周建庭，黎 婭，張 洪，夏潤川，楊文琦

(1.重慶交通大學(xué) 省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

斜拉橋因結(jié)構(gòu)形式合理、外形優(yōu)美、跨越能力超強(qiáng)、造價(jià)相對(duì)經(jīng)濟(jì)，近年來在全世界得到了迅速的推廣和應(yīng)用[1]。拉索是斜拉橋的主要承重結(jié)構(gòu)，也是對(duì)環(huán)境作用最為敏感的構(gòu)件，外部潮濕環(huán)境和內(nèi)部長期的荷載，使拉索極易遭受腐蝕且表面PE護(hù)套也易老化開裂[2]。在眾多腐蝕類型中，點(diǎn)蝕是拉索鋼絞線最為常見和復(fù)雜的一種腐蝕類型。鋼絞線常會(huì)形成大大小小的點(diǎn)蝕損傷，其破壞性和隱患性極大，對(duì)斜拉橋拉索的使用和安全性會(huì)造成嚴(yán)重影響。因此，開展斜拉橋拉索腐蝕檢測(cè)具有重大的科學(xué)意義與工程實(shí)用價(jià)值。

目前，國內(nèi)外學(xué)者提出了較多鋼絞線腐蝕檢測(cè)的方法。H.N.HO等[3]提出了一種基于圖像處理和模式識(shí)別的拉索腐蝕損傷檢測(cè)系統(tǒng)；JIANG Chao等[4]研究了鍍鋅鋼絲的均勻腐蝕和點(diǎn)蝕的規(guī)律，提出了腐蝕鋼絲剩余疲勞壽命的預(yù)測(cè)方法；陳蕙蕓等[5]提出了一種游泳館環(huán)境下拉索的腐蝕損傷評(píng)估方法；林陽子等[6]采用磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)，對(duì)鋼絞線腐蝕進(jìn)行單處損傷的識(shí)別和定位，并提出了評(píng)定標(biāo)度；繆春輝等[7]將高頻交變導(dǎo)納信號(hào)應(yīng)用到鋼絞線均勻腐蝕檢測(cè)的研究中，重點(diǎn)考慮了腐蝕時(shí)間的影響；武新軍等[8]、沈功田等[9]提出采用磁橋路原理檢測(cè)纜索的單處通孔或球孔形缺陷；趙亞宇等[10]、周建庭等[11]將自發(fā)漏磁檢測(cè)技術(shù)引入到鋼絞線拉索單點(diǎn)腐蝕檢測(cè)中，通過試驗(yàn)分析了鋼絞線單個(gè)腐蝕區(qū)域下，漏磁信號(hào)分布變化特征。

雖然拉索腐蝕檢測(cè)的方法和手段眾多，但這些檢測(cè)方法基本是針對(duì)鋼絞線均勻腐蝕、鋼絲點(diǎn)蝕、鋼絲坑蝕和鋼絞線的單處缺陷，很難滿足在役斜拉橋拉索腐蝕檢測(cè)的要求，具有一定的局限性，不能很好的應(yīng)用于工程實(shí)踐中。自發(fā)漏磁檢測(cè)作為無損檢測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于鐵磁材料損傷檢測(cè)[12-13]，但在拉索腐蝕檢測(cè)中應(yīng)用較少。為探究此方法應(yīng)用于兩點(diǎn)腐蝕檢測(cè)時(shí)的可行性，明晰相鄰腐蝕區(qū)域的相互影響以及漏磁信號(hào)曲線的分布特征，筆者開展了基于自發(fā)漏磁效應(yīng)的鍍鋅鋼絞線兩點(diǎn)腐蝕檢測(cè)試驗(yàn)研究。

