分享：斜拉桥索的全截面漏磁检测

斜拉桥索是桥梁结构中用来支撑桥面板的斜拉钢索，作为桥梁的重要受力部件，斜拉桥索的状态关乎桥梁整体的安全。作为长期服役的部件，其容易因雨水渗入老化破损的护套表面而出现内部腐蚀、断丝等问题，给桥梁安全带来隐患。 

斜拉桥索直径一般在50 mm以上，长度在100 m以上。如何对斜拉桥索进行缺陷检测一直是桥梁运行维护中的工程技术难题。漏磁检测法是斜拉桥索损伤检测的有效手段。桥索在被磁化的过程中，缺陷位置与无缺陷位置钢索的磁导率相差较大，使得磁力线在缺陷处发生泄漏形成漏磁场，通过磁敏元件对被测部位进行扫查即可获取缺陷信息[1]。俄罗斯INTRON PLUS公司研发的钢索无损检测装置[2]利用漏磁检测原理，在检测过程中，强磁体使钢索磁饱和，然后通过霍尔元件检测钢索的断丝和截面缺失缺陷。但大直径钢索检测装置的质量可能高达200 kg，且强磁对钢丝绳具有很强的吸附力，在检测过程中移动阻力较大，易引入干扰信号。CHRISTEN等[3-4]设计了基于漏磁原理的斜拉桥索检测仪器，并提出了一种基于偶极子模型的定位方法，利用该漏磁检测仪对东南亚某大桥68根直径为121~167 mm的斜拉桥索进行了检测试验，结果发现该仪器能够实现桥索缺陷的轴向定位与缺陷在横截面位置的定性分析。但该仪器采用的励磁电流高达100 A，长时间通电情况下线圈发热严重，难以应用于实际工程检测。 

SINGH等[5]利用巨磁阻（GMR）开发了一款基于马鞍形励磁的12通道漏磁传感器，对直径64 mm钢索表面轴向和周向断丝型和截面缺失型缺陷均具有较好的检测能力，但其单次扫查可覆盖的周向角度有限。JOMDECH等[6]设计了多个小线圈串联组成的线圈传感器，用于检测磁通在法向上的变化，最小可以检测出宽度为1 mm，深度为2 mm的表面缺陷，但无法检测内部缺陷。LIU等[7]提出了一种偏置脉冲磁化新方法，基于漏磁原理研制了钢索缺陷检测传感器，设计了柔性可拆装的励磁线圈，使用单个隧道磁阻和感应线圈实现了钢索索体表层缺陷与内部3根以上断丝缺陷的检测。杨宁祥等[8]通过建立三维磁偶极子模型分析了断丝缺陷的空间漏磁场分布，采用-6 dB阈值法确定了漏磁场的有效扩散角，进而确定了95 mm直径钢索环形阵列漏磁传感器磁敏元件的最少数量，研制了适用于斜拉桥索表面断丝缺陷检测的漏磁阵列传感器，在提离距离为8 mm的条件下实现了对钢索的扫描成像和定位。ZHANG等[9]利用HMR2300型磁强计对直径35 mm的平行钢丝束进行了12条路径的扫查检测，每条路径间隔30°，实现了对平行钢丝束表面缺陷的轴向和周向定位。郭建美等[10]通过仿真和试验发现平行钢丝束的填充状态对表层缺陷漏磁场具有弱化效应。YAN等[11]研发了一款轻便型高能脉冲励磁磁弹仪，磁弹仪利用大容量电容储能，通过IGBT（绝缘栅双极晶体管）实现快速充电和放电，该励磁方式可用于漏磁检测。 

当前斜拉桥索缺陷检测普遍采用漏磁检测方法，但桥索大多包覆HDPE（高密度聚乙烯）保护套，造成提离距离增大，缺陷更难检出[12]。另外，护套破损可能引起磁敏元件提离波动，导致缺陷误检[13]。目前关于工程检测中护套破损导致漏磁检测信号变化的研究较少。由于平行钢丝拉索的直径较大且结构复杂，适用于表面缺陷的传感器检测深度有限而无法检测出内部缺陷，适用于内部缺陷的传感器检测效率较低、功耗大，故需要发展一种省时高效的检测方法。文章设计了一款基于直流和脉冲励磁的漏磁检测传感器并搭建了试验平台，试验结果表明，该检测系统既可实现表层缺陷的定位，也可实现内部缺陷的检出。 

1.   桥索缺陷检测系统

1.1   基于直流和脉冲励磁的桥索漏磁检测传感器

钢索的直径较大（文章中使用的模拟桥索直径为95 mm），且钢索表面和内部都可能出现缺陷。励磁场强度是决定检测深度的关键，表面缺陷的检测采用常规的直流励磁即可实现，但内部缺陷的检测依赖于较强的励磁场。由于永磁体励磁结构笨重，现有钢索漏磁检测时以电流励磁方式为主。但通常线圈激励电流为几安培，不足以对钢索进行饱和磁化。若想通过直流线圈激励强磁场，激励电流需达到几十甚至上百安培，但会导致线圈严重发热。工程中发现斜拉桥索的内部缺陷多集中在表面已有缺陷的附近，故可先利用小直流励磁方式对钢索表面钢丝进行励磁，配合高灵敏度的磁敏元件检测平行钢丝拉索的表面缺陷；再利用脉冲励磁将钢索瞬间磁化至近饱和阶段，配合感应线圈对表面存在缺陷的附近区域进行内部缺陷检测，其缺陷检测流程图如图1所示。高压脉冲具有产生瞬时超高能量的特点，可以使钢索瞬时饱和，且相比持续工作的直流励磁，脉冲励磁能有效解决线圈发热问题。 

