压幅值为25 V,占空比为50%的脉冲信号。所用激励线圈为一种空心圆柱形结构,其外径为40 mm,内径为20 mm,线圈高度为25 mm,线径为0.7 mm,匝数为578匝,实验过程中保持线圈参数不变。

2.2 试件设计

为研究裂纹长度、宽度和深度特征对检测信号的影响规律,试件分为2类,材料均采用Q345钢板,共4块试件,采用线切割方式预制22个不同几何特征裂纹。试件1和试件2用以研究裂纹长度对检测信号的影响,尺寸均为700 mm×400 mm×16 mm,每块试件钢板沿长度方向上于中心位置加工3个槽型裂纹缺陷;试件3和试件4用以分析裂纹宽度和深度特征对检测信号的影响情况,尺寸为900 mm×100 mm×35 mm,每块试件沿长度方向加工8个槽型裂纹缺陷,裂纹尺寸位置见图3,裂纹尺寸参数见表1。

表1 疲劳裂纹尺寸参数 mm

(a)试件实物图

2.3 磁感应强度幅度变化值

探头沿试件长度方向扫查4块钢板试件,采集得到如图4所示的磁感应强变化趋势图。信号波峰处极大值点为裂纹所在位置的磁感应强度值,对信号平稳段取平均值作为钢板无裂纹位置处的磁感应强度值,磁感应强度幅度变化值为裂纹位置检测的磁感应强度与无裂纹位置检测的磁感应强度差值,磁感应强度幅度变化值越大,则裂纹检测效果越明显。对22条裂纹处磁感应强度信号幅度变化值进行计算,并以此来分析研究裂纹缺陷尺寸特征参数变化对检测信号的影响。

图4 磁感应强度变化曲线

2.4 不同长度裂纹实验结果及分析

针对试件1和试件2,实验中1～6号不同长度裂纹处的磁感应强度幅度变化值与裂纹长度的关系如图5所示。

图5 不同长度裂纹实验结果

通过对比图5中裂纹检测实验结果可知,裂纹所引起的磁感应强度幅度变化值与缺陷长度成正相关,且受裂纹长度变化影响较大,当裂纹长度由60 mm增加至100 mm时,裂纹引起的磁感应信号幅度变化值增加1倍,且裂纹长度超过100 mm后增速明显变缓,信号幅度增大20%。这是由于钢板表面的感生涡流场为环形流动状态,裂纹长度越长,对涡流流动的阻碍就越大,磁感应强度幅度变化值就越大;并且因为涡流是由强到弱从中心点向四周扩散,离中心越远处涡流越弱,所以远处裂纹对涡流阻碍就越小。

2.5 不同宽度裂纹实验结果及分析

针对试件3和试件4,分析7～22号裂纹实验结果,对比不同宽度情况下的裂纹所引起磁感应强度幅度变化值,将其绘制成曲线如图6所示。磁感应强度幅度变化值受宽度影响较小,总体呈现增长趋势,当缺陷宽度从0.2 mm增长至1.0 mm时,磁感应强度幅度变化值增大约25%。

图6 不同宽度裂纹实验结果

2.6 不同深度裂纹实验结果及分析

以裂纹深度为研究对象,分析7～22号裂纹实验结果,对比不同深度情况下的裂纹所引起磁感应强度幅度变化值,将其绘制成曲线如图7所示。

图7 不同深度裂纹实验结果

由图7可知,输出磁感应强度幅度变化值受深度影响较大,磁感应强度幅度变化值随着缺陷深度增加呈现正增长趋势,且磁感应强度幅度变化值增长速率逐渐变缓,每增加5 mm磁感应强度幅度变化值平均增加量依次为5.53 μT、5.24 μT和2.90 μT。这是由于在平面导体中,涡流密度大小随着与导体表面距离的增加呈指数降低,越深处裂纹对涡流的阻碍就越小。

3 涡流检测有限元仿真

3.1 疲劳裂纹三维仿真模型

为了进一步验证裂纹几何特征对检测信号影响规律的可靠性,本文利用COMSOL Multiphysis仿真软件中的“AC/DC”模块建立了钢桥面板疲劳裂纹涡流检测三维仿真模型,如图8所示。

图8 三维仿真模型

在所建模型中,用到的线圈参数、激励参数与实验一致。仿真模型试件材料为Q345钢,设置被测板材的电导率为3.06×107S/m,相对磁导率和介电常数为1。空气处电导率设置为0.1 S/m,相对磁导率和介电常数为1。共有4块带裂纹钢板,其尺寸大小及裂纹尺寸均与实验一致,仿真模型见图9所示。

