受拉鋼絲應力狀態的磁記憶信號峰峰值判別技術

蘇三慶，高志剛，王 威

(1.西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安710055；2. 西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安710054)

鋼絲繩作為一種撓性承載機構，由多根鋼絲捻制而成，其承載的工作強度高，過載及變形能力強，自重輕，工作狀態下噪聲小，被廣泛應用于煤礦，冶金，石油，建筑等領域[1]，同時，鋼絲繩在長期的工作情況下還面臨磨損、斷絲、銹蝕等損害情況，因此，鋼絲繩的檢測技術應運而生，在這些檢測手段中又以電磁檢測技術應用最為廣泛[1-2]，而傳統的電磁檢測技術以漏磁檢測技術最為普遍，但不管是電磁還是非電磁檢測技術，只能單純的判斷鋼絲繩的損傷情況，卻不能反映鋼絲繩的承載受力狀態，或者是應力應變狀況.

磁記憶檢測技術作為一種新興的無損檢測技術，在不破壞原有構件結構的基礎上，以大地磁場作為勵磁源，以磁滯伸縮原理為基礎，不僅能夠反映構件的損傷情況，而且也能反映構件在受荷條件下的承載及應力應變情況，現已在石油管道，壓力容器等領域得到應用[3-6].而鋼絲繩用材為低碳冷拔鋼絲，因此，有必要針對鋼絲繩的特殊材質，探索磁記憶檢測技術在鋼絲繩領域的應用與發展.

在外力作用下，鐵磁體產生磁致伸縮性質的變形，從而引起磁疇壁的位移，這種位移必然引起磁疇的自發磁化方向以增加磁彈性能，來抵消應力能的增加，這種磁狀態的不可逆變化在工作荷載消失后會得到保留，記憶著構件應力集中區位置，這就是金屬材料的磁記憶效應[7-9].

鐵磁體內部或多或少都會存在一些物理不連續現象，當承受荷載時這些部位會產生應力集中，在較大的應力應變條件下，應力能增加，從能量最小的觀點出發，此時的磁彈性能增加，磁疇的方向發生改變，并趨于一致[10]，此時在鐵磁體表面的磁記憶信號便會出現一定的特征變化，典型的特征量為鐵磁體表面磁場的法向分量出現過零點現象，而切向分量出現極值.

但磁記憶檢測作為一種弱磁檢測其影響因素較多[11]，比如環境磁場的干擾，加載方向及檢測方向的影響，鐵磁體材質及形狀的影響等等.這些影響因素往往使獲取的磁記憶信號并不具有典型的特征.因此有必要針磁記憶檢測技術在鋼絲繩上的應用做進一步研究.本文以帶缺損的鋼絲繩單絲為研究對象，以期能找到一種適用于鋼絲拉伸破壞的磁記憶判別手段，為下一步整繩的研究做好基礎.

2 試驗方案

試驗選用6×37異形三角股鋼絲繩為研究對象，選取其中一股的最外層鋼絲進行單軸拉伸試驗，鋼絲公稱直徑d=2.7 mm，公稱抗拉強度1 670 MPa，鋼絲總長400 mm，有效拉伸長度300 mm，檢測區域200 mm，在檢測區域內設置兩處缺口，缺口深度h=0.2 d,寬度w=2 mm,兩缺口相聚80 mm,距檢測區兩端60mm，供選用3根鋼絲進行加載，分別編號為：1號試件、2號試件、3號試件，試驗在萬能拉伸試驗機上進行，采用分級加載的方式進行加載，荷載分級為0 kN、2 kN、4 kN、5 kN、6 kN、7 kN、8 kN、9 kN.同時采取保載測量的方式，在目標荷載狀態下獲取試件表面的磁記憶信號.加載及測量如圖1所示.

圖1 加載及測量Fig.1 Loading and measuring

在檢測區內沿試件縱向設置一條檢測線，并且使這條檢測線通過兩處缺陷，在檢測線上設置29個檢測點，依次編號為1～29，兩處缺陷位置分別位于9點及21點，并在缺陷處設置檢測加密區，采用手動測量的方式獲取磁記憶信號.在非加密區測點的間距為10 mm，在加密區測點的布置為非等間距，具體布置如圖2所示.

