趙亞宇，周建庭，夏潤川，何 沁，張澤宇

1)重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074；2)貴州高速公路集團(tuán)有限公司，貴州貴陽 550021

拉索作為斜拉橋重要的承載構(gòu)件，其健康狀況直接關(guān)系到斜拉橋的安全和使用壽命[1-2]. 拉索主要由高強(qiáng)鋼絲束組成. 鍍鋅鋼絞線拉索由于運(yùn)輸方便、施工張拉簡便，可節(jié)約大量施工場地，在國內(nèi)外拉索系統(tǒng)工程中得到了廣泛應(yīng)用[3]. 由于鍍鋅鋼絞線拉索在運(yùn)營階段，長期承受恒載與疲勞荷載作用，會面臨護(hù)套容易老化開裂甚至拉索腐蝕使防護(hù)系統(tǒng)年久失效的風(fēng)險(xiǎn)，且又暴露在風(fēng)雨、潮濕和污染空氣的自然環(huán)境中，極易遭受環(huán)境腐蝕[4-6]. 一旦鍍鋅鋼絞線拉索發(fā)生腐蝕，會造成拉索承載截面削弱，并將會導(dǎo)致拉索的索力偏離正常工作狀態(tài)，直接影響拉索系統(tǒng)的內(nèi)力分布乃至斜拉橋結(jié)構(gòu)線型，進(jìn)而會造成拉索系統(tǒng)以及斜拉橋整體結(jié)構(gòu)的抗力退化、耐久性降低[7-8]. 目前國內(nèi)外拉索損傷檢測技術(shù)主要包括機(jī)器視覺檢測法、壓力傳感器法、振動頻率法和射線檢測法等[9]. 雖然斜拉橋拉索檢測方法有很多，但是針對拉索腐蝕具有隱蔽性、難以檢測的特點(diǎn)，現(xiàn)有常規(guī)無損檢測技術(shù)有一定的局限性，并不能很好的適用于拉索腐蝕檢測實(shí)際工程應(yīng)用，因此急切需要研究或引進(jìn)一種新方法對橋梁拉索腐蝕進(jìn)行檢測.

磁記憶(metal magnetic memory，MMM)檢測技術(shù)一經(jīng)提出便受到了無損檢測領(lǐng)域?qū)＜业膹V泛關(guān)注，并迅速成為研究熱點(diǎn)[10]. 磁記憶技術(shù)主要是通過測量鐵磁材料構(gòu)件表面漏磁信號的變化來分析應(yīng)力集中、缺陷或損傷的位置及程度. 目前該技術(shù)在石油化工、電力工程和航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[11-12]. 但在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用較少[13]. 作為斜拉橋拉索系統(tǒng)工程常用的材料，鋼絞線的腐蝕也會導(dǎo)致其表面漏磁信號發(fā)生變化.為此，本研究將磁記憶檢測技術(shù)應(yīng)用到鋼絞線腐蝕的檢測中.

1 磁記憶檢測理論

由鐵磁學(xué)可知，鐵磁材料的基本特點(diǎn)是存在自發(fā)磁化和磁疇結(jié)構(gòu)，在外加載荷和地磁場作用下，材料內(nèi)部磁疇壁會沿著地磁場發(fā)生定向和不可逆重新取向，導(dǎo)致材料的磁特性發(fā)生改變，使材料發(fā)生磁化，并呈現(xiàn)出一定的磁性，且在載荷消除后保留了這種磁化狀態(tài)，也正是磁記憶存在的必要條件. 由于地磁場在特定范圍內(nèi)可以看作是一穩(wěn)恒磁場，為此，當(dāng)處于地磁場作用下的鐵磁性材料完好時，可認(rèn)為沿長度或軸線方向材料的磁化強(qiáng)度是均勻分布的；當(dāng)鐵磁性材料發(fā)生應(yīng)力集中或含有缺陷等損傷時，在地磁場和載荷共同作用下，由于鐵磁性材料具有高磁導(dǎo)率，則在損傷處會出現(xiàn)磁導(dǎo)率躍變，進(jìn)而會造成材料磁化不均勻，影響了材料原磁化強(qiáng)度的均勻分布，導(dǎo)致了材料內(nèi)部磁場在損傷處發(fā)生“泄漏”，形成所謂“漏磁場”[14-15]. 因此，磁記憶檢測技術(shù)實(shí)質(zhì)是地磁場和載荷共同作用下的一種弱漏磁檢測技術(shù)，可依據(jù)鐵磁材料表面與應(yīng)力集中、缺陷等損傷信息相關(guān)的漏磁效應(yīng)，來對材料損傷進(jìn)行判斷. 圖1為鐵磁材料的磁場分布示意圖. 由圖1分析可知，鐵磁材料表面實(shí)際測量得到的磁場H是環(huán)境磁場He、 退磁場Hd和漏磁場Hp矢量疊加的結(jié)果，即

