王賢強(qiáng) 楊 羿 劉 朵 張建東 陳春霖

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司長(zhǎng)大橋梁安全長(zhǎng)壽與健康運(yùn)維全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 211112;2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院,南京 211189;3.河海大學(xué)土木工程學(xué)院,南京 210024)

0 引 言

隨著鋼結(jié)構(gòu)橋梁運(yùn)營(yíng)年限的增加,在車(chē)輛荷載、環(huán)境因素反復(fù)作用下,疲勞裂紋不斷出現(xiàn)。據(jù)美國(guó)土木工程師學(xué)會(huì)疲勞和斷裂分委會(huì)的調(diào)查,80%～90%的鋼結(jié)構(gòu)破壞與疲勞有關(guān)。正交異性鋼橋面板作為普遍使用的鋼結(jié)構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)形式,由于受到車(chē)輪荷載的直接作用,疲勞裂紋成為典型病害,嚴(yán)重威脅其耐久性和使用壽命[1-2]。所以,及時(shí)有效地對(duì)疲勞裂紋進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估,掌握裂紋擴(kuò)展?fàn)顟B(tài),對(duì)結(jié)構(gòu)安全評(píng)估及維修決策具有重要意義和工程應(yīng)用價(jià)值,可以為鋼結(jié)構(gòu)橋梁的耐久性提升和長(zhǎng)效保持提供良好基礎(chǔ)[3]。

目前,鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋一般采用超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)和渦流檢測(cè),每種方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性[4]。超聲檢測(cè)主要用于內(nèi)部缺陷檢測(cè),對(duì)表層和近表層疲勞裂紋不敏感。磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)可用于表面微小裂紋檢測(cè),根據(jù)表觀顯示判斷裂紋開(kāi)口走向和裂紋長(zhǎng)度,但需要去除涂層保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性,其工序繁瑣,嚴(yán)重降低檢測(cè)效率,且對(duì)原涂層進(jìn)行修補(bǔ)又增加了檢測(cè)成本。渦流檢測(cè)依靠阻抗分析進(jìn)行疲勞裂紋檢測(cè),目前在表面缺陷無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,但其對(duì)結(jié)構(gòu)表面平整度要求高,容易受到提離效應(yīng)的影響,涂層的存在增加了提離高度,顯著影響檢測(cè)精度。因此,鋼結(jié)構(gòu)橋梁涂層的存在限制了上述常規(guī)疲勞裂紋檢測(cè)方法的實(shí)施。為提高現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)效率和識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確性,研究應(yīng)用無(wú)須去除涂層的疲勞裂紋檢測(cè)方法,對(duì)疲勞裂紋進(jìn)行快速掃查檢測(cè)和高精度定量評(píng)估,以避免傳統(tǒng)檢測(cè)方法需要去除涂層的不足,成為疲勞裂紋檢測(cè)發(fā)展的新方向[5]。