(a)试件1、2

以4块试件为研究对象,通过参数化扫描手段,模拟实验中检测探头以一定速度沿着垂直于缺陷长度方向移动进行裂纹检测,仿真研究不同长度、宽度、深度特征裂纹的检测信号特征,得到图10所示的磁感应强度变化曲线图。其中横轴为扫查过程中线圈的位置,纵轴为探头所采集到的磁感应强度。仿真模型可以得出无裂纹处与裂纹存在位置的磁感应强度值变化情况,并通过计算得到22条裂纹处的磁感应强度变化值。

图10 磁感应强度变化曲线

3.2 不同长度裂纹仿真结果

以试件1和试件2为研究对象,得到不同长度裂纹的仿真结果,将实验中1～6号不同长度裂纹处的磁感应强度幅度变化值实验结果与仿真结果进行对比,如图11所示。

图11 不同长度裂纹实验结果与仿真结果对比

从图11中可以看出裂纹长度小于80 mm时,磁感应强度幅度变化值随着裂纹长度的增加而增大,裂纹长度增加至80 mm后,信号幅度变化值整体上呈波动增长趋势,但增速明显放缓。钢板表面有效涡流场范围约为线圈探头直径的2倍,探头检测磁感应强度幅度变化值的变化趋势与实验结果基本一致。

3.3 不同宽度裂纹仿真结果

针对试件3和试件4,仿真研究不同宽度裂纹的检测信号特征。检测探头沿垂直于缺陷长度方向移动进行参数化扫描,得到探头扫查不同宽度裂纹处磁感应强度的仿真结果,并绘制磁感应强度幅度变化值随裂纹宽度变化曲线和磁感应强度幅度变化值随裂纹深度变化曲线,见图12。

图12 不同宽度裂纹仿真结果

由图12可知,仿真结果可以反映裂纹宽度的变化对裂纹扫查信号的影响,随着裂纹宽度的增加,裂纹磁感应强度幅度变化值逐渐增大,大致成线性变化。当裂纹宽度从0.2 mm增大到1.0 mm时,4种不同深度情况下,磁感应强度幅度变化值平均增加15.50 μT。

3.4 不同深度裂纹仿真结果

依据试件3和试件4仿真结果,绘制磁感应信号幅度变化值随裂纹深度变化曲线,见图13。

图13 不同深度裂纹仿真结果

由图13可知,随着裂纹深度的增加,裂纹磁感应强度幅度变化值逐渐增大;且裂纹深度为5～20 mm时,每增加5 mm磁感应强度幅度变化值平均增加量分别为7.56 μT、4.26 μT和3.68 μT,呈现递减趋势。其中,裂纹宽度为0.2 mm时,裂纹宽度较小,在裂纹处网格划分存在差异,导致检测数据存在误差,但整体与章节2得到的实验结果具有较好的一致性。

4 结束语

本文通过搭建钢桥疲劳裂纹涡流检测实验平台,移动扫查了4块带裂纹钢板试件,得到了不同长度、深度和宽度的裂纹缺陷扫查磁感应强度信号曲线,分析研究了钢桥不同几何特征疲劳裂纹对磁感应强度幅度变化值的影响规律;并建立有限元仿真模型,模拟涡流扫查裂纹过程,验证了钢桥面板疲劳裂纹涡流检测结果可靠性。结论如下:

1)涡流检测技术能够实现多条不同几何特征钢桥面板疲劳裂纹缺陷的实时定位检测,检测图像效果清晰,能有效检测到尺寸最小为长度60 mm、宽度0.2 mm、深度5 mm的表面疲劳裂纹缺陷。

2)磁感应强度幅度变化值随裂纹长度增大而增大,当裂纹长度超过线圈直径的2倍范围后,由于钢板表面涡流的扩散性,增长速率逐渐降低;裂纹宽度对磁感应强度幅度变化值影响基本成线性关系,裂纹宽度由0.2 mm变化至1.0 mm时,磁感应强度幅度变化值增大约25%,裂纹宽度影响效果不显著。

3)裂纹缺陷深度越深,磁感应强度幅度变化值越大。随着裂纹深度增加,由于涡流密度逐渐减小,磁感应强度幅度变化值增长速率减缓。