李志剛， 馬惠香， 周建庭， 趙亞宇， 張 洪

(1. 招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067； 2. 重慶財(cái)經(jīng)學(xué)院 公共管理學(xué)院， 重慶 401320； 3. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074； 4. 廣州市市政工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司， 廣東 廣州 510520)

拉索作為斜拉橋重要的承載構(gòu)件，其運(yùn)營(yíng)狀況直接關(guān)系到斜拉橋的安全和使用壽命.由于其破損部位的隱蔽性，因此無(wú)損檢測(cè)至關(guān)重要[1].為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)拉索表面缺陷檢測(cè)[2]和拉索內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢測(cè)[3]技術(shù)開展了大量的研究.拉索表面缺陷檢測(cè)技術(shù)[4]也稱為視覺檢測(cè)法，主要通過對(duì)拉索結(jié)構(gòu)外部防護(hù)套的表觀檢測(cè)來(lái)判斷拉索防護(hù)層破損情況(老化開裂、破損和劃痕等病害)及拉索損傷狀況，但不能對(duì)拉索內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè).拉索內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)[5-6]主要是對(duì)拉索內(nèi)部鋼絲損傷進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)原理和特點(diǎn)，可分為直接測(cè)量法和間接測(cè)量法.直接法有壓力表測(cè)定法、壓力傳感器法等.間接法有振動(dòng)頻率法、磁彈效應(yīng)法、射線檢測(cè)法和聲發(fā)射法等.針對(duì)斜拉橋拉索破損情況的檢測(cè)問題，現(xiàn)有常規(guī)檢測(cè)技術(shù)均具有一定的局限性，特別是拉索銹蝕無(wú)損檢測(cè)問題[7-8].

鋼絞線作為典型鐵磁性構(gòu)件，在銹蝕之后會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)力集中和截面損失缺陷等損傷，并在缺陷損傷表面形成自發(fā)漏磁場(chǎng).金屬磁記憶作為一種漏磁檢測(cè)技術(shù)，實(shí)質(zhì)是依據(jù)鐵磁性材料表面與缺陷損傷信息相關(guān)的自發(fā)漏磁效應(yīng)，對(duì)材料損傷進(jìn)行有效地檢測(cè).該方法一經(jīng)提出，便因其獨(dú)有的既能發(fā)現(xiàn)鐵磁性構(gòu)件宏觀缺陷，又能發(fā)現(xiàn)由應(yīng)力集中引起的微觀損傷，且不需要外加磁場(chǎng)的優(yōu)點(diǎn)而受到關(guān)注，并被廣泛應(yīng)用.目前金屬磁記憶技術(shù)研究主要集中于應(yīng)力集中、疲勞裂紋、焊縫焊接等方面，并已成功應(yīng)用于鐵磁性構(gòu)件的質(zhì)量檢測(cè)及石油天然氣管道、鍋爐、機(jī)械設(shè)備等強(qiáng)度和壽命的診斷.但是金屬磁記憶技術(shù)在土木工程領(lǐng)域應(yīng)用較少，僅針對(duì)小型金屬構(gòu)件進(jìn)行了試驗(yàn)研究[9]，尚未應(yīng)用于實(shí)際工程中[10].

鑒于金屬磁記憶技術(shù)在鐵磁性材料無(wú)損檢測(cè)方面的諸多優(yōu)勢(shì)，結(jié)合斜拉橋拉索無(wú)損檢測(cè)的實(shí)際需求，筆者擬將金屬磁記憶技術(shù)引入到鋼絞線拉索銹蝕檢測(cè)中來(lái)，從其理論出發(fā)，結(jié)合缺陷漏磁信號(hào)檢測(cè)磁偶極子模型，建立鋼絞線銹蝕缺陷漏磁模型，并開展鋼絞線試件銹蝕缺陷漏磁信號(hào)有限元數(shù)值仿真模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證.通過理論研究、仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證剖析鋼絞線銹蝕缺陷漏磁信號(hào)分布變化特征，構(gòu)建漏磁信號(hào)檢測(cè)鋼絞線銹蝕的判別準(zhǔn)則.

1 鋼絞線銹蝕缺陷漏磁模型

鋼絞線作為典型的鐵磁性構(gòu)件，在銹蝕之后會(huì)產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中和截面面積損失等缺陷損傷，并在缺陷損傷處形成漏磁場(chǎng).根據(jù)金屬磁記憶技術(shù)原理，結(jié)合缺陷漏磁信號(hào)檢測(cè)磁偶極子模型，建立鋼絞線銹蝕缺陷的漏磁模型.圖1為鋼絞線銹蝕缺陷漏磁信號(hào)的磁偶極子模型示意圖.

