鋼橋疲勞裂紋幾何特征對渦流檢測信號影響規律研究

張立發,袁周致遠,吉伯海,龐 根

河海大學土木與交通學院

0 引言

鋼橋因其受力性能優越、跨越能力強,已成為大跨徑橋梁最主要的結構類型,廣泛應用于公路、鐵路橋梁中。隨著已建成鋼結構橋梁服役年限的增長,不少正交異性鋼橋面板中已經出現大量疲勞裂紋,直接威脅到鋼橋結構的受力安全,疲勞損傷維護工作面臨的壓力也越來越大[1-2]。目前,針對鋼橋面板疲勞裂紋缺陷無損檢測方法主要以超聲波檢測為主,已取得較好的應用效果[3-5]。超聲波檢測時需要涂抹耦合劑貼近鋼橋表面進行檢測,但由于橋面鋪裝層的存在,檢測工作難以開展,所以亟需一種無需接觸鋼橋面板且快速有效的無損檢測方法,在初步檢測的基礎上采取有效措施對鋼橋疲勞裂紋進行精確檢測,為后續采取何種措施提供依據。

渦流檢測是一種基于電渦流效應的“非接觸式”的無損檢測方法,具有靈敏度高、線性度高、檢測速度快、簡單可靠且能連續進行測量等特點[6],因此廣泛應用于鐵路、航空等領域的缺陷檢測[7-8],而且在一定條件下,檢測信號可提供裂紋長度、寬度等幾何特征的信息。已有很多學者使用渦流檢測技術對鋼板等鋼結構構件上的缺陷進行檢測。張衛民等[9]研制了一種線圈陣列式電渦流傳感器,能夠有效檢測鋁板上的微小裂紋;范欽磊等[10]對軌道車輛車體焊縫內部缺陷進行渦流檢測實驗,結果表明渦流檢測技術能夠有效檢測軌道車輛鋁合金板焊縫內部缺陷;張國才等[11]針對渦輪葉片缺陷設計了PECT檢測系統,分析了不同激勵、內徑線圈、頻率等參數對檢測信號特征的影響;張東利等[12]研究激勵線圈存在提離效應時渦流分布場的變化情況,發現線圈的傾角對檢測信號的影響,上述研究在檢測試件表面以及近表面的缺陷取得了良好的檢測結果。宋凱等[13]建立了鋼管飽和磁化下的渦流檢測數值計算模型,研究構件磁導率特性與渦流檢測信號對渦流檢測信號幅值和相位的作用機制,并分析了檢測線圈參數、被測試件磁導率等對檢測信號的影響,但是目前針對缺陷長度等幾何特征對檢測信號影響的研究相對較少。

為了研究鋼橋裂紋幾何特征對檢測信號的影響規律,本文設計了橫向掃查式渦流檢測實驗平臺,通過對帶有不同幾何特征裂紋的鋼板試件進行掃查實驗,實現疲勞裂紋的有效檢出,分析了裂紋長度、寬度、深度與檢測信號幅度變化值之間的關系。并建立了鋼橋裂紋渦流檢測的有限元仿真模型,驗證了渦流檢測方法的可靠性,為后續對鋼橋疲勞裂紋長度、深度和寬度進行定量分析提供依據。

1 疲勞裂紋檢測基本原理

鋼橋疲勞裂紋渦流檢測原理如圖1所示。渦流檢測探頭由激勵線圈和霍爾傳感器組成,在對鋼橋面板進行檢測時,向激勵線圈中通入交變電流,線圈附近空間會形成原生交變磁場。由法拉第電磁感應定律可知,當鋼橋面板處在此交變磁場中時,其表面會形成閉合回路的感應渦流,同時會產生原磁場相反的感生磁場,抵消部分原生磁場[14-15]。由于為低頻電磁場,假設位移電流密度可忽略,則鋼板產生的這種電磁現象可以用麥克斯韋方程組進行解釋:

(1)

圖1 疲勞裂紋渦流檢測原理示意圖

式中:H為磁場強度,A/m;J為線圈傳導電流場,A/m2;Jp為平面導體渦流場,A/m2;D為電位移矢量,C/m2;E為電場強度,V/m;B為磁感應強度,T;ρ為電荷體密度,C/m3。

由式(1)可知空間磁場由通電線圈產生的原生磁場和鋼板導體渦流產生的感生磁場組成,其中由鋼板導體渦流產生的感生磁場中包含了裂紋缺陷信息。通過對鋼橋面板進行橫向移動掃查,當鋼橋面板出現裂紋時,裂紋位置處渦流場的強度和分布情況會發生改變,從而影響裂紋上方的感生磁場,通過將霍爾元件置于線圈與試件中間,連續采集磁場強度信號,對磁場信號進行分析,可判斷有無裂紋存在,并通過分析信號變化幅度進一步分析判斷裂紋的尺寸大小。

霍爾傳感器工作的基本原理是霍爾效應[16],霍爾元件通以恒定電流I,在垂直外加磁場B的作用下,霍爾元件內部的電子在洛倫茲力的作用下發生偏轉,形成霍爾電壓VH,即:

(2)

式中:RH為霍爾系數;d為霍爾元件厚度;n為載流子濃度;q為電子電荷;ρ為電阻率;μ為電子遷移率。

由式(2)可以看出霍爾電壓VH與磁感應強度B成線性關系,因此可以通過霍爾傳感器的感應電壓確定空間磁場的強度大小。

2 疲勞裂紋渦流檢測實驗

2.1 渦流檢測實驗平臺

搭建由信號發生器、功率放大器、霍爾傳感器、特斯拉計和數據采集模塊組成的渦流檢測實驗平臺,如圖2所示。通過信號發生器產生脈沖激勵信號,激勵信號通過功率放大器后驅動探頭線圈,產生交變磁場,從而使帶裂紋鋼板試件上產生渦流場,形成感生磁場,再由霍爾探頭接收原生磁場和感生磁場疊加磁場信號,將其轉變為電壓信號傳輸給特斯拉計,再與計算機建立通訊,由LabVIEW軟件搭建的信號采集模塊進行數據實時顯示、采集以及儲存工作。

(a)檢測平臺示意圖

脈沖渦流對線圈的瞬時激勵功率大,單次激勵獲得的缺陷信息多,對裂紋的檢測能力優于正弦渦流[17]。實驗所用激勵頻率為1 kHz,電壓幅值為25 V,占空比為50%的脈沖信號。所用激勵線圈為一種空心圓柱形結構,其外徑為40 mm,內徑為20 mm,線圈高度為25 mm,線徑為0.7 mm,匝數為578匝,實驗過程中保持線圈參數不變。

2.2 試件設計

為研究裂紋長度、寬度和深度特征對檢測信號的影響規律,試件分為2類,材料均采用Q345鋼板,共4塊試件,采用線切割方式預制22個不同幾何特征裂紋。試件1和試件2用以研究裂紋長度對檢測信號的影響,尺寸均為700 mm×400 mm×16 mm,每塊試件鋼板沿長度方向上于中心位置加工3個槽型裂紋缺陷;試件3和試件4用以分析裂紋寬度和深度特征對檢測信號的影響情況,尺寸為900 mm×100 mm×35 mm,每塊試件沿長度方向加工8個槽型裂紋缺陷,裂紋尺寸位置見圖3,裂紋尺寸參數見表1。

表1 疲勞裂紋尺寸參數 mm

(a)試件實物圖

2.3 磁感應強度幅度變化值

探頭沿試件長度方向掃查4塊鋼板試件,采集得到如圖4所示的磁感應強變化趨勢圖。信號波峰處極大值點為裂紋所在位置的磁感應強度值,對信號平穩段取平均值作為鋼板無裂紋位置處的磁感應強度值,磁感應強度幅度變化值為裂紋位置檢測的磁感應強度與無裂紋位置檢測的磁感應強度差值,磁感應強度幅度變化值越大,則裂紋檢測效果越明顯。對22條裂紋處磁感應強度信號幅度變化值進行計算,并以此來分析研究裂紋缺陷尺寸特征參數變化對檢測信號的影響。