1 鋼絞線腐蝕檢測(cè)機(jī)理

1.1 自發(fā)漏磁檢測(cè)技術(shù)原理

由于鐵磁性材料具有高磁導(dǎo)率，在地磁場(chǎng)和載荷共同作用下?lián)p傷處會(huì)出現(xiàn)磁導(dǎo)率躍變，造成材料磁化不均勻，影響材料原磁化強(qiáng)度的均勻分布，導(dǎo)致材料內(nèi)部磁場(chǎng)在損傷處發(fā)生“泄漏”，形成所謂“漏磁場(chǎng)”[10]，如圖1。將表面的漏磁場(chǎng)Hp進(jìn)行分解，法向分量Hp(y)的特征是過零點(diǎn)，切向分量Hp(x)的特征是出現(xiàn)峰值[14]。

圖1 缺陷鐵磁性材料磁場(chǎng)分布

自發(fā)漏磁檢測(cè)技術(shù)的實(shí)質(zhì)是地磁場(chǎng)和載荷共同作用下的一種弱漏磁檢測(cè)技術(shù)[15]。對(duì)具有腐蝕損傷的鋼絞線，通過對(duì)材料表面產(chǎn)生的自發(fā)漏磁場(chǎng)分析，可對(duì)材料的腐蝕損傷進(jìn)行定位識(shí)別。

1.2 腐蝕缺陷磁偶極子模型

圖2 磁偶極子模型

(1)

式中：r為空間任一點(diǎn)p到磁荷帶的距離；ρms為磁荷帶磁荷面密度，在試件端頭處ρms=±ρ1；當(dāng)磁荷帶位于銹蝕缺陷槽口兩側(cè)時(shí)ρms=±ρ2。

(2)

(3)

(4)

2 鋼絞線兩點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)試件采用工程上常用的φs15.24(1×7)1 860級(jí)鍍鋅鋼絞線。每根鋼絞線長度為1.6 m，制備兩個(gè)腐蝕區(qū)域，腐蝕寬度為0.05 m。為分析不同腐蝕間距下的自發(fā)漏磁信號(hào)曲線，設(shè)置4組不同腐蝕間距，依次為0.05、0.10、0.15、0.25 m，將4組試件編號(hào)為5-5、5-10、5-15、5-25，如圖3。

圖3 試件實(shí)物

采用外加穩(wěn)壓直流電源法并利用吸水布的強(qiáng)吸水性，對(duì)鋼絞線試件進(jìn)行定點(diǎn)加速腐蝕，具體線路如圖4。電解質(zhì)溶液為5%NaCl，試件一端連接外加直流電源的正極，在腐蝕區(qū)域布置吸水布，吸水布浸泡在電解質(zhì)溶液中，放入溶液中的碳棒連接直流電源的負(fù)極，形成一個(gè)完整的電化學(xué)腐蝕閉合回路。

圖4 試件腐蝕原理

筆者主研發(fā)了一種包含掃描裝置、PLC位移控制系統(tǒng)、PC控制系統(tǒng)等的三軸微磁檢測(cè)掃描儀器，如圖5。掃描時(shí)可實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三軸的移動(dòng)，探頭處安裝了HMR2300三軸微磁傳感器。HMR2300三軸微磁傳感器是一種智能數(shù)字磁強(qiáng)計(jì)，與三軸機(jī)械位移系統(tǒng)相連接，可精確的采集被測(cè)鐵磁構(gòu)件空間各個(gè)位置的磁信號(hào)。

圖5 三軸磁信號(hào)掃描裝置

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 試件初始稱重、磁信號(hào)掃描

初始稱重后的試件磁信號(hào)按照?qǐng)D6方式進(jìn)行磁信號(hào)掃描。分為順向和豎向提離掃描，其中順向掃描為沿試件長度方向，以不同提離高度進(jìn)行磁信號(hào)掃描，提離高度b為10～35 mm間隔為5 mm，共6條順向掃描路徑，掃描速度為50 mm/min。為了避免試件端頭效應(yīng)對(duì)磁信號(hào)的影響，水平磁信號(hào)掃描以試件長度中心對(duì)稱的0.98 m范圍，然后利用精密電子秤對(duì)未腐蝕試件進(jìn)行稱重。

