張 洪,李厚萱,楊文琦,夏潤川,周建庭

(1.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074; 2.重慶市交通規(guī)劃和技術(shù)發(fā)展中心，重慶 400060)

斜拉橋擁有良好的跨越能力和優(yōu)美的外形，在世界大跨徑橋梁中得到了廣泛應(yīng)用。拉索是斜拉橋的主要承重構(gòu)件，但據(jù)調(diào)查，大多數(shù)斜拉橋因拉索腐蝕而提前換索[1]?，F(xiàn)代斜拉橋的拉索主要由高強鋼絲或鍍鋅鋼絞線組成，其中鋼絞線由于施工張拉簡便和運輸方便，常用于國內(nèi)外眾多跨海大橋的拉索系統(tǒng)工程中[2]。然而，由于防護套的包裹，拉索內(nèi)部鍍鋅鋼絞線的腐蝕情況具有隱蔽性，如何高效、準確、及時地診斷出斜拉索的腐蝕狀況已成為國際難題[3]。李冬生等[4]運用聲發(fā)射技術(shù)對國內(nèi)某大橋的動態(tài)損傷過程進行檢測，得到了斜拉索的疲勞損傷演化過程。RAIUTIS等[5]研究了超聲導波在聚合物芯鋼絞線上的傳播，提出了一種超聲檢測鋼絞線內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷的方法。LI等[6]研制了一種視覺檢測系統(tǒng)，利用圖像處理技術(shù)實現(xiàn)對橋梁斜拉索表面損傷的識別。張申林等[7]研制了檢測機器人，通過視覺檢測對橋梁拉索進行損傷識別。俞建群等[8]將光纖光柵傳感器植入斜拉索中，通過反射傳導光波對拉索進行全天健康監(jiān)測。HO等[9]研究表明，圖像增強技術(shù)和去噪技術(shù)能更有效地識別損傷。但調(diào)研發(fā)現(xiàn)，上述方法還未能實現(xiàn)服役斜拉索內(nèi)部的腐蝕狀況精確診斷，如超聲檢測受輸送介質(zhì)限制和檢測物體內(nèi)雜質(zhì)的影響較大；視覺檢測法的識別效率較低、主觀性較強，且僅能針對于拉索表面的缺陷；光纖檢測還處于研究初期，尚未廣泛應(yīng)用于實際工程中。

由于拉索內(nèi)部鋼絲屬于天然的鐵磁性材料，在損傷處會出現(xiàn)漏磁現(xiàn)象，故國內(nèi)外大量學者采用漏磁檢測技術(shù)展開拉索腐蝕診斷研究。辛容亞等[10]通過對軸向漏磁信號沿周向積分進行非線性擬合，揭示了磁荷量、磁荷間距與鋼絲損傷面積、斷口寬度的相關(guān)性，提出了基于漏磁檢測的拉索鋼絲損傷定量評估方法。楊寧祥等[11]研制了適用于斜拉索表層斷絲缺陷檢測的圓環(huán)陣列傳感器，實現(xiàn)了拉索樣品表層多處斷絲缺陷的掃描成像與定位。CHRISTEN等[12]基于電磁鐵磁化漏磁檢測原理，在拉索機器人上安裝貼片線圈的漏磁傳感器，探測了拉索內(nèi)部缺陷產(chǎn)生的漏磁場，但磁化線圈所需供電系統(tǒng)增加了檢測裝備的負擔。