圖4 磁感應強度變化曲線

2.4 不同長度裂紋實驗結果及分析

針對試件1和試件2,實驗中1～6號不同長度裂紋處的磁感應強度幅度變化值與裂紋長度的關系如圖5所示。

圖5 不同長度裂紋實驗結果

通過對比圖5中裂紋檢測實驗結果可知,裂紋所引起的磁感應強度幅度變化值與缺陷長度成正相關,且受裂紋長度變化影響較大,當裂紋長度由60 mm增加至100 mm時,裂紋引起的磁感應信號幅度變化值增加1倍,且裂紋長度超過100 mm后增速明顯變緩,信號幅度增大20%。這是由于鋼板表面的感生渦流場為環形流動狀態,裂紋長度越長,對渦流流動的阻礙就越大,磁感應強度幅度變化值就越大;并且因為渦流是由強到弱從中心點向四周擴散,離中心越遠處渦流越弱,所以遠處裂紋對渦流阻礙就越小。

2.5 不同寬度裂紋實驗結果及分析

針對試件3和試件4,分析7～22號裂紋實驗結果,對比不同寬度情況下的裂紋所引起磁感應強度幅度變化值,將其繪制成曲線如圖6所示。磁感應強度幅度變化值受寬度影響較小,總體呈現增長趨勢,當缺陷寬度從0.2 mm增長至1.0 mm時,磁感應強度幅度變化值增大約25%。

圖6 不同寬度裂紋實驗結果

2.6 不同深度裂紋實驗結果及分析

以裂紋深度為研究對象,分析7～22號裂紋實驗結果,對比不同深度情況下的裂紋所引起磁感應強度幅度變化值,將其繪制成曲線如圖7所示。

圖7 不同深度裂紋實驗結果

由圖7可知,輸出磁感應強度幅度變化值受深度影響較大,磁感應強度幅度變化值隨著缺陷深度增加呈現正增長趨勢,且磁感應強度幅度變化值增長速率逐漸變緩,每增加5 mm磁感應強度幅度變化值平均增加量依次為5.53 μT、5.24 μT和2.90 μT。這是由于在平面導體中,渦流密度大小隨著與導體表面距離的增加呈指數降低,越深處裂紋對渦流的阻礙就越小。

3 渦流檢測有限元仿真

3.1 疲勞裂紋三維仿真模型

為了進一步驗證裂紋幾何特征對檢測信號影響規律的可靠性,本文利用COMSOL Multiphysis仿真軟件中的“AC/DC”模塊建立了鋼橋面板疲勞裂紋渦流檢測三維仿真模型,如圖8所示。

圖8 三維仿真模型

在所建模型中,用到的線圈參數、激勵參數與實驗一致。仿真模型試件材料為Q345鋼,設置被測板材的電導率為3.06×107S/m,相對磁導率和介電常數為1?？諝馓庪妼试O置為0.1 S/m,相對磁導率和介電常數為1。共有4塊帶裂紋鋼板,其尺寸大小及裂紋尺寸均與實驗一致,仿真模型見圖9所示。

(a)試件1、2

以4塊試件為研究對象,通過參數化掃描手段,模擬實驗中檢測探頭以一定速度沿著垂直于缺陷長度方向移動進行裂紋檢測,仿真研究不同長度、寬度、深度特征裂紋的檢測信號特征,得到圖10所示的磁感應強度變化曲線圖。其中橫軸為掃查過程中線圈的位置,縱軸為探頭所采集到的磁感應強度。仿真模型可以得出無裂紋處與裂紋存在位置的磁感應強度值變化情況,并通過計算得到22條裂紋處的磁感應強度變化值。