圖6 掃描路徑

2.2.2 電化學(xué)腐蝕試件

為了更好地控制每一個(gè)腐蝕區(qū)域的腐蝕率，利用電化學(xué)腐蝕裝置對(duì)兩個(gè)腐蝕點(diǎn)依次進(jìn)行定點(diǎn)腐蝕，每次腐蝕一個(gè)區(qū)域，但兩個(gè)腐蝕區(qū)域的腐蝕度相同，腐蝕電流均為0.5 A，腐蝕時(shí)間為6～60 h，間隔為3 h。

2.2.3 試件腐蝕后掃描稱重

將鋼絞線試件按照設(shè)定的腐蝕時(shí)間進(jìn)行腐蝕后取出洗凈晾干，再將試件按照2.2.1節(jié)方式進(jìn)行掃描，掃描完成后進(jìn)行稱重，記錄不同腐蝕時(shí)間后的質(zhì)量損失，試件某些腐蝕時(shí)間下的實(shí)物如圖7。

圖7 不同腐蝕時(shí)間的鋼絞線

3 結(jié)果與分析

3.1 鋼絞線初始漏磁信號(hào)

對(duì)未銹蝕的4組鋼絞線試件均進(jìn)行初始掃描，以排除外界磁場(chǎng)干擾及地磁場(chǎng)影響[17]，由于重點(diǎn)研究切向分量，在此選取試件5-5為例，其磁信號(hào)掃描結(jié)果如圖8。

由圖8可知，沿鋼絞線試件長度方向，試件的切向分量Hp(x)變化幅度較大，不同提離高度下的曲線變化類似，說明未銹蝕狀態(tài)下由于鋼絞線自身材料缺陷或周圍環(huán)境干擾，磁信號(hào)曲線波動(dòng)較大，但沒有明顯的變化規(guī)律和普遍特征。

圖8 試件584-5未腐蝕時(shí)切向分量Hp(x)漏磁信號(hào)曲線

3.2 腐蝕漏磁信號(hào)分析

將腐蝕試件與未腐蝕試件按相同方式進(jìn)行放置和掃描。對(duì)磁強(qiáng)計(jì)傳感器采集的漏磁信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同腐蝕程度的試件漏磁信號(hào)變化趨勢(shì)相同。選取提離高度b=10 mm，試件5-5銹蝕42 h的漏磁信號(hào)為例，進(jìn)行分析。為排除初始磁信號(hào)影響，更加直觀地觀察磁信號(hào)變化，將腐蝕后的值減去初始值得到磁信號(hào)差值，如圖9。

圖9 b=10 mm時(shí)試件5-5腐蝕42 h漏磁信號(hào)曲線

由圖9(a)可知，在400～600 mm范圍內(nèi)，試件的磁信號(hào)發(fā)生了較大波動(dòng)，形成了兩個(gè)波谷和一個(gè)波峰。第一個(gè)波谷出現(xiàn)在400～500 mm內(nèi)，且越靠近中間腐蝕區(qū)域，磁信號(hào)變化幅度越大，在中間腐蝕區(qū)域(X=450 mm)出現(xiàn)極小值，此時(shí)Hp(x)=-1.74×10-5T。圖像關(guān)于X=500 mm大致對(duì)稱，且在X=500 mm處出現(xiàn)了極大值Hp(x)=-0.30×10-5T，對(duì)應(yīng)腐蝕間距的中心。第二個(gè)波谷出現(xiàn)在500～600 mm內(nèi)，極小值出現(xiàn)在X=550 mm處，對(duì)應(yīng)第二個(gè)實(shí)際腐蝕區(qū)域的腐蝕中心。由圖9(b)可知，試件在端部變化平緩，腐蝕區(qū)域發(fā)生較大變化。在X=425、525 mm處Hp(y)均出現(xiàn)極小值，在X=475、575 mm處Hp(y)均出現(xiàn)極大值，且曲線在X=500 mm處切向分量值為零。鋼絞線試件的實(shí)際腐蝕區(qū)為425～475 mm和52～575 mm，兩個(gè)腐蝕區(qū)域的間距為50 mm。