為了減輕檢測裝置質(zhì)量、提升檢測效率和精度，筆者團隊采用無外加勵磁的自發(fā)漏磁檢測方法——金屬磁記憶法來識別拉索腐蝕狀況。李志剛[13]開展了基于金屬磁記憶的鋼絞線腐蝕檢測與斷絲監(jiān)測試驗，通過分析自發(fā)漏磁信號的變化特征，初步建立了磁信號與鋼絞線腐蝕斷絲的關(guān)聯(lián)性。趙亞宇等[14]探討了背景磁場、提離高度、腐蝕寬度、腐蝕深度以及試件長度等因素對磁記憶信號的影響。XIA等[15]探究了鋼絞線自發(fā)漏磁場軸向和垂直方向的分布特征，先后提出了基于軸向掃描曲線“相交點”的拉索腐蝕寬度診斷方法、基于垂直掃描曲線“反轉(zhuǎn)點”的拉索腐蝕程度診斷方法。周建庭等[16]針對15根相同批次的鍍鋅鋼絞線，開展了鋼絞線的靜力拉伸破壞系列試驗，通過對空間磁場信號進行實時監(jiān)測，剖析了鋼絞線破壞全過程的自發(fā)漏磁信號變化規(guī)律。但是，現(xiàn)有研究主要針對單根鋼絞線進行金屬磁記憶腐蝕檢測，而本工作在前期研究基礎(chǔ)上，開展了基于金屬磁記憶的鋼絞線束腐蝕狀態(tài)診斷研究。

1 檢測原理

金屬磁記憶檢測技術(shù)誕生于20世紀90年代，是一種自發(fā)漏磁檢測技術(shù)，其原理是：鐵磁性材料在地磁場和荷載的共同作用下，應(yīng)力和變形集中區(qū)域發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向和不可逆的重新取向，這種磁狀態(tài)的不可逆變化在工作載荷消除后會保留，“記憶”著微觀缺陷或應(yīng)力集中的位置，即磁記憶效應(yīng)[17-20]。在地磁場作用下,鋼絞線周圍產(chǎn)生退磁場，一旦發(fā)生腐蝕，腐蝕缺陷處將會產(chǎn)生一個微弱的自發(fā)漏磁場，其磁極方向與退磁場相反，如圖1所示。通過采用高精度磁強計獲取漏磁信號，利用腐蝕狀況與自發(fā)漏磁強度之間的關(guān)聯(lián)性，理論上可以診斷出鋼絞線的腐蝕位置和程度。

圖1 鋼絞線腐蝕前后的自發(fā)漏磁分布

2 試驗概況

2.1 試驗準備

試件采用8根直徑15.2 mm、長1.6 m的鍍鋅鋼絞線，其主要參數(shù)和力學性能如表1所示。鍍鋅鋼絞線的部分化學成分(質(zhì)量分數(shù))分別為：C 0.75%～0.85%，Si 0.12%～0.32%，Mn 0.60%～0.90%，S 不大于0.025%，Cu 不大于0.2%。試驗前，將其中兩根鋼絞線中部長度為5 cm的HDPE保護套剝?nèi)ァ?/p>

表1 鍍鋅鋼絞線的主要力學性能

采用電化學腐蝕法對鋼絞線進行腐蝕，如圖2所示，利用直流恒流電源(30 V、5 A)、5%(質(zhì)量分數(shù))NaCl電解質(zhì)溶液、碳棒、導線、計時器、吸水布、導線等，連接形成一個閉合回路，構(gòu)成電化學腐蝕裝置。

圖2 電化學腐蝕裝置

采用量程為±2 Gs、分辨率為67 μGs的霍尼韋爾HMR2300三軸磁強計，精確測量試件周圍空間磁場的三維磁感應(yīng)強度Bx、By和Bz，其中Bx表示平行于鋼絞線軸向的磁感應(yīng)強度切向分量，By和Bz分別表示垂直于鋼絞線軸向的切向分量和法向分量。在試驗前，將HMR2300磁強計綁在套筒上構(gòu)成環(huán)向漏磁信號采集儀，磁強計通過串口服務(wù)器與上位機PC連接，由上位機控制系統(tǒng)采集磁強計所獲取的磁感應(yīng)強度信息，整體組成自發(fā)漏磁信號掃描裝置，如圖3所示。