圖2 (a)缺陷位置 (b)加密區測點布置Fig.2 (a) Defect position (b) Distribution of test points in dense area

檢測裝置選用EMS-2003磁記憶/渦流檢測儀，如圖3所示，探頭選用筆式探頭，分辨率1 A/m，量程±1 000 A/m，儀器顯示設為數顯、雙蹤內時鐘，在檢測之前進行歸一化處理，目的是將連接的探頭與大地磁場做校準操作，使儀器與探頭相互匹配，校準完成后兩通道顯示數值為40左右.選用的筆式探頭具有屏蔽環境磁場的作用，因設置為雙蹤，此時CH1顯示環境磁場，CH2顯示綜合磁場，在參數調整選項內選擇-CH1，此時的CH1顯示為0，CH2數值即為綜合磁場減去環境磁場后的磁記憶信號[12].另外檢測時保持筆式探頭與鋼絲垂直，探頭緊貼試件表面以減小提離高度的影響，每個測點讀取3次磁記憶信號.

圖3 檢測設備Fig.3 Testing equipment

3 試驗現象及結果

三根試驗鋼絲承載能力相似，都在9～10 kN內拉斷，在受荷后的加載階段可以看出磁記憶信號曲線出現多處波峰波谷，尤其是在缺陷處的兩端，波峰波谷貫穿整個加載過程，從開始的波峰波谷不明顯階段，一直到最后鋼絲被拉斷，波峰波谷現象逐漸趨于明顯，其差值也逐漸變大.

在整個加載過程中磁記憶信號基本都為負值，這是由于檢測設備在開始檢測前進行了歸一化處理，這就默認了整個檢測過程都是以大地磁場作為基準，而實際的環境磁場是地磁場與周圍帶磁物體，如機械設備，其他的一些鐵磁體等矢量疊加后的結果.同時，鋼絲為豎向加載，這與地磁或者說與環境磁場的磁化方向不一致，這就導致了初始條件的相對復雜性.然而實際工程中，檢測環境更為多變，待檢測構件方向角度、形狀，受力情況、環境磁場更為復雜，因此本實驗有利于研究復雜條件下的磁記憶信號特征，同時也有必要找到一種適用于復雜條件下的磁記憶檢測的判別手段.

三根受測鋼絲在相同荷載下磁記憶信號曲線相似，以1號試件為例進行分析.因加密區測點間隔較小，圖中很容易出現重疊而不易區分，因此，采用各點等間距作圖.

3.1 初始階段

加載前要先測量鋼絲零載條件下的磁記憶信號，以評估鋼絲繩初始自帶磁場的大小及規律.

圖4 零載對應磁記憶信號曲線Fig.4 The curve of magnetic memory signals at 0 kN

圖4中縱軸表示磁記憶信號強度，橫軸表示沿檢測線由一端至另一端的各檢測點編號.

從圖中可以看出：磁記憶信號曲線呈現先上升后下降的走勢，在6點處存在極大值，也就是說在初始階段磁記憶信號曲線就存在波峰波谷現象，但波峰波谷數值與相鄰點的數值相差不大，值得注意的是兩處波谷正好位于9點及21點，也就是說在缺陷處磁記憶信號開始就存在極值，但由于缺陷處極值并不具備明顯特征，不好與其他極值區分，因此初始階段用波峰波谷來判斷缺陷位置還不具說服力.同時零載階段磁記憶信號并沒有太大幅度的跳躍，這也說明初始階段鋼絲自帶磁場穩定，有利于下一步的檢測.

3.2 缺陷處非線性段形成階段

進入加載階段后磁記憶信號曲線在缺陷兩端逐漸形成波峰波谷，在缺陷處出現平滑的非線性平臺.波峰波谷數差值逐漸增大，位置由最初的遠離缺陷到逐漸靠近缺陷處發展.

圖5 2 kN、4 kN對應磁記憶信號曲線Fig.5 The curve of magnetic memory signal at 2 kN，4 kN

由5圖可知：在承受荷載后，磁記憶信號曲線波峰波谷現象更加明顯，波峰波谷差值進一步增加.在2 kN對應荷載下9點缺陷兩端的波峰波谷出現在7和12點之間，21點缺陷兩端的波峰波谷出現在18和24點之間；在4 kN對應荷載下9點缺陷兩端的波峰波谷出現在7和13點之間，21點缺陷兩端的波峰波谷出現在18和23點之間.具體位置及數值如表1和表2所示.

表1 2 kN對應位置及數值

注：上表位置欄括號內數字表示測點編號

表2 4 kN對應位置及數值

注：上表位置欄括號內數字表示測點編號

同時在波峰波谷之間出現平緩的非線性平臺，且非線性平臺都出現在缺陷位置，如2 kN時對應的非線性平臺為8～10點區段以及20～22點區段，4 kN時非線性平臺出現在8～11點區段及20～22點區段.缺陷處的應力水平相對于其他部位要高得多，應力的增加會導致磁導率的變化，同時應力導致應變的增加，在局部應變較大的情況下，磁疇偏轉會進一步加劇，這就相當于在原有磁場的基礎上附加了一個磁場[13]，因此在這個部位磁記憶信號曲線會出現與相鄰部位不一樣的變化.