交流電磁場(chǎng)檢測(cè)(ACFM)技術(shù)整合了渦流檢測(cè)和電壓降法的優(yōu)勢(shì),利用激勵(lì)線圈在結(jié)構(gòu)表面感應(yīng)出均勻電流,疲勞裂紋的存在阻滯了均勻電流的傳導(dǎo),感應(yīng)電流在裂紋端點(diǎn)和兩側(cè)聚集,引起空間磁場(chǎng)畸變,根據(jù)裂紋上方感應(yīng)磁場(chǎng)的畸變效應(yīng),可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)表面裂紋的檢測(cè)和評(píng)估[6]。由于ACFM技術(shù)對(duì)非金屬涂層有良好的穿透能力,無(wú)須表面特殊處理,具有快速掃查、無(wú)須校準(zhǔn)、精準(zhǔn)評(píng)估的優(yōu)勢(shì),成為近年來(lái)金屬結(jié)構(gòu)裂紋檢測(cè)的新興技術(shù),在水下結(jié)構(gòu)、壓力容器、機(jī)械平臺(tái)、鋼軌、管道檢測(cè)中得以應(yīng)用[7]。袁新安等采用交流電磁場(chǎng)對(duì)水下結(jié)構(gòu)物裂紋進(jìn)行檢測(cè),并提出了裂紋尺寸評(píng)估及剖面高精度重構(gòu)方法[8]。陳晨等試驗(yàn)測(cè)試了蒸壓釜人工缺陷,研究了檢測(cè)參數(shù)對(duì)ACFM檢測(cè)信號(hào)的影響[9]。吳澤民等將ACFM用于LPG球罐支柱角焊縫無(wú)損檢測(cè)中,完成了裂紋缺陷的定性定量化測(cè)量[10]。冷建成等采用ACFM對(duì)鉆修機(jī)械平臺(tái)關(guān)鍵部位焊縫進(jìn)行了檢測(cè),并與傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)方法進(jìn)行了對(duì)比,探討了ACFM用于鉆修機(jī)械平臺(tái)結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的可行性[11]。趙建明等分別對(duì)鐵軌上的人工缺陷和自然缺陷進(jìn)行了檢測(cè)[12],交流電磁場(chǎng)可實(shí)時(shí)檢出鐵軌上的缺陷,并能初步判斷缺陷的位置和大小。葛玖浩等基于交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)開(kāi)展了鋼軌表面裂紋高速檢測(cè)技術(shù)研究,優(yōu)化了探頭布置,開(kāi)發(fā)了高速鋼軌檢測(cè)車(chē)模塊,實(shí)現(xiàn)了真實(shí)滾動(dòng)疲勞裂紋的檢測(cè)[13]。Rowshandel等采用ACFM和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)鐵路鋼軌集簇式疲勞裂紋進(jìn)行了檢測(cè),得到了良好的測(cè)試效果[14]。李偉等建立了連續(xù)油管缺陷ACFM在線檢測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了連續(xù)油管裂紋缺陷的快速高效檢測(cè)和評(píng)估[15]。當(dāng)前,基于ACFM的裂紋檢測(cè)正向著復(fù)雜裂紋檢測(cè)和可視化重構(gòu)發(fā)展。周兆明等仿真分析了缺陷形狀、缺陷簇群密度對(duì)ACFM信號(hào)的影響規(guī)律,論證了對(duì)復(fù)雜裂紋檢測(cè)與定量識(shí)別的可行性[16]。王景林等研究了裂紋長(zhǎng)度、裂紋深度、探頭掃描方式、探頭起落波動(dòng)、探頭偏離裂紋的水平距離及探頭提離高度對(duì)ACFM檢測(cè)信號(hào)的影響,初步得出了探頭配置與檢測(cè)參數(shù)要求[17]。袁新安等采用ACFM對(duì)奧氏體不銹鋼不規(guī)則裂紋進(jìn)行了檢測(cè),提出了裂紋表面輪廓可視化重構(gòu)方法,實(shí)現(xiàn)了裂紋輪廓可視化成像顯示與準(zhǔn)確評(píng)估[18]。Akbari等提出了基于ACFM測(cè)試信號(hào)的圓柱表面破裂裂紋深度剖面重建技術(shù)[19]。Pasadas等研究了均勻電流激勵(lì)下鋁板表面不規(guī)則裂紋周?chē)娏鲾_動(dòng)規(guī)律,提出了歸一化表面裂紋可視化反演方法[20]。

交流電磁場(chǎng)在不同行業(yè)中金屬裂紋檢測(cè)的成功應(yīng)用使鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋的檢測(cè)成為可能,但ACFM檢測(cè)對(duì)非金屬涂層具有較強(qiáng)的穿透性,鋼結(jié)構(gòu)橋梁涂層有其明顯的特殊性：材料中富含金屬元素,部分涂層體系采用鋅鋁金屬涂層,目前還未見(jiàn)鋼結(jié)構(gòu)橋梁涂層下疲勞裂紋檢測(cè)的相關(guān)研究和報(bào)道,故有必要分析鋼結(jié)構(gòu)橋梁涂層體系對(duì)疲勞裂紋檢測(cè)的影響,論證ACFM技術(shù)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁涂層下疲勞裂紋檢測(cè)的可行性。本文采用ACFM技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比試件和典型涂層體系下的預(yù)設(shè)疲勞裂紋檢測(cè),分析了鋼橋典型涂層體系類(lèi)型與遮蔽效應(yīng)的影響,與磁粉檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,驗(yàn)證了ACFM在鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋檢測(cè)中的有效性和準(zhǔn)確性,為在役鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋的快速檢測(cè)提供了借鑒。

1 ACFM檢測(cè)原理

ACFM技術(shù)是以渦流檢測(cè)和電壓降檢測(cè)為基礎(chǔ),通過(guò)激勵(lì)探頭在構(gòu)件表面激發(fā)感應(yīng)電流,無(wú)裂紋時(shí),感應(yīng)電流呈現(xiàn)均勻狀態(tài);存在裂紋時(shí),感應(yīng)電流在裂紋端點(diǎn)和兩側(cè)聚集,導(dǎo)致感應(yīng)磁場(chǎng)擾動(dòng),因此可通過(guò)分析畸變磁場(chǎng)信息識(shí)別疲勞裂紋的存在以及量化評(píng)估裂紋尺寸等參數(shù)[21]。