分析可知，兩個(gè)腐蝕點(diǎn)的磁信號(hào)曲線特征與單點(diǎn)腐蝕類似，試件切向分量在腐蝕區(qū)域中心會(huì)出現(xiàn)極值，腐蝕區(qū)域起始和結(jié)束位置也對(duì)應(yīng)法向分量曲線極值點(diǎn)。通過對(duì)切向和法向分量分析，即使是距離較近的兩個(gè)腐蝕區(qū)域，也可較準(zhǔn)確判斷腐蝕位置，驗(yàn)證了自發(fā)漏磁檢測(cè)技術(shù)用于檢測(cè)兩個(gè)腐蝕區(qū)域的可行性。

3.3 不同間距影響

對(duì)4組設(shè)置不同間距的鋼絞線扣除初始磁場(chǎng)后進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)漏磁信號(hào)切向分量Hp(x)具有較好的規(guī)律性，以腐蝕時(shí)間60 h為例，處理結(jié)果如圖10。

由圖10可知，在制備的兩個(gè)腐蝕區(qū)域試件的磁信號(hào)都形成了明顯波谷，且在腐蝕中間區(qū)域都出現(xiàn)了極小值。但在兩個(gè)腐蝕區(qū)域的間距處，磁信號(hào)曲線差異較為明顯，圖10中用虛線標(biāo)出腐蝕間距。

前3組試件對(duì)應(yīng)圖10(a)～(c)，在腐蝕間距內(nèi)，磁信號(hào)曲線均出現(xiàn)明顯波峰，在X=500 mm處出現(xiàn)極大值。組內(nèi)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，隨著間距的增加，極大值從負(fù)值過渡到正值，從Hp(x)從-0.94×10-5T變?yōu)?.10×10-5T。由圖10(d)可見，在X在375～625 mm內(nèi)，切向分量由負(fù)值逐漸過渡到正值，當(dāng)Hp(x)=1.38×10-5T時(shí)，出現(xiàn)了一段近視平行于橫軸的曲線，未出現(xiàn)極大值。

圖10 不同間距漏磁信號(hào)切向分量曲線

由此可知，當(dāng)同一根構(gòu)件上有兩處腐蝕區(qū)域時(shí)，在相同腐蝕程度下，間距較小的試件切向分量曲線會(huì)在間距處出現(xiàn)明顯的波峰，且在間距中心出現(xiàn)極大值；間距較大的試件，在腐蝕間距的磁信號(hào)切向分量曲線不會(huì)出現(xiàn)極值，會(huì)出現(xiàn)一段平緩曲線。也就是當(dāng)同一個(gè)試件具有兩個(gè)腐蝕區(qū)域時(shí)，腐蝕間距會(huì)影響磁信號(hào)切向分量曲線的分布。在腐蝕區(qū)域，磁信號(hào)會(huì)發(fā)生突變，但改變范圍具有一定的影響寬度。當(dāng)兩個(gè)腐蝕區(qū)域間距較小時(shí)，磁信號(hào)的變化區(qū)域發(fā)生重疊，在間距處產(chǎn)生磁信號(hào)的疊加，從而影響曲線的分布。且間距越小越早產(chǎn)生重疊，在間距處形成的極大值越接近腐蝕中心區(qū)域的極小值。

3.4 不同提離高度影響

為探究磁測(cè)傳感器提離值對(duì)漏磁信號(hào)檢測(cè)的影響，對(duì)不同提離高度下的漏磁信號(hào)進(jìn)行了分析，將試件5-10、腐蝕時(shí)間60 h的分析結(jié)果進(jìn)行繪圖說明，如圖11。

圖11 不同提離高度漏磁信號(hào)分析

由圖11(a)可知，當(dāng)提離高度增加，采集到的磁信號(hào)分量絕對(duì)值逐漸減小，但整體曲線的趨勢(shì)不變。由于實(shí)驗(yàn)誤差，左右兩點(diǎn)的腐蝕程度有輕微差異，導(dǎo)致磁信號(hào)分量數(shù)值有一定偏差。隨著提離高度增加，特征信號(hào)之間的偏差逐漸減小，說明提離高度增加會(huì)降低信號(hào)采集的準(zhǔn)確性，在實(shí)橋的拉索檢測(cè)時(shí)，傳感器應(yīng)盡量貼近被測(cè)構(gòu)件，減小磁信號(hào)采樣誤差。