H=He+Hd+Hp

(1)

其中，He為環(huán)境磁場，主要包括地磁場和鐵磁性材料周圍其他構(gòu)件及設(shè)備產(chǎn)生的磁場；Hd為鐵磁性材料在環(huán)境磁場和載荷共同作用下的自發(fā)感應(yīng)磁場；Hp為鐵磁性材料在缺陷處發(fā)生磁泄漏產(chǎn)生的漏磁場，且方向與退磁場Hd相反.

圖1 鐵磁構(gòu)件磁場分布示意圖Fig.1 (Color online) Magnetic field distribution diagrams of ferromagnetic components

2 鋼絞線腐蝕檢測試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)試件采用15-7?5規(guī)格的鍍鋅鋼絞線，每根鋼絞線由7股直徑為5 mm的鋼絲絞合而成，公稱直徑為15.24 mm，鍍鋅鋼絞線的部分化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：C為0.75%～0.85%，Si為0.12%～0.32%，Mn為0.60%～0.90%，S為不大于0.025%，Cu為不大于0.2%.

2.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

2.2.1 電化學(xué)腐蝕裝置與設(shè)備.

鋼絞線腐蝕的實(shí)質(zhì)是發(fā)生了微電池腐蝕，為此可利用電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)方法對鋼絞線試件進(jìn)行腐蝕. 首先將直流電源的正極與待腐蝕試件相連接，負(fù)極與浸沒于5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NaCl電解質(zhì)溶液中的碳棒相連接.其次，將吸水布覆蓋在試件待腐蝕區(qū)域，同時將吸水布浸入電解質(zhì)溶液中，從而形成閉合回路. 圖2為鋼絞線電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)示意圖.

圖2 鋼絞線試件電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)示意圖Fig.2 (Color online) Schematic diagram of electrochemical corrosion test of steel strand specimens

2.2.2 三軸微磁檢測掃描系統(tǒng).

本試驗(yàn)采用的缺陷漏磁檢測儀器為三軸微磁檢測掃描系統(tǒng). 該系統(tǒng)主要由X、Y和Z軸等三軸機(jī)械位移系統(tǒng)和HMR2300三軸微磁傳感器組成.其中，三軸機(jī)械位移系統(tǒng)主要由掃描軌道和步進(jìn)電機(jī)組成，該機(jī)械位移系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)空間三軸自由移動掃描.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，可實(shí)現(xiàn)被對鐵磁構(gòu)件空間位置磁信號的精確測量.

2.3 試驗(yàn)方法及條件

2.3.1 試件準(zhǔn)備及編號

為探究試件長度對漏磁信號的影響，制備3組鋼絞線試件，并按1、2和3編組，每組試件共有5個，每組試件長度(l)分別為0.80、0.12、0.16、0.20和0.24 m.為探究腐蝕寬度對漏磁信號的影響，取每組試件的腐蝕寬度分別為0.05、0.10和0.15 m. 根據(jù)試件制備情況，可將試件按長度加上腐蝕寬度進(jìn)行編號，見表1.

表1 鋼絞線腐蝕試驗(yàn)試件編號

2.3.2 試件初始稱重、磁信號掃描

利用精密電子秤對未腐蝕試件進(jìn)行稱重，之后采用三軸微磁檢測掃描系統(tǒng)對試件進(jìn)行初始漏磁信號掃描，掃描路徑為沿試件長度方向順向掃描，掃描方式采取不同提離值進(jìn)行掃描.圖3為鋼絞線試件磁信號掃描示意圖.