圖10 磁感應強度變化曲線

3.2 不同長度裂紋仿真結果

以試件1和試件2為研究對象,得到不同長度裂紋的仿真結果,將實驗中1～6號不同長度裂紋處的磁感應強度幅度變化值實驗結果與仿真結果進行對比,如圖11所示。

圖11 不同長度裂紋實驗結果與仿真結果對比

從圖11中可以看出裂紋長度小于80 mm時,磁感應強度幅度變化值隨著裂紋長度的增加而增大,裂紋長度增加至80 mm后,信號幅度變化值整體上呈波動增長趨勢,但增速明顯放緩。鋼板表面有效渦流場范圍約為線圈探頭直徑的2倍,探頭檢測磁感應強度幅度變化值的變化趨勢與實驗結果基本一致。

3.3 不同寬度裂紋仿真結果

針對試件3和試件4,仿真研究不同寬度裂紋的檢測信號特征。檢測探頭沿垂直于缺陷長度方向移動進行參數化掃描,得到探頭掃查不同寬度裂紋處磁感應強度的仿真結果,并繪制磁感應強度幅度變化值隨裂紋寬度變化曲線和磁感應強度幅度變化值隨裂紋深度變化曲線,見圖12。

圖12 不同寬度裂紋仿真結果

由圖12可知,仿真結果可以反映裂紋寬度的變化對裂紋掃查信號的影響,隨著裂紋寬度的增加,裂紋磁感應強度幅度變化值逐漸增大,大致成線性變化。當裂紋寬度從0.2 mm增大到1.0 mm時,4種不同深度情況下,磁感應強度幅度變化值平均增加15.50 μT。

3.4 不同深度裂紋仿真結果

依據試件3和試件4仿真結果,繪制磁感應信號幅度變化值隨裂紋深度變化曲線,見圖13。

圖13 不同深度裂紋仿真結果

由圖13可知,隨著裂紋深度的增加,裂紋磁感應強度幅度變化值逐漸增大;且裂紋深度為5～20 mm時,每增加5 mm磁感應強度幅度變化值平均增加量分別為7.56 μT、4.26 μT和3.68 μT,呈現遞減趨勢。其中,裂紋寬度為0.2 mm時,裂紋寬度較小,在裂紋處網格劃分存在差異,導致檢測數據存在誤差,但整體與章節2得到的實驗結果具有較好的一致性。

4 結束語

本文通過搭建鋼橋疲勞裂紋渦流檢測實驗平臺,移動掃查了4塊帶裂紋鋼板試件,得到了不同長度、深度和寬度的裂紋缺陷掃查磁感應強度信號曲線,分析研究了鋼橋不同幾何特征疲勞裂紋對磁感應強度幅度變化值的影響規律;并建立有限元仿真模型,模擬渦流掃查裂紋過程,驗證了鋼橋面板疲勞裂紋渦流檢測結果可靠性。結論如下:

1)渦流檢測技術能夠實現多條不同幾何特征鋼橋面板疲勞裂紋缺陷的實時定位檢測,檢測圖像效果清晰,能有效檢測到尺寸最小為長度60 mm、寬度0.2 mm、深度5 mm的表面疲勞裂紋缺陷。

2)磁感應強度幅度變化值隨裂紋長度增大而增大,當裂紋長度超過線圈直徑的2倍范圍后,由于鋼板表面渦流的擴散性,增長速率逐漸降低;裂紋寬度對磁感應強度幅度變化值影響基本成線性關系,裂紋寬度由0.2 mm變化至1.0 mm時,磁感應強度幅度變化值增大約25%,裂紋寬度影響效果不顯著。

3)裂紋缺陷深度越深,磁感應強度幅度變化值越大。隨著裂紋深度增加,由于渦流密度逐漸減小,磁感應強度幅度變化值增長速率減緩。