曲線出現(xiàn)了4個(gè)匯交點(diǎn)，中間兩個(gè)匯交點(diǎn)的位置分別為X=465、536 mm，兩個(gè)匯交點(diǎn)的距離為d=71 mm，腐蝕間距為450～550 mm，包含2個(gè)匯交點(diǎn)。對(duì)四組試件腐蝕60 h，對(duì)不同提離高度下的切向分量曲線進(jìn)行分析，得到不同的d值，與腐蝕間距建立相應(yīng)關(guān)系，如圖11(b)。可以發(fā)現(xiàn)，d與腐蝕間距線性相關(guān)，且擬合度R2=0.998，認(rèn)為腐蝕間距越大，匯交點(diǎn)間的距離也隨之增加。針對(duì)不同腐蝕間距的構(gòu)件，可以通過d值的大小比較間距的大小，同時(shí)也可對(duì)腐蝕間距做出初判。

3.5 不同腐蝕程度影響

為分析不同腐蝕程度下，兩點(diǎn)腐蝕的漏磁信號(hào)特征，以試件5-15為例，b=10 mm時(shí)，選取24、27、30、33、48、60 h，其切向分量曲線如圖12。

圖12 試件5-15，b=10 mm時(shí)不同腐蝕時(shí)間漏磁信號(hào)分析

由圖12可知，腐蝕時(shí)間小于30 h，在腐蝕間距處的磁信號(hào)曲線較為平緩，隨著腐蝕時(shí)間增加至33 h，在X=500 mm處出現(xiàn)極大值Hp(x)=0.97×10-5T，形成波峰。腐蝕時(shí)間繼續(xù)增加，間距處的磁信號(hào)曲線規(guī)律類似，但數(shù)值有所增大，說明隨著腐蝕程度的加深，腐蝕區(qū)域的磁信號(hào)影響范圍會(huì)擴(kuò)大，在間距處產(chǎn)生磁信號(hào)的疊加，形成極值。

進(jìn)一步分析不同腐蝕程度對(duì)應(yīng)的磁信號(hào)影響范圍，選取試件5-15，腐蝕時(shí)間為60 h，b=10 mm為例，處理結(jié)果如圖13(a)。結(jié)合磁信號(hào)曲線在腐蝕區(qū)域特征，可知當(dāng)兩個(gè)腐蝕區(qū)域剛好產(chǎn)生磁信號(hào)疊加時(shí)，兩腐蝕區(qū)域中心的間距為單個(gè)腐蝕區(qū)域形成的波谷的寬度B。結(jié)合波形分布特點(diǎn)，取極值點(diǎn)左側(cè)第一個(gè)切線斜率為零的點(diǎn)與極值點(diǎn)的橫坐標(biāo)之差為B/2，由于直接測(cè)量波寬度易產(chǎn)生較大誤差，為更直觀的找到每個(gè)腐蝕時(shí)間對(duì)應(yīng)的曲線寬度，對(duì)采集到的磁信號(hào)曲線做進(jìn)一步處理得到切向分量梯度K(x)曲線如圖13(b)。由于實(shí)驗(yàn)具有隨機(jī)性，針對(duì)不同試件得出的結(jié)果可能存在較大差異，不便于分析，為了更加準(zhǔn)確地得出不同腐蝕程度影響范圍和腐蝕時(shí)間的關(guān)系，取4組試件的平均值進(jìn)行分析。

圖13 切向分量及其梯度曲線

腐蝕時(shí)間小于24 h，鋼絞線的腐蝕率較低，在腐蝕區(qū)域的磁信號(hào)曲線變化不明顯，寬度B值波動(dòng)較大，無較好規(guī)律性，不便于研究，因此從腐蝕時(shí)間大于24 h進(jìn)行分析。結(jié)合法拉第電解定律，可得試件腐蝕度C如式(5)：

(5)