3.3 波峰波谷進一步加劇階段

隨著荷載的進一步增加，波峰波谷數值之差進一步加劇，在9點缺陷處仍然存在非線性段，而缺陷21點處已不是很明顯，同時波峰波谷位置發生變化，但總體趨勢相差不大(圖6)，其數值及位置如表3—表5所示.

圖6 5 ～7 kN對應磁記憶信號曲線Fig.6 The curve of magnetic memory signal at 5～7 kN

位置/mm數值/(A·m-1)位置/mm數值/(A·m-1)波峰80(n=12)-12.33155(n=23)-57.67波谷69.5(n=8)-79.33145(n=19)-114.67差值11671057

注：上表位置欄括號內數字表示測點編號

表4 6 kN對應位置及數值

注：上表位置欄括號內數字表示測點編號

表5 7 kN對應位置及數值

注：上表位置欄括號內數字表示測點編號

從表中可看到：不管是9點兩端的波峰波谷之差值還是21點兩端的波峰波谷之差值，都呈現單調遞增的趨勢，而波峰波谷位置距離則沒有明顯規律.荷載的進一步增加，磁記憶信號曲線規律性更加明顯，應力應變的增加導致應力能的增加，進而引發磁彈性能的增加，磁疇的翻轉及疇壁的位移加劇，磁化方向趨于穩定.因此3條磁記憶信號曲線走勢相同，規律明顯.

3.4 非線性段消失階段

荷載加至8 kN和9 kN后，波峰波谷間的非線性段消失，缺陷處表現出了良好的線性關系，同時波峰波谷數值之差進一步增大，間距也開始減小，兩條曲線走勢基本相同尤其是在21點缺陷處，磁記憶信號曲線出現重疊，這說明隨著應力的增加磁疇的翻轉及磁疇壁的位移已達到飽和(圖7).

值得注意的是當荷載達到9 kN后21點左右兩點正好為波峰波谷位置，根據下式計算梯度發現20到22三點間的梯度數值最大.分別為61.667×103A/m2和44.66×103A/m2.

(1)

8 kN和9 kN 時波峰波谷位置及數值如表6和表7.

表6 8 kN 對應位置及數值

注：上表位置欄括號內數字表示測點編號

表7 9 kN對應位置及數值

注：上表位置欄括號內數字表示測點編號

圖7 8 kN，9 kN對應磁記憶信號曲線Fig.7 The curve of magnetic memory signal at 8 kN，9kN

3.5 破壞后

試件最后在21點處破壞，表現為突然間的脆性破壞，最終破斷拉力為9.18 kN，此時的磁記憶信號只存在一組波峰波谷，即20點和21點，同時在21點處出現過零點現象，峰值的絕對值出現較大幅度的增長，曲線在端口兩端平滑(圖8).

圖8 破壞后磁記憶信號曲線Fig.8 The curve of magnetic memory signal after failure

4 分析與討論

4.1 試驗現象分析

磁記憶檢測的一般判別理論及標準認為：磁化強度與應力應變存在一定的關系[15]，在應力集中位置，較高的應力水平，會導致內部磁疇的排列以及磁化方向發生變化，這些重新取向的磁疇會使得外部漏磁出現規律性的特征，即法向分量Hp(y)過零點，而切向分量Hp(x)出現極值[14]，從各級荷載的磁記憶信號曲線來看，磁記憶信號基本為負值，只有在最后拉斷的磁記憶信號曲線中出現過零點，而由經典的磁偶極子模型也認為在應力集中處法向分量出現過零點.但這也僅是一種理想的判別技術，本次試驗采用豎向拉伸即試件方向為豎向放置，與地磁方向垂直，同時試件周圍的環境磁場是地磁與其他干擾磁場矢量合成的結果，因此其大小方向很難判斷，為減小誤差，測量前對儀器進行了歸一化處理，這本身就是一種簡化處理，而在實際應用中，磁場更為復雜，因此有必要找到一種適用于實際現場的判別手段(圖9).

圖9 應力分區Fig.9 Different stress distribution

磁記憶檢測技術可看成是一種漏磁檢測，但這種檢測技術又與被測構件的應力應變有關，應力應變小的部位其磁疇偏轉疇壁移動幅度輕微，而在應力應變較大的位置磁疇偏轉劇烈，分析鋼絲缺陷位置可將缺陷位置處劃分為三種應力狀態.