图  1  斜拉桥索全截面缺陷检测流程图

直流励磁漏磁检测原理如图2所示，通过施加稳定的1 A直流信号至励磁线圈，由法拉第电磁感应定律可知，励磁线圈内部会产生方向与斜拉桥索轴向平行的磁场，从而对桥索索体表层钢丝进行磁化，再应用霍尔元件等磁敏元件沿斜拉索扫查实现桥索表层缺陷的检测。针对大直径斜拉桥索需要较强励磁场的特点，采用线性区间较大的EQ-730L型霍尔元件（线性工作范围为±15 mT，灵敏度为130 V/T），能够在保证检测灵敏度的同时适应更广范围的磁场区间。由于在8 mm提离距离下单个霍尔元件的有效检测角度为11.3°，阵列式漏磁传感器周向至少需要布置32个霍尔元件。半环形霍尔阵列结构示意如图3所示，其由16个霍尔元件、FPC柔性电路板与骨架组成。将两个半环结构对称安装于阵列式漏磁传感器内，可实现桥索表层缺陷的周向覆盖检测。 

图  2  直流励磁漏磁检测原理示意

图  3  半环形霍尔阵列结构示意

对于斜拉桥索内部缺陷，布置在桥索表面的磁敏元件距离缺陷较远，同时外层钢丝对内部缺陷处产生的漏磁场具有屏蔽效应，导致磁敏元件难以对内部缺陷漏磁场进行探测。为解决该问题，需要施加更强的励磁场，增强内部缺陷的漏磁场强度，才有可能利用桥索表面的磁敏元件检测到更深层的缺陷。脉冲磁化作为一种新型励磁方式，其检测原理如图4所示，与直流励磁的不同之处在于其施加在励磁线圈上的是幅值与频率可调的脉冲信号，能够在瞬时产生超高能量而将索体饱和磁化。在无缺陷处，索体的磁导率是均匀的，而存在内部缺陷的索体处的磁导率与磁阻会发生变化。采用脉冲激励时，利用感应线圈即可检测索体主磁通量变化，从而判断是否存在内部缺陷。 

图  4  脉冲励磁漏磁检测原理示意

桥索内部缺陷采用多个感应线圈组成圆周阵列的形式进行检测，感应线圈能够将脉冲磁化时的磁感应强度转化为电压信号。每个通道感应线圈由多个矩形单元线圈串联而成，能够对轴向、径向与切向三个方向的磁通分量进行测量，单元线圈内部固定放置了一根铁芯以增加感应磁场强度。每通道感应线圈输出信号幅值与经过单元线圈的磁通密度呈正相关，而单元线圈的阵元数量需要兼顾内部缺陷检出能力与圆周方向的分辨率，减少其数量能够提升周向分辨率，但同时感应电压幅值将会减小，对缺陷检出能力与检测深度产生影响。综合考虑选用由8个矩形单元线圈串联而成的通道，其中每个单元包含800匝密绕线圈和铁芯，感应线圈阵列布置如图5所示。 

图  5  感应线圈阵列布置示意

用于斜拉桥索检测的漏磁传感器由霍尔阵列、感应线圈阵列、骨架、励磁线圈、导轮机构、支撑结构组成（见图6）。传感器励磁线圈采用带状柔性扁平排线绕制而成，由平行双环通过连接器并联构成类亥姆霍兹线圈，排线宽度为50 mm，绕制层数为15层，通过线圈的电流方向一致，能够在桥索中心处产生相对较为均匀的磁场。 

图  6  阵列式漏磁传感器结构示意

1.2   桥索缺陷检测试验平台搭建

漏磁检测试验平台主要由“工”字型扫描架、步进电机、阵列式漏磁传感器、示波器等组成。扫描架上位机软件采用LabVIEW软件编写，包含步进距离与运动速度设置窗口以及电机旋转方向选择按钮，能够实现扫描架双向不同速度、距离的运动控制。控制箱内的运动控制核心为Arduino UNO单片机，上位机通过VISA串口与单片机通信，通过电机驱动器实现扫描架导轨末端的8线步进电机旋转方向、速度与步进距离的控制，扫描架搭载阵列式漏磁传感器能够进行匀速直线运动，进而实现对模拟桥索试件的检测。漏磁检测试验平台结构如图7所示。 