圖3 鋼絞線試件磁信號掃描示意圖Fig.3 (Color online) Schematic diagram of magnetic scanning signal of steel strand specimens

2.3.3 試件電化學(xué)腐蝕

采用電化學(xué)腐蝕裝置對完成步驟2.3.2的試件中間待腐蝕區(qū)域進(jìn)行定點(diǎn)加速腐蝕，腐蝕寬度按表2取值，電解液NaCl溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，通電腐蝕電流為0.5 A，通電腐蝕時間間隔為12 h.

2.3.4 試件腐蝕后稱重及磁信號掃描

試件電化學(xué)腐蝕完成后，重復(fù)步驟2.3.2，依次按照每12 h為1個腐蝕間隔，在腐蝕間隔結(jié)束后對試件進(jìn)行稱重和磁信號掃描，直至試件腐蝕嚴(yán)重.

3 鋼絞線腐蝕漏磁檢測試驗(yàn)結(jié)果與分析

為探究鋼絞線試件沿長度方向上腐蝕磁記憶漏磁信號的變化特征和影響因素，分別進(jìn)行不同腐蝕程度、不同腐蝕寬度和不同試件長度的試件腐蝕漏磁檢測研究. 該試驗(yàn)采用電化學(xué)腐蝕方法對試件進(jìn)行腐蝕，之后，運(yùn)用三軸微磁檢測系統(tǒng)對試件腐蝕前后的磁信號進(jìn)行順向水平掃描，提離值y分別按照0.01 ～0.11 m(間隔為0.01 m)和0.11 ～0.36 m(間隔為0.05 m)取值，共16條順向掃描路徑，水平磁信號掃描路徑取試件長度中心對稱的0.2 m范圍.

3.1 背景磁場磁信號分析

在試件進(jìn)行磁信號掃描前，先對試件預(yù)掃描路徑的試驗(yàn)平臺周圍背景磁場(地磁場)進(jìn)行初始掃描，目的是探究試驗(yàn)平臺周圍地磁場是否均勻穩(wěn)定，對排除后續(xù)試驗(yàn)的干擾較為有利，結(jié)果見圖4. 其中，Bx為背景磁場的切向分量. 由圖4可知，不同提離值下的背景磁場切向分量變化趨勢平緩且較為一致，說明試驗(yàn)平臺周圍背景磁場變化較為均勻，不存在明顯影響環(huán)境磁場的磁性物質(zhì).

圖4 試驗(yàn)平臺背景磁場磁信號曲線Fig.4 (Color online) The magnetic signal curve of the background magnetic field of the test platform

3.2 提離值影響性分析

為探究磁測傳感器提離值對漏磁信號檢測的影響程度，對不同提離值下試件的缺陷漏磁進(jìn)行檢測. 通過對采集的試件磁信號數(shù)據(jù)處理分析，發(fā)現(xiàn)相同工況下的試件漏磁信號曲線具有相似的變化規(guī)律，為此，本研究僅以80-5#試件腐蝕60 h的漏磁信號數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，結(jié)合地磁場(背景磁場)對磁記憶漏磁信號的影響較小，將試件漏磁信號數(shù)據(jù)扣除背景磁場[16-17]. 由于針對不同的試件，得出的結(jié)果差異性較大，不便于分析，為了使漏磁信號分析處理直觀方便，將缺陷漏磁信號做歸一化處理(確保缺陷漏磁信號信息完整，即在腐蝕區(qū)域取漏磁信號的極值作為相對值)，結(jié)果見圖5.

圖5 不同提離值下的漏磁信號變化曲線Fig.5 (Color online) The magnetic flux leakage signal as function of lift-off value

由圖5(b)分析可知，試件腐蝕漏磁信號切向分量歸一化峰值Sp與提離值y的變化關(guān)系擬合曲線呈現(xiàn)Boltzmann函數(shù)分布，且擬合曲線的相關(guān)系數(shù)為R2=0.994， 接近于1，表明擬合效果較好，即

(2)

結(jié)合圖5和式(2)可知，在提離值較小的情況下，隨著提離值的增加，試件漏磁信號曲線峰值急劇下降，提離值上輕微的差異，便可造成峰值產(chǎn)生較大的波動；在提離值較大的情況下，隨著提離值的增加，試件漏磁信號曲線峰值趨于穩(wěn)定，但峰值較小，難以區(qū)分信號間的差異，不利于腐蝕漏磁檢測. 因此在實(shí)際工程腐蝕漏磁檢測應(yīng)用中，需要選取合理的磁測傳感器提離值.