Ⅰ區為應力集中區，為應力最大部位，Ⅱ區為偏心受拉部位，Ⅲ區為無應力或應力微小部位，黑點為測量點，因磁記憶信號與應力存在對應關系，而Ⅲ區和Ⅱ區應力存在較大偏差，因此，其磁記憶信號也應存在差距，而從各級荷載的磁記憶信號曲線來看：在荷載很小的時候缺陷處的應力相差不大，但當荷載發展至一定階段各區應力出現偏差，此時磁記憶信號曲線缺陷處的波峰波谷現象明顯，同時缺陷處的磁記憶信號也恰好位于波峰波谷之間，即缺陷處的磁記憶信號與兩端波峰波谷的數值之差開始加劇，由于試驗鋼絲相較于探頭較細，因此測量存在一定偏差，但磁記憶信號曲線已經足以反應應力與磁記憶信號存在對應關系，同時根據法向分量過零點的判別依據可知，在應力集中部位磁記憶信號曲線存在單調遞減或遞增段，這也與試驗得到的磁記憶信號曲線相符.

4.2 基于磁記憶的鋼絲應力狀態判別技術

由上述分析可知：可通過不同部位磁記憶信號的差值對應這些部位的應力進行判斷，即梯度曲線可反映應力應變的對應關系，但由于磁記憶信號曲線在缺陷處存在非線性平臺，在此區段內的梯度數值較小，容易與其他處的梯度值產生混淆.僅僅是在最后8 kN，和9 kN時缺陷處的磁記憶信號的梯度值在21點最大，因此梯度曲線適合對最后頻臨破壞階段進行判別.考慮到應力與磁信號的對應關系，與其用缺陷處磁記憶信號與兩端波峰波谷分別做差，不如用波峰波谷數值之差來反映波峰波谷區段內的應力變化程度.

不考慮初始狀態即零載以及拉斷后的磁記憶信號，將2 ～ 9 kN對應缺陷處兩端的波峰波谷數值之差繪制成曲線如圖10.其中：

ΔHp(y)=Hp(y)c-Hp(y)t

(2)

Hp(y)c為波峰處磁記憶信號數值；Hp(y)t為波谷處磁記憶信號數值.

不管是9點處波峰波谷差值曲線還是21點處波峰波谷差值曲線，都呈現很好的增長趨勢，只有21點處的波峰波谷差值曲線在9 kN時出現下降，但下降量很小，兩條曲線均可分為三段，9點處的峰值差值曲線表現出很好的線性，可看成是三段折線組成，分界點為3點和6點，對應荷載為5 kN和8 kN，21點處的峰值差值曲線雖沒有很好的線性規律，但各段分界明顯，也可近似看做三段折線組成，分界點為4點和8點，對應荷載為6 kN和8 kN.觀察發現拉斷后21點處出現徑縮現象，應變突然增大，而9點處變化不大，應變的急劇增加，會進一步加劇構件內部缺陷的發展，晶格排列進一步錯亂，位錯加劇，這也會導致磁場的不規律變化，因此9點處的峰值差值曲線與21點處的峰值差值曲線會出現一定差異.

圖10 9點兩端對應波峰波谷差值曲線Fig.10 Difference curve of peaks and valleys corresponding the both ends at 9 point

圖11 21點兩端對應波峰波谷差值曲線Fig.11 Difference curve of peaks and valleys corresponding the both ends at 21 point

波峰波谷的差值曲線的三個階段可作為反應磁記憶信號發展的三個階段，根據實際需要可將三個階段的分界點作為控制點，若對試件的強度儲備要求高，可以將第一段和第二段的分界點作為一個預警值，若對試件的強度儲備要求不高者可將第二段和第三段的分界點作為預警點，這樣不僅可以對應某一荷載的應力應變狀況，還可以作為從零載到破壞整個加載階段的過程控制曲線.

因此磁記憶信號波峰波谷差值曲線可作為一種全過程的判別手段.

5 結論

(1)磁記憶信號曲線隨著荷載的增加，在缺陷處兩端出現波峰波谷現象，拉斷后在斷點處出現波峰波谷，同時磁記憶信號曲線在缺陷處出現非線性平臺，當荷載增加至8 kN時，非線性平臺消失.

(2)隨著荷載的增加波峰波谷的數值之差為遞增狀態，但在缺陷處沒有出現過零點現象，只有拉斷后才在斷點處出現過零點，因此過零點現象僅僅適用于破壞后的試件判別，很難作為整個受力過程的判別技術.

(3)可將波峰波谷差值曲線作為磁記憶檢測技術應用于鋼絲的判別手段，波峰波谷差值曲線可作為反應試件受力全過程的判別曲線.

(4)缺陷處不同部位的應力差距可通過磁記憶信號曲線的峰峰值做出反映.應力與磁記憶信號存在對應關系.

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