图  7  漏磁检测试验平台结构示意

2.   桥索缺陷漏磁检测试验

2.1   提离波动条件下的漏磁检测试验

在研究提离波动对缺陷漏磁检测信号的影响之前，在无干扰因素下进行索体缺陷的检测试验以提供参考基准。首先在直径7 mm的单根钢丝试件上，利用线切割加工技术在钢丝表面加工具有不同尺寸的凹槽缺陷（见图8）。共设置5处凹槽宽度均为1 mm的缺陷，对其编号为A~E，深度从1~5 mm（步长为1 mm）逐渐增大，缺陷之间的距离设置为200 mm。试验中，采用带圆孔的有机玻璃模具，在其内部放置57根钢丝（材料为15#钢），将缺陷钢丝置于索体表层。扫查过程中将单个霍尔元件放置于距离缺陷正上方10 mm的位置处，励磁电流大小设定为0.8 A。使用所搭建的试验平台对上述缺陷钢丝进行扫查试验，设置检测速度为0.04 m·s-1，采集并存储检测信号。 

图  8  凹槽缺陷钢丝放置位置示意

断面缺陷与护套内凹结构错位布置，将深度分别为1，2，3，4 mm的护套内凹结构依次放置于4 mm深度与3 mm深度缺陷之间（见图9），设置完成后，采用阵列式漏磁传感器对其进行检测。另外，对于外凸型护套破损，将高度分别为0.5~3 mm（步长为0.5 mm）的护套外凸结构依次放置于深度为4 mm和3 mm的缺陷之间，使用漏磁检测试验平台以0.04 m·s-1的速度对其进行匀速扫查。 

图  9  护套内凹结构示意

2.2   桥索全截面缺陷检测试验

在平行钢丝拉索的表面加工宽度为1 mm，深度为2，3，4，5 mm和宽度为2 mm，深度为2，3，4，5 mm的两根缺陷钢丝，为模拟内部缺陷出现在表面缺陷附近，在同一截面设计了表面和内部缺陷。在深度分别为5，4，3 mm的三个表层缺陷截面上设置不同类型的内部断丝缺陷，缺陷位置如图10所示。1#缺陷为位于15°和195°方向，深度为5 mm的表层缺陷及位于135°和315°方向的多根断丝，2#缺陷为位于15°和195°方向，深度为4 mm的表层缺陷和位于桥索中心的多根断丝缺陷，3#缺陷为位于15°和195°方向，深度为3 mm的表层缺陷以及位于90°和270°桥索第二层的单根断丝缺陷，利用上文提到的漏磁扫查系统对钢索全断面缺陷进行扫查检测。 

图  10  平行钢丝拉索全截面缺陷位置示意

首先，利用直流激励，激励电流设为1 A，扫描平台搭载32通道霍尔阵列漏磁传感器对钢索进行扫查，扫查速度设为0.07 m·s-1，采样频率设为1 kHz。对表面缺陷进行分析后，再利用脉冲激励方式检测表面缺陷附近的内部缺陷。激励电压设为400 V，用4通道线圈阵列传感器对钢索进行定点检测，在钢索表面每隔5 mm设立一个定点，共设置45个扫查点。 

3.   试验结果与讨论

3.1   提离波动对漏磁信号的影响

钢丝表层相同宽度不同深度缺陷的漏磁检测结果如图11所示，可以看出：阵列式漏磁传感器相对缺陷钢丝移动时，由（B~E）4个缺陷引起的漏磁信号能被检出，呈现为4个单极性的信号波形；而深度为1 mm的A缺陷引起的漏磁信号未被检出；缺陷（B~E）引起的漏磁信号峰值随深度的增加而增大。 

图  11  钢丝表层相同宽度不同深度缺陷的漏磁检测结果

不同深度护套内凹处的漏磁检测信号如图12所示，可见，随着内凹深度的增加，特征信号幅值呈逐渐增大趋势。这是由于阵列式漏磁传感器经过护套内凹结构时，霍尔元件相对索体发生了提离距离的变化，从而出现类似于缺陷漏磁信号的干扰信号。图13所示为不同高度护套外凸结构处的漏磁检测信号，可以看到外凸结构产生的霍尔信号与内凹型处的相反，且其信号谷值随着外凸高度的增加呈逐渐增大趋势，但由于该信号与缺陷信号幅值方向相反， 故在检测时能够及时识别出护套外凸结构引起的干扰。 

图  12  不同深度护套内凹处漏磁检测信号

图  13  不同高度护套外凸结构处的漏磁检测信号

由于内凹型护套缺陷对漏磁检测信号会造成干扰，引起误检，故需要对其进行识别或抑制。通过加装视觉检测模块能够较好地识别护套破损从而减少误检率。另外，由于外凸高度与干扰信号的幅值呈正相关关系，通过测距的方式可以较为精确地评估干扰信号的位置和大小，从而为缺陷和护套破损重叠型信号提供解耦方法。 

3.2   缺陷检测结果分析

霍尔阵列传感器扫查桥索全断面缺陷的结果如图14所示，可以发现霍尔阵列传感器能检出表面凹槽缺陷，说明直流激励的励磁深度有限，仅表层钢丝缺陷的漏磁