3.3 腐蝕寬度影響性分析

為探究腐蝕寬度對試件缺陷漏磁信號的影響，進(jìn)行了不同腐蝕寬度的試件腐蝕漏磁檢測. 通過對本試驗(yàn)采集的試件磁信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，發(fā)現(xiàn)各試件漏磁信號曲線具有相似的變化規(guī)律，為此，僅以80-5#、80-10#和80-15#試件分別腐蝕60、120和180 h進(jìn)行分析.確保3個試件的腐蝕度均為61.85%.

根據(jù)法拉第電解定律可得試件腐蝕度為

(3)

其中，m0為試件待腐蝕區(qū)域腐蝕之前的質(zhì)量； Δm為根據(jù)法拉第電解定律計(jì)算的試件腐蝕區(qū)域損失量(單位為kg)；k為比例常數(shù)，是電化學(xué)當(dāng)量，與陽極金屬介質(zhì)相關(guān)(單位為kg/(A·s))；I為通過陽極金屬的電流(單位為A)；t為通電電解時間(單位為s)；ρv為試件體密度，在此假定鋼絞線試件質(zhì)量均勻；l0為試件腐蝕區(qū)域?qū)挾?；R0為試件半徑，在此假定鋼絞線試件是截面均勻變化的圓柱體.

取提離值y=0.01 m分析上述3個試件漏磁信號數(shù)據(jù). 漏磁信號數(shù)據(jù)處理方法采取與提離值影響性分析相同的方式，結(jié)果見圖6. 由圖6可知，隨著腐蝕寬度的增加，缺陷漏磁信號切向分量變化趨勢不具有規(guī)律性，造成上述原因可能是由于本試驗(yàn)僅以0.05、0.10和0.15 m作為腐蝕寬度的取值，導(dǎo)致選取的腐蝕寬度變量值過少，不能反映腐蝕漏磁信號切向分量與腐蝕寬度的關(guān)系規(guī)律.

圖6 不同腐蝕寬度下的漏磁信號變化曲線Fig.6 (Color online) Change curve of magnetic flux leakage signal under different corrosion width

3.4 腐蝕深度影響性分析

為了探究腐蝕深度對漏磁信號的影響程度，采用電化學(xué)腐蝕方法對本研究試件進(jìn)行不同程度的腐蝕. 通過對試件不同腐蝕程度的漏磁信號數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，各試件間的漏磁信號曲線具有較強(qiáng)的相似性，為此僅以80-5#試件為例來進(jìn)行分析，限于篇幅，僅以部分腐蝕階段的漏磁信號處理數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖展示，結(jié)果見圖7. 由圖7分析可知，試件未發(fā)生腐蝕時，試件漏磁信號在中間區(qū)域相對變化較為平緩；當(dāng)試件腐蝕48 h時，不同提離值下的漏磁信號切向分量曲線在腐蝕區(qū)域發(fā)生明顯交匯，且交匯點(diǎn)基本位于關(guān)于缺陷漏磁信號切向分量極值對稱的兩點(diǎn)(簡稱曲線交匯點(diǎn))，兩交匯點(diǎn)的間距為d=80.1 mm，包含了腐蝕區(qū)域(試件腐蝕寬度為50 mm)，由此可利用不同提離值下的漏磁信號曲線交匯點(diǎn)來對腐蝕區(qū)域進(jìn)行大致判別.

圖7 不同腐蝕程度下的漏磁信號變化曲線Fig.7 (Color online) Change curve of magnetic flux leakage signal under different corrosion degree

為了進(jìn)一步探究腐蝕深度對漏磁信號的影響程度，取80-5#試件在特定提離值下不同腐蝕程度的缺陷漏磁信號進(jìn)行對比分析，如圖8所示. 由圖8分析可知，隨著腐蝕程度的增加，試件缺陷漏磁信號切向分量歸一化峰值Sp逐漸增加. 通過對試件腐蝕漏磁信號歸一化峰值曲線進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，切向分量歸一化峰值與腐蝕程度的關(guān)系擬合曲線同樣呈現(xiàn)Boltzmann函數(shù)分布，且擬合曲線的相關(guān)系數(shù)為R2=0.994， 接近于1，表明擬合效果較好，為

(4)

其中，t為銹蝕時間.