根據(jù)ACFM檢測(cè)理論,感應(yīng)磁場(chǎng)可以分解為x、y、z三個(gè)垂直方向的分量,如圖1所示。x為與裂紋平行方向,y為與裂紋垂直方向,z為與構(gòu)件表面垂直方向。隨著探頭沿著表面平行于裂紋方向移動(dòng),聚集電流引起空間磁場(chǎng)畸變,磁場(chǎng)分量Bz在裂紋端點(diǎn)位置呈現(xiàn)波峰、波谷特征信號(hào),磁場(chǎng)分量Bx在裂紋區(qū)域內(nèi)先降后升呈現(xiàn)出凹陷區(qū)域,而磁場(chǎng)分量By與感應(yīng)電流方向平行,對(duì)感應(yīng)磁場(chǎng)畸變影響較小,可不予考慮[22],Bx-Bz特征曲線呈蝴蝶形特征信號(hào)。裂紋長(zhǎng)度對(duì)磁場(chǎng)分量Bz波峰、波谷的影響大于裂紋深度,裂紋深度對(duì)磁場(chǎng)分量Bx凹陷區(qū)域幅值差的影響大于裂紋長(zhǎng)度。所以,可利用磁場(chǎng)分量Bz波峰、波谷位置和Bx-Bz特征曲線的拐點(diǎn)位置判定裂紋端點(diǎn),利用磁場(chǎng)分量Bx凹陷區(qū)域幅值評(píng)估裂紋深度。

圖1 ACFM檢測(cè)原理Fig.1 Detection principle of ACFM

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)試

2.1 試件制作

分別制作對(duì)比試件和涂裝試件進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試,對(duì)比試件為兩塊焊接在一起的Q345鋼板,試件尺寸為300 mm×100 mm×10 mm(長(zhǎng)×寬×厚)。在一側(cè)焊趾邊緣通過(guò)高精度機(jī)加工預(yù)制兩處不同長(zhǎng)度、深度的裂紋,其中裂紋1長(zhǎng)50 mm、深5 mm,裂紋2長(zhǎng)20 mm、深1 mm,鋼板上包覆厚度0.3 mm的聚乙烯薄膜模擬非金屬涂層影響,如圖2所示。

圖2 對(duì)比試件裂紋尺寸與分布Fig.2 Crack sizes and distribution on the comparative specimen

涂裝試件采用Q345qD鋼板制作,試件尺寸為680 mm×120 mm×10 mm(長(zhǎng)×寬×厚),在試件長(zhǎng)邊側(cè)采用數(shù)控機(jī)床切割20 mm開(kāi)口誘導(dǎo)疲勞裂紋擴(kuò)展,通過(guò)MTS疲勞試驗(yàn)機(jī)加載預(yù)制疲勞裂紋,加載力為(72±48)kN,加載頻率為8 Hz,加載到預(yù)定疲勞裂紋長(zhǎng)度后停止,如圖3所示。共設(shè)計(jì)制作4個(gè)試件,XSJ-1、XSJ-2試件先預(yù)制疲勞裂紋后涂裝,HSJ-1、HSJ-2試件涂裝后預(yù)制疲勞裂紋,以對(duì)比分析涂層遮蔽效應(yīng)的影響。涂層選取鋼結(jié)構(gòu)橋梁兩種典型涂裝體系,以分析涂層類(lèi)型對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。涂裝前進(jìn)行沖砂除銹處理,疲勞裂紋沿鋼板厚度方向貫穿,裂紋長(zhǎng)度在背面采用磁粉檢測(cè),涂裝試件的疲勞裂紋預(yù)制長(zhǎng)度及涂層體系如表1所示。

表1 涂裝試件疲勞裂紋長(zhǎng)度及涂層體系Table 1 Fatigue crack lengths and coating systems of painted specimens mm

圖3 涂裝試件疲勞裂紋加載預(yù)制Fig.3 Fatigue crack prefabrication of painted specimens

2.2 檢測(cè)設(shè)備

試驗(yàn)采用AMIGO2型ACFM便攜式探測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè),配套標(biāo)準(zhǔn)焊縫探頭、袖珍型探頭、陣列式探頭和編碼器探頭4種探頭,如圖4所示。袖珍型探頭體積和接觸面積小,可以降低邊界效應(yīng)的影響,適用于端部開(kāi)裂與空間狹窄位置的裂紋檢測(cè),可應(yīng)用于正交異性橋面板U肋區(qū)域的疲勞裂紋探查。考慮到測(cè)試試件預(yù)制疲勞裂紋距離邊緣較近,為降低邊界效應(yīng),采用袖珍型探頭進(jìn)行后續(xù)測(cè)試。