圖3 自發(fā)漏磁信號掃描裝置

2.2 試驗步驟

(1)試件編號、稱量和組合綁扎

將剝開保護套的鋼絞線編為1號、2號，其余6根鋼絞線依次編為3～8號。使用精密電子秤稱量每根鋼絞線的質(zhì)量并記錄。為了探究腐蝕程度、腐蝕位置對環(huán)向漏磁信號的影響，設(shè)計了4組不同腐蝕方式的對比試驗，如表2所示。圖中深色的1號、2號表示腐蝕的鋼絞線，灰色的3～8號表示未腐蝕的鋼絞線，將鋼絞線依次按表2中的圖示綁扎成鋼絞線束。

表2 不同腐蝕方式的多組對比試驗

(2)試件腐蝕前漏磁信號采集

根據(jù)各組截面特性，按每30°一個角度分為12個路徑?？紤]到漏磁場的影響范圍和鋼絞線束的磁場端頭效應(yīng)，將銹蝕區(qū)域設(shè)計為5 cm，采集腐蝕區(qū)域兩邊各20 cm范圍內(nèi)的磁信號，軸向掃描長度總計45 cm。利用環(huán)向漏磁信號采集儀進行自發(fā)漏磁信號掃描，檢測距離恒為1.5 cm，軸向位移步距為1 cm，如圖4所示。通過套筒的軸向移動采集不同軸向位置的磁信號，旋轉(zhuǎn)套筒來實現(xiàn)磁感應(yīng)強度環(huán)向分布的檢測，記錄鋼絞線束初始狀態(tài)磁信號值B0(x)。

圖4 試件環(huán)向與軸向掃描路徑示意圖

(3)試件腐蝕情況

根據(jù)法拉第定律，通過計算電化學腐蝕前后的質(zhì)量損失，建立了鋼絞線試件腐蝕度D的理論公式，如式(1)所示。

(1)

式中：n為組成鋼絞線束的鋼絞線的根數(shù)；Δmi為單根鋼絞線試件腐蝕區(qū)域理論腐蝕質(zhì)量；moi為單根試件待腐蝕區(qū)域腐蝕之前的質(zhì)量；Δti為電化學腐蝕過程的時間；k為比例常數(shù)；I為通過陽極鋼絞線的電流；ρl為待腐蝕區(qū)域試件的線密度，本試驗取1.101 kg/m；lo為腐蝕區(qū)域?qū)挾取?/p>

在試驗條件下，試件的實際腐蝕度用不同腐蝕階段的質(zhì)量損失率來表示，見式(2)。

(2)

式中：mxi為試件發(fā)生腐蝕后的質(zhì)量；Δmxi為試件在某一腐蝕周期內(nèi)的實際腐蝕質(zhì)量變化量，moi為單根試件待腐蝕區(qū)域腐蝕前的質(zhì)量。因此保持相同腐蝕電流不變，可通過定時器調(diào)節(jié)腐蝕時間Δti來控制試件的電化學腐蝕程度。本試驗保持待腐蝕鋼絞線的電流均為0.5 A，取12 h為一周期，對1號、2號鋼絞線腐蝕6個周期，總計腐蝕時間為72 h。在每一個腐蝕周期完成時，取下1號、2號鋼絞線洗凈、晾干、稱量并記錄。

(4)腐蝕試件的漏磁信號采集

在每個周期電化學腐蝕完成后，按照表2再次組合綁扎，重復步驟(2)，記錄腐蝕t小時后鋼絞線束漏磁信號Bt(x)。即鋼絞線由于腐蝕t小時產(chǎn)生的缺陷漏磁場的磁感應(yīng)強度切向分量Bx用式(3)表示。

Bx=Bt(x)-B0(x)

(3)