式中：C為試件腐蝕度；m0為試件待銹蝕區(qū)域腐蝕之前的質(zhì)量；Δm為根據(jù)法拉第電解定律計(jì)算的試件銹蝕區(qū)域損失量；ρv為試件體密度；l0為試件銹蝕區(qū)域?qū)挾?；R0為試件半徑；k為比例常數(shù)，是一電化學(xué)當(dāng)量，與陽極金屬介質(zhì)相關(guān)；I為通過陽極金屬的電流強(qiáng)度；t為通電電解時(shí)間。

由式(5)計(jì)算出不同腐蝕時(shí)間對(duì)應(yīng)的腐蝕度，試件腐蝕漏磁信號(hào)影響寬度B與腐蝕度C的變化關(guān)系擬合曲線呈現(xiàn)Boltzmann函數(shù)分布，即式(6)，且擬合曲線的相關(guān)系數(shù)為R2=0.997，接近于1，表明擬合效果較好，分析結(jié)果如圖14。

圖14 影響寬度與腐蝕度的關(guān)系曲線

(6)

結(jié)合函數(shù)和圖像可知，在腐蝕時(shí)間較小時(shí)，隨著腐蝕時(shí)間的增加，影響寬度增加較快，在24 h(腐蝕度24.71%)到42 h(腐蝕度43.25%)之間，影響寬度增長幅度最大；42 h后，腐蝕時(shí)間增加，腐蝕寬度也只有輕微增長，趨于平穩(wěn)。結(jié)合實(shí)際鋼絞線腐蝕區(qū)域?qū)挾葹? cm，推測(cè)對(duì)應(yīng)一定的腐蝕寬度，其影響范圍具有極限值。可以根據(jù)影響寬度B的值來評(píng)價(jià)腐蝕區(qū)域的腐蝕度，對(duì)于特定腐蝕度，還可以通過兩者的關(guān)系確定兩個(gè)腐蝕區(qū)域磁信號(hào)不產(chǎn)生疊加的最小間距。

4 結(jié) 語

1)兩點(diǎn)腐蝕的磁信號(hào)曲線特征與單點(diǎn)腐蝕類似，試件的切向分量在腐蝕區(qū)域中心會(huì)出現(xiàn)極值，法向分量曲線的極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)腐蝕區(qū)域的起始和結(jié)束位置，驗(yàn)證了自發(fā)漏磁檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于兩點(diǎn)腐蝕檢測(cè)的可行性。

2)當(dāng)同一個(gè)試件具有兩個(gè)腐蝕區(qū)域時(shí)，腐蝕間距會(huì)影響磁信號(hào)切向分量曲線分布。相同腐蝕程度下，間距較小時(shí)，切向分量會(huì)在間距處產(chǎn)生疊加，形成極值，出現(xiàn)明顯的波峰。

3)提離高度增加，采集到的磁信號(hào)數(shù)值會(huì)減小，實(shí)橋檢測(cè)時(shí)應(yīng)盡量貼近被測(cè)構(gòu)件。不同提離高度的磁信號(hào)曲線會(huì)產(chǎn)生匯交。兩點(diǎn)腐蝕時(shí)，可以通過中間兩個(gè)匯交點(diǎn)的距離大小比較實(shí)際間距，同時(shí)也可以對(duì)腐蝕間距做出初判。

4)隨著腐蝕程度的加深，腐蝕區(qū)域的磁信號(hào)突變范圍會(huì)擴(kuò)大，單個(gè)腐蝕點(diǎn)的影響寬度B與腐蝕度C間呈現(xiàn)Boltzmann函數(shù)分布，可以用曲線的影響寬度來作為評(píng)判腐蝕度的特征參量，還可以確定兩個(gè)腐蝕區(qū)域不產(chǎn)生疊加的最小間距。

筆者只析了單根鋼絞線橫向兩個(gè)腐蝕區(qū)域的漏磁信號(hào)曲線，在實(shí)橋的拉索中，腐蝕情況更加復(fù)雜，后續(xù)還將通過實(shí)驗(yàn)繼續(xù)討論一整束鋼絞線在同一截面上的兩點(diǎn)以及多點(diǎn)腐蝕。