2.3 試驗(yàn)測(cè)試

首先對(duì)模擬試件進(jìn)行檢測(cè),驗(yàn)證ACFM檢測(cè)技術(shù)在裂紋識(shí)別和裂紋長(zhǎng)度、深度量化評(píng)估中的準(zhǔn)確性。然后對(duì)涂裝試件XSJ-1、XSJ-2、HSJ-1和HSJ-2進(jìn)行檢測(cè),探頭在涂層側(cè)沿裂紋擴(kuò)展大致方向進(jìn)行掃查,由于預(yù)制裂紋在試件厚度上貫穿,故不對(duì)裂紋深度進(jìn)行檢測(cè),涂裝試件用于分析涂層對(duì)裂紋辨識(shí)和長(zhǎng)度定量的影響。

根據(jù)ACFM檢測(cè)原理,裂紋存在時(shí)磁場(chǎng)分量Bx、Bz的變化和Bx-Bz特征信號(hào)如圖5所示。特征點(diǎn)E、C兩點(diǎn)之間的距離代表裂紋長(zhǎng)度,A、D兩點(diǎn)的距離代表裂紋深度。選擇探頭并連接設(shè)備后,檢測(cè)系統(tǒng)是否正常。開(kāi)始測(cè)試時(shí),將ACFM探頭垂直放置于裂紋一側(cè)20 mm位置處,沿裂紋擴(kuò)展大致方向以20～30 mm/s的速度移動(dòng)掃描。當(dāng)Bz出現(xiàn)波峰、波谷和Bx-Bz蝴蝶形圓環(huán)到達(dá)E、C特征點(diǎn)時(shí),該位置即為疲勞裂紋端點(diǎn),將通過(guò)信號(hào)特征點(diǎn)定位的端點(diǎn)在試件上標(biāo)記,并手動(dòng)測(cè)量裂紋標(biāo)記長(zhǎng)度,在探測(cè)儀中輸入裂紋長(zhǎng)度和涂層厚度數(shù)據(jù),系統(tǒng)軟件根據(jù)理論模型對(duì)裂紋長(zhǎng)度和深度進(jìn)行補(bǔ)償,得到裂紋長(zhǎng)度、深度量化評(píng)估結(jié)果。E、C點(diǎn)是蝴蝶形圓環(huán)的拐點(diǎn),也是疲勞裂紋的起止點(diǎn),由于涂裝試件為單側(cè)開(kāi)口型裂紋,只存在單側(cè)端點(diǎn)(疲勞裂紋尖端),無(wú)法形成完整的蝴蝶形圓環(huán),因此在涂裝試件中重點(diǎn)檢測(cè)特征點(diǎn)C點(diǎn),并反復(fù)移動(dòng)探頭在試件上對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行定位標(biāo)記,對(duì)裂紋長(zhǎng)度進(jìn)行評(píng)估。

圖5 磁場(chǎng)信號(hào)變化與特征點(diǎn)Fig.5 Magnetic field signal changes and characteristic points

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 對(duì)比試件測(cè)試結(jié)果

對(duì)比試件檢測(cè)得到的Bx-Bz特征曲線能夠形成兩個(gè)蝴蝶形圓環(huán),代表ACFM準(zhǔn)確識(shí)別出了檢測(cè)路徑上預(yù)制的兩處疲勞裂紋,檢出率為100%。疲勞裂紋1和2的長(zhǎng)度、深度量化評(píng)估結(jié)果如表2所示,裂紋長(zhǎng)度的量化評(píng)估相對(duì)誤差分別為1.0%、1.5%;裂紋深度的量化評(píng)估相對(duì)誤差分別為10%、40%。對(duì)比試件疲勞裂紋的檢測(cè)結(jié)果表明,ACFM能夠透過(guò)模擬涂層有效識(shí)別疲勞裂紋,對(duì)裂紋長(zhǎng)度的評(píng)估準(zhǔn)確率在98%以上,滿足工程應(yīng)用的要求;裂紋深度的評(píng)估誤差隨著裂紋深度的減小而增大,裂紋1預(yù)制深度為5 mm,評(píng)估誤差為10%,而裂紋2預(yù)制深度為1 mm,評(píng)估誤差達(dá)到40%,表明ACFM技術(shù)對(duì)裂紋長(zhǎng)度的量化準(zhǔn)確性顯著高于裂紋深度。

表2 對(duì)比試件疲勞裂紋長(zhǎng)度與深度量化評(píng)估結(jié)果Table 2 Evaluation results of fatigue crack lengths and depths of comparative specimens