3 結(jié)果與討論

3.1 不同腐蝕程度的漏磁信號

取表2中第二組鋼絞線束不同腐蝕程度下各點的漏磁信號繪制成圖5，其中橫坐標X表示沿鋼絞線束軸向的掃描范圍，縱坐標分別表示為自發(fā)漏磁信號切向分量Bx、法向分量Bz。由圖5可見：磁感應(yīng)強度切向分量Bx在腐蝕中心附近達到極大值，法向分量Bz在腐蝕區(qū)域出現(xiàn)波峰、波谷。隨著鋼絞線束腐蝕程度的增大，切向分量Bx的極大值和法向分量Bz的波幅也隨之增加，由于腐蝕所引起的漏磁場影響范圍逐漸擴大，兩圖呈現(xiàn)的變化規(guī)律也更加明顯。由此可知，腐蝕程度與切向分量Bx的極大值、法向分量Bz的波幅成正相關(guān)，通過這兩個特征參量可對腐蝕程度、腐蝕區(qū)域進行定性表征。

(a) Bx (b) Bz

基于上述分析結(jié)果，進一步探究不同環(huán)向位置的磁信號切向分量Bx分布規(guī)律。將表2中第一組環(huán)向12個角度的漏磁信號繪制成圖6，圖中橫坐標X表示沿鋼絞線束軸向的掃描范圍，縱坐標Bx表示自發(fā)漏磁信號切向分量。由圖6可見：腐蝕前各個角度掃描到的漏磁信號較為接近，而隨著腐蝕度的增加，不同角度測得的磁信號強度差距越來越大。腐蝕點位于0°與300°之間，可以明顯觀察到在330°采集到的漏磁信號曲線變化最為明顯，切向分量Bx向上凸起的幅度最大；0°與300°、30°與270°之間的凸起幅度次之，且距離腐蝕點相等角度所采集到的自發(fā)漏磁信號也基本相等；而150°、180°和210°處距離腐蝕區(qū)域較遠，采集到的漏磁信號最小，切向分量Bx幾乎沒有改變。

(a) D=0(未腐蝕),Bx (b) D=3.53%,Bz

為了更加直觀地分析環(huán)向漏磁信號隨腐蝕程度的變化規(guī)律，選取以上數(shù)據(jù)中7個橫截面的環(huán)向漏磁信號，并繪制于雷達圖中，其中，坐標系極點為鋼絞線束橫截面的中心點，極角為檢測角度，極徑為自發(fā)漏磁信號的切向分量Bx；再通過坐標變換、改變坐標軸的方式，將環(huán)向漏磁信號相對大小體現(xiàn)在3D圖中，如圖7所示。“3D雷達圖”的xz平面相當于對應(yīng)的二維雷達圖，3D圖中在不同橫截面的環(huán)狀圖像變化趨勢即為鋼絞線束磁感應(yīng)強度的相對大小。

由圖7可知，鋼絞線發(fā)生腐蝕前，雖然在不同橫截面檢測到的環(huán)向自發(fā)漏磁信號切向分量各不相同，但在同一橫截面各個角度檢測到的磁感應(yīng)強度基本相等，圖像呈現(xiàn)出規(guī)則的圓形分布。而隨著腐蝕度的增加，腐蝕區(qū)域內(nèi)磁感應(yīng)強度隨之逐漸增大，在腐蝕位置出現(xiàn)異常極大值，原來圓形分布的圖像開始出現(xiàn)異常凸起，凸起偏離軸心的距離與腐蝕程度成正比，不同角度的漏磁信號增加的幅度也是有所不同的。所以通過對比環(huán)狀漏磁信號圖像可直觀地確定腐蝕位置，并對腐蝕程度進行定性判定。