結(jié)合圖8和式(4)可知，試件缺陷漏磁信號切向分量峰值與腐蝕度具有確切關(guān)系式，說明通過對試件表面漏磁信號峰值特征的分析，可以反演出試件腐蝕程度.

圖8 試件漏磁信號與腐蝕度的關(guān)系曲線Fig.8 (Color online) Relationship curve between specimen magnetic leakage signal and corrosion degree

3.5 試件長度的影響性分析

為了探究試件長度對腐蝕漏磁信號的影響情況，進(jìn)行了不同試件長度下的試件缺陷漏磁信號檢測. 通過對采集到的試件漏磁信號數(shù)據(jù)分析，同樣發(fā)現(xiàn)各試件間的漏磁信號曲線具有較強(qiáng)的相似性.為此僅對80-5#、120-5#、160-5#、200-5#和240-5#等5個試件，提離值為0.01 m、腐蝕時間為48 h的漏磁信號數(shù)據(jù)作為對象進(jìn)行分析，并將漏磁信號數(shù)據(jù)扣除背景磁場和局部歸一化處理，結(jié)果見圖9. 由圖9可分析得到腐蝕漏磁信號與試件長度之間的關(guān)系，針對試件缺陷漏磁信號曲線，隨著試件長度的增加，在相同的腐蝕程度和相同提離值下，不同試件長度的漏磁信號曲線具有逐漸靠近的趨勢，且曲線變化規(guī)律也變得較為相似，這可以結(jié)合磁記憶弱漏磁檢測理論來解釋. 隨著試件長度的增加，試件退磁場對遠(yuǎn)離試件端頭和試件中間腐蝕區(qū)域的影響逐漸被削弱，而缺陷漏磁場在腐蝕區(qū)域的作用逐漸明顯，最終使不同試件長度下的試件漏磁信號曲線均呈現(xiàn)缺陷漏磁場的變化形式. 當(dāng)試件長度超過一定值時，針對腐蝕程度一樣的試件，缺陷漏磁信號曲線變化規(guī)律較為一致. 對于試件缺陷漏磁信號曲線峰值特征量，隨著試件長度的增加，漏磁信號切向分量歸一化峰值與試件長度不具有特定關(guān)系. 結(jié)合磁記憶弱漏磁檢測理論，可知造成上述試驗(yàn)與理論不符合現(xiàn)象的原因，可能是由于不同試件之間的自發(fā)磁化參數(shù)存在差異性.

圖9 試件漏磁信號與試件長度的關(guān)系曲線Fig.9 (Color online) Relationship between specimen magnetic leakage signal and specimen length

4 結(jié) 論

1)試件腐蝕漏磁信號切向分量歸一化峰值與磁測傳感器的提離值呈現(xiàn)Boltzmann分布. 磁測傳感器的提離值較小時，試件腐蝕漏磁信號峰值隨著提離值的增加而急劇下降；磁測傳感器的提離值較大時，試件腐蝕漏磁信號峰值隨著提離值的增加變化較小，難以區(qū)分信號間的差異. 為此，在實(shí)際腐蝕檢測過程中，要選擇合理的磁測傳感器的提離值.

2)試件腐蝕程度對試件腐蝕漏磁信號分布具有明顯的影響. 隨著腐蝕程度的增大，試件腐蝕漏磁信號切向分量歸一化峰值逐漸增大，且增大的趨勢與試件腐蝕程度之間呈Boltzmann分布. 為此，可將漏磁信號切向分量峰值作為評判試件腐蝕程度的特征參量.

3)本研究主要是針對單一鋼絞線試件在有限影響因素下的腐蝕磁記憶漏磁檢測試驗(yàn)，而對于多因素耦合(荷載、溫度和鋼絞線束組)作用下的鋼絞線腐蝕檢測試驗(yàn)還未涉及，為了獲取多因素耦合作用下鋼絞線腐蝕磁記憶漏磁特性，使磁記憶漏磁檢測技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際鋼絞線腐蝕檢測工程中來，后續(xù)試驗(yàn)將針對多因素耦合下的鋼絞線腐蝕檢測試驗(yàn)進(jìn)行研究.