3.2 涂裝試件測(cè)試結(jié)果

涂裝試件的裂紋從側(cè)邊缺口開(kāi)裂,沒(méi)有起點(diǎn),只存在疲勞裂紋終點(diǎn)(即裂紋尖端),所以Bz信號(hào)特征只存在波峰或者波谷,Bx-Bz特征信號(hào)為半蝴蝶形圓環(huán),疲勞裂紋沿試件厚度貫穿,故不需對(duì)裂紋深度進(jìn)行測(cè)試。涂層試件ACFM檢測(cè)的典型Bz信號(hào)和Bx-Bz半蝴蝶形圓環(huán)如圖6所示。可以看出,4塊涂層試件均呈現(xiàn)半蝴蝶形圓環(huán),Bz信號(hào)特征出現(xiàn)明顯的波谷,裂紋檢出率為100%,表明鋼結(jié)構(gòu)橋梁涂層對(duì)疲勞裂紋ACFM識(shí)別的影響較小,可以作為帶涂裝的裂紋識(shí)別方法。

a—裂紋尖端典型Bz信號(hào);b—XSJ-1半蝴蝶形圓環(huán);c—XSJ-2半蝴蝶形圓環(huán);d—HSJ-1半蝴蝶形圓環(huán);e—HSJ-2半蝴蝶形圓環(huán)。圖6 涂裝試件ACFM檢測(cè)特征信號(hào)Fig.6 ACFM characteristic signal of painted specimens

涂層試件疲勞裂紋長(zhǎng)度量化評(píng)估結(jié)果如表3所列,可見(jiàn),XSJ-1、XSJ-2、HSJ-1、HSJ-2試件的疲勞裂紋長(zhǎng)度定量評(píng)估相對(duì)誤差分別為0.47%、2.95%、4.32%和0.86%,定量評(píng)估精度在95%以上,平均誤差僅為2.15%,具有較高的量化識(shí)別精度,表明鋼結(jié)構(gòu)橋梁典型涂裝體系(環(huán)氧涂層體系、鋅鋁涂層體系)對(duì)疲勞裂紋長(zhǎng)度量化評(píng)估的影響不明顯。XSJ-1和XSJ-2兩個(gè)先開(kāi)裂后涂裝試件的平均相對(duì)誤差為1.71%,HSJ-1和HSJ-2兩個(gè)先涂裝后開(kāi)裂試件的平均相對(duì)誤差為2.59%,兩者差異不大,表明涂層遮蔽效應(yīng)對(duì)疲勞裂紋長(zhǎng)度量化評(píng)估的影響不顯著。此外,4塊試件的裂紋長(zhǎng)度不同,ACFM檢測(cè)技術(shù)對(duì)其均具有良好的適用性,表明可透過(guò)涂層對(duì)處于不同擴(kuò)展階段的疲勞裂紋進(jìn)行有效檢測(cè)和準(zhǔn)確定量評(píng)估。

表3 涂裝試件疲勞裂紋長(zhǎng)度量化評(píng)估結(jié)果Table 3 Evaluation results of fatigue crack lengths of painted specimens

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試,對(duì)比分析了典型涂裝體系類(lèi)型和涂層遮蔽效應(yīng)對(duì)疲勞裂紋檢測(cè)和定量評(píng)估的影響,驗(yàn)證了ACFM對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁涂層下疲勞裂紋檢測(cè)的有效性和準(zhǔn)確性,具體得到以下結(jié)論：

1)鋅鋁涂層和環(huán)氧涂層體系下疲勞裂紋的檢出率為100%,裂紋長(zhǎng)度定量評(píng)估平均相對(duì)誤差僅為2.15%,具有較高的量化評(píng)估精度,鋼結(jié)構(gòu)橋梁典型涂裝體系和涂層遮蔽效應(yīng)對(duì)ACFM疲勞裂紋識(shí)別與長(zhǎng)度量化評(píng)估的影響不明顯。

2)裂紋深度的評(píng)估誤差隨著裂紋深度減小顯著增大,預(yù)制裂紋深度為1 mm時(shí)評(píng)估誤差達(dá)到40%,即ACFM對(duì)裂紋長(zhǎng)度的量化評(píng)估精度顯著高于裂紋深度。

3)ACFM對(duì)不同長(zhǎng)度的疲勞裂紋均表現(xiàn)出良好的檢測(cè)能力,可實(shí)現(xiàn)疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中不同狀態(tài)裂紋的有效檢測(cè)和準(zhǔn)確評(píng)估。為提升智能化檢測(cè)水平,在計(jì)算反演和可視化重構(gòu)方面還需做進(jìn)一步研究。