(a) D=0 (b) D=3.53%

3.2 不同位置分布腐蝕的漏磁信號分析

取腐蝕度為8.83%的4組漏磁信號繪成圖8。極點為鋼絞線束腐蝕中心的橫截面，極角為12個環(huán)向檢測角度，極徑表示自發(fā)漏磁信號的切向分量值。

如圖8所示：第一組的單點腐蝕位于0°與300°之間，在330°的自發(fā)漏磁信號切向分量出現(xiàn)極大值約為760.7 mGs，與其相鄰的0°、300°出現(xiàn)較大值，其余角度的自發(fā)漏磁信號切向分量較小，為-200～300 mGs，整體圖像分布不均呈“異常凸起狀”。第二組為鋼絞線束表面相鄰兩點腐蝕，在0°的漏磁信號為1 241.3 mGs，相鄰的30°、330°角度也達到1 000 mGs，腐蝕范圍比第一組試件明顯增大，其余點的漏磁信號變化較均勻，圖像亦呈“異常凸起狀”。第三組為表面和中心兩點腐蝕，漏磁信號于270°達到極大值為828.3 mGs，磁感應(yīng)強度由270°中心處向順時針和逆時針兩側(cè)遞減，相鄰兩角度漏磁信號強度分別為596.1 mGs、577.7 mGs，其余點漏磁信號相對一二組整體偏大，曲線光滑，圖像呈“水滴狀”。第四組鋼絞線束表面相對兩點腐蝕，在相應(yīng)的腐蝕區(qū)域330°與150°的漏磁信號出現(xiàn)單點腐蝕相同的“異常凸起狀”，由于鋼絞線束中心處不存在腐蝕，兩點腐蝕漏磁信號相互影響較小，所以中間的60°與240°出現(xiàn)較小值，圖像呈現(xiàn)“缺口狀”。不同位置分布的腐蝕會導致環(huán)向漏磁信號切向分量存在差異，相應(yīng)的圖像有明顯差別，在磁感應(yīng)強度異常極大值處存在鋼絞線腐蝕，這些特征可以作為判斷鋼絞線束環(huán)向缺陷位置分布的依據(jù)。

(a) 第一組漏磁信號 (b) 第二組漏磁信號 (c) 第三組漏磁信號 (d) 第四組漏磁信號

4 結(jié)論與展望

(1)鋼絞線束未發(fā)生腐蝕時，同一橫截面環(huán)向漏磁信號基本相等，雷達圖中呈現(xiàn)出規(guī)則的圓形分布。當鋼絞線束環(huán)向某角度的磁感應(yīng)強度出現(xiàn)異常極大值時，該角度位置存在鋼絞線腐蝕或缺陷，且腐蝕程度與異常極大值成正相關(guān)。

(2)當鋼絞線束表面出現(xiàn)單點或沿環(huán)向相鄰兩點腐蝕時，雷達圖呈“異常凸起狀”。當鋼絞線束表面存在沿徑向相鄰的兩點腐蝕時，雷達圖相對均勻，呈“水滴狀”。當鋼絞線束出現(xiàn)表面相對兩點腐蝕時，兩點腐蝕漏磁信號相互影響較小，整體圖像出現(xiàn)“缺口狀”。利用上述圖像特征，可判斷兩點腐蝕位置的分布狀態(tài)。

(3)與不同腐蝕程度的單腐蝕點相比，不同位置分布兩腐蝕點的測試圖像存在明顯差異，這為判斷鋼絞線束的腐蝕情況提供了試驗依據(jù)。本試驗得到了少量橫截面的三維分布圖像，后續(xù)可將磁強計制成環(huán)形，通過獲取大量軸向漏磁信號數(shù)據(jù)，繪制多個橫截面的二維雷達圖，并將這些橫截面擬合連接起來，最終得到拉索完整的3D雷達圖。

(4)通過特征參量對鋼絞線束腐蝕程度做出定性表征，后續(xù)可增加試驗樣品數(shù)量，獲取鋼絞線束單點腐蝕、多點腐蝕、不同腐蝕位置和程度的自發(fā)漏磁檢測數(shù)據(jù)，再通過機器學習和訓練，進一步獲得鋼絞線束腐蝕范圍和程度的定量識別方法。