圖1 鋼絞線銹蝕缺陷漏磁信號(hào)的磁偶極子模型示意圖

假設(shè)鋼絞線長(zhǎng)度為2l1，兩端端頭分布的磁荷密度大小均為ρ1，且極性相反.以該磁荷分布模擬鋼絞線端頭磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，磁荷線深度為h1.假設(shè)鋼絞線銹蝕區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)矩形槽，槽口寬度為2l2，深度為h2，且槽口兩側(cè)分布磁荷密度，分別為ρ2且極性相反的磁荷分布，用來(lái)模擬鋼絞線銹蝕區(qū)域缺陷磁感應(yīng)強(qiáng)度分布.

根據(jù)磁荷理論[11]可知，磁荷帶上具有單位寬度為dη的面積微元磁荷ρmdη，在空間任一點(diǎn)p(x,y)的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量B為

(1)

式中：ρm為磁荷密度，其中磁荷帶位于兩端時(shí)ρm=±ρ1，磁荷帶位于銹蝕缺陷槽口兩側(cè)時(shí)ρm=±ρ2；μ0為空氣磁導(dǎo)率；r為空間任一點(diǎn)p(x,y)到磁荷帶的距離.由圖1可知，鋼絞線磁偶極子模型在空間任一點(diǎn)p(x,y)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為磁荷微元產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量和，即磁感應(yīng)強(qiáng)度為鋼絞線兩端和銹蝕缺陷槽口兩側(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量和，其切向和法向分量計(jì)算公式[11]如下：

(2)

(3)

當(dāng)磁荷帶位于兩端時(shí)，端頭漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度切向分量和法向分量分別為

(4)

(5)

式中：l1為鋼絞線長(zhǎng)度的1/2；η為缺陷寬度.

當(dāng)磁荷帶位于缺陷槽口兩側(cè)時(shí)，缺陷漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度切向分量和法向分量分別為

(6)

(7)

當(dāng)鐵磁性材料內(nèi)部磁化均勻時(shí)，ρ1=ρ2.通過對(duì)式(2)-(7)進(jìn)行積分疊加后，得到磁感應(yīng)強(qiáng)度B在x，y方向上的切向分量和法向分量分別為

(8)

(9)

由式(8)-(9)可知：鋼絞線漏磁信號(hào)與鋼絞線銹蝕程度有一定的關(guān)系；當(dāng)磁荷密度、空氣磁導(dǎo)率、磁荷線深度、空間位置和鋼絞線長(zhǎng)度等一定時(shí)，銹蝕深度和銹蝕寬度與鋼絞線磁感應(yīng)強(qiáng)度存在唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系.由此可見，通過檢測(cè)鋼絞線周圍漏磁信號(hào)大小及變化來(lái)判定鋼絞線銹蝕程度.

2 有限元分析

結(jié)合鋼絞線銹蝕缺陷漏磁信號(hào)模型，利用COMSOL Multiphysic有限元軟件中靜磁場(chǎng)仿真板塊，對(duì)鋼絞線試件銹蝕缺陷漏磁信號(hào)的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)值模擬仿真.

2.1 模型假設(shè)

為了便于仿真建模，對(duì)鋼絞線試件做出以下假設(shè)：試件材質(zhì)均勻，且各向同性，不考慮試件應(yīng)力作用.

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

鋼絞線試件銹蝕缺陷漏磁信號(hào)的磁感應(yīng)強(qiáng)度仿真模型主要由試件、銹蝕缺陷、地磁場(chǎng)和空氣等組成，具體各部分材料參數(shù)設(shè)置如下：

1) 鋼絞線試件參數(shù).鋼絞線試件磁導(dǎo)率為2 000，磁化強(qiáng)度為3 000 A·m-1.由于鋼絞線存在自發(fā)磁化場(chǎng)，利用COMSOL Multiphysic鋼絞線物理場(chǎng)本構(gòu)關(guān)系中的磁化關(guān)系.

2) 鋼絞線試件銹蝕缺陷參數(shù).銹蝕缺陷處磁導(dǎo)率按鋼絞線磁導(dǎo)率取值.試件周圍空氣及銹蝕缺口處空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率取1.

3) 其他參數(shù).銹蝕寬度為50.0 mm，鋼絞線長(zhǎng)度為800.0 mm，提離高度為15.0 mm，銹蝕深度h2為0、0.4、0.9、1.4、1.9、2.5、3.3、4.2和6.0 mm.

2.3 模型建立及網(wǎng)格劃分

鋼絞線試件實(shí)際銹蝕狀態(tài)是局部銹蝕，為簡(jiǎn)化計(jì)算，其銹蝕缺陷按環(huán)向均勻缺口考慮.

對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，網(wǎng)格劃分越細(xì)，模型計(jì)算精度越高.但是對(duì)計(jì)算機(jī)的資源配置要求過高，而且模型計(jì)算求解時(shí)間較長(zhǎng)，綜合考慮不同介質(zhì)、計(jì)算機(jī)配置資源、計(jì)算時(shí)長(zhǎng)和模型精度，模型采用3層網(wǎng)格劃分，模型試件銹蝕缺陷部分與空氣接觸為第1層，模型試件其他部分與接觸空氣作為第2層，外部空氣為第3層.其中第1層和第2層采用網(wǎng)格細(xì)分，確保求解結(jié)果相對(duì)精確，第3層采用網(wǎng)格粗分，以節(jié)約計(jì)算空間和計(jì)算時(shí)長(zhǎng).

2.4 模型計(jì)算結(jié)果

對(duì)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行提取分析.圖2為不同銹蝕深度下鋼絞線銹蝕缺陷漏磁信號(hào)仿真曲線.由圖2可知：隨著銹蝕程度增加，試件銹蝕缺陷漏磁信號(hào)曲線會(huì)發(fā)生明顯變化；圖2a中，鋼絞線試件銹蝕區(qū)域漏磁信號(hào)的磁感應(yīng)強(qiáng)度切向分量曲線出現(xiàn)極大值，且隨著腐蝕時(shí)間的增加，切向分量極值點(diǎn)逐漸增強(qiáng)，并在銹蝕中間區(qū)域交匯于兩點(diǎn)，兩點(diǎn)間的距離為52.1 mm，與銹蝕寬度50.0 mm較為接近；圖2c中，鋼絞線試件銹蝕區(qū)域漏磁信號(hào)法向分量曲線出現(xiàn)極大值和極小值，腐蝕中間區(qū)域過零點(diǎn)，且隨著腐蝕時(shí)間增加，鋼絞線漏磁信號(hào)的磁感應(yīng)強(qiáng)度法向分量極值點(diǎn)增強(qiáng)，極值點(diǎn)之間間距為50.9 mm，與銹蝕寬度50.0 mm較為接近.

圖2 不同銹蝕深度下鋼絞線銹蝕缺陷漏磁信號(hào)仿真曲線

為深入分析鋼絞線試件不同銹蝕程度下漏磁信號(hào)的變化特征，對(duì)銹蝕缺陷漏磁信號(hào)的量綱一磁感應(yīng)強(qiáng)度切向分量峰值Sx和量綱一法向分量峰值Sy與銹蝕深度之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，如圖2b、d所示.由2個(gè)圖可以發(fā)現(xiàn)，曲線呈Boltzmann函數(shù)分布，且擬合曲線相關(guān)系數(shù)R2均為0.999，擬合效果較好.

綜上，結(jié)合鋼絞線銹蝕缺陷漏磁模型可知：鋼絞線銹蝕深度對(duì)漏磁信號(hào)有顯著影響，且銹蝕深度與漏磁信號(hào)的量綱一磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值具有確定關(guān)系，為此可將漏磁信號(hào)的量綱一磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值作為判斷試件銹蝕程度的特征量；根據(jù)鋼絞線銹蝕缺陷漏磁信號(hào)的磁感應(yīng)強(qiáng)度切向分量交匯點(diǎn)間距和法向分量反向極值點(diǎn)間距，可有效判斷鋼絞線銹蝕寬度.

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)采用工程上常用的Φs15.2(1×7)1 860級(jí)鍍鋅鋼絞線.試驗(yàn)裝置及設(shè)備采用自主研發(fā)的三軸微磁檢測(cè)掃描裝置和電化學(xué)加速銹蝕裝置[12].三軸微磁檢測(cè)掃描系統(tǒng)主要由試驗(yàn)平臺(tái)、掃描裝置、PLC控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成，可實(shí)現(xiàn)三軸自由移動(dòng)掃描檢測(cè)，精度達(dá)到0.1 mm.傳感器為Honeywell公司研發(fā)的HMR2300智能數(shù)字磁強(qiáng)計(jì)，量程為±2.0×10-4T，分辨率可達(dá)6.7×10-9T.通過Vi-sual C++2008軟件編程實(shí)現(xiàn)裝置的自動(dòng)控制.

鋼絞線銹蝕的實(shí)質(zhì)是鋼絞線發(fā)生了微電池腐蝕，為此筆者采用外加穩(wěn)壓電源，利用吸水布的強(qiáng)吸水性對(duì)鋼絞線進(jìn)行定點(diǎn)加速銹蝕.采用NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的電解質(zhì)溶液，將鋼絞線充當(dāng)陽(yáng)極，碳棒充當(dāng)陰極，使電源、鋼絞線、電解質(zhì)溶液和碳棒形成閉合回路，進(jìn)行加速銹蝕.

3.2 試驗(yàn)方法

1) 試件準(zhǔn)備和編號(hào).截取長(zhǎng)度為800 mm的鋼絞線試件5根，編號(hào)分別為1#、2#、3#、4#和5#.

2) 試件磁信號(hào)掃描.采用三軸微磁檢測(cè)掃描裝置對(duì)鋼絞線進(jìn)行漏磁信號(hào)檢測(cè)，掃描范圍為鋼絞線長(zhǎng)度中心對(duì)稱的400 mm范圍，提離高度(智能數(shù)字磁強(qiáng)計(jì)距鋼絞線上表面高度)分別為10、20、40、100、160、260 mm.

3) 試件的電化學(xué)銹蝕.采用電化學(xué)加速銹蝕裝置，對(duì)經(jīng)過上述掃描的試件中間待銹蝕區(qū)域進(jìn)行定點(diǎn)加速腐蝕，銹蝕寬度為50.0 mm，通電腐蝕電流為0.5 A，通電腐蝕時(shí)間間隔為12 h.

4) 試件銹蝕后稱重，再次進(jìn)行磁信號(hào)掃描.試件電化學(xué)銹蝕完成后，重復(fù)步驟2)，依次按照12 h為一個(gè)銹蝕間隔，在銹蝕間隔結(jié)束后對(duì)試件進(jìn)行漏磁信號(hào)掃描，直至試件銹蝕嚴(yán)重.

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過對(duì)不同鋼絞線試件銹蝕程度的漏磁信號(hào)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，各試件間的漏磁信號(hào)曲線具有較強(qiáng)的相似性.為說明規(guī)律性，以下僅以1#鋼絞線試件作為研究對(duì)象，并在數(shù)據(jù)處理分析時(shí)去除背景磁場(chǎng).圖3為不同銹蝕程度漏磁信號(hào)磁感應(yīng)強(qiáng)度切向和法向分量變化曲線，其中t為通電腐蝕時(shí)間.

圖3 不同銹蝕程度漏磁信號(hào)的磁感應(yīng)強(qiáng)度切向和法向分量變化曲線

由圖3可知：隨著銹蝕程度的增加，試件銹蝕缺陷漏磁信號(hào)的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線發(fā)生了明顯變化；鋼絞線試件銹蝕區(qū)域漏磁信號(hào)的磁感應(yīng)強(qiáng)度切向分量曲線出現(xiàn)極大值，且隨著腐蝕時(shí)間的增加，切向分量極值點(diǎn)逐漸增強(qiáng)；鋼絞線試件銹蝕區(qū)域漏磁信號(hào)的磁感應(yīng)強(qiáng)度法向分量曲線出現(xiàn)極大值、極小值及腐蝕中間區(qū)域過零點(diǎn)的現(xiàn)象，且隨著腐蝕時(shí)間的增加，鋼絞線漏磁信號(hào)的磁感應(yīng)強(qiáng)度法向分量極值點(diǎn)增強(qiáng).這與鋼絞線銹蝕缺陷漏磁信號(hào)模擬和有限元分析結(jié)果較為一致.

結(jié)合理論研究、仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果可知，鋼絞線銹蝕深度對(duì)漏磁信號(hào)有顯著影響，且銹蝕深度與漏磁信號(hào)的量綱一磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值具有確定關(guān)系.為此，將漏磁信號(hào)的量綱一磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值作為判斷試件銹蝕程度的特征量是切實(shí)可行的.

4 結(jié) 論

1) 鋼絞線銹蝕程度和金屬磁記憶漏磁信號(hào)存在唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系，可通過檢測(cè)鋼絞線周圍漏磁信號(hào)大小及變化來(lái)判定鋼絞線銹蝕程度.

2) 金屬磁記憶漏磁信號(hào)的量綱一磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值與鋼絞線銹蝕程度呈Boltzmann函數(shù)分布，可將其作為判斷試件銹蝕程度的特征量.

3) 根據(jù)金屬磁記憶漏磁信號(hào)的磁感應(yīng)強(qiáng)度切向分量交匯點(diǎn)間距和法向分量反向極值點(diǎn)間距，可有效判定鋼絞線銹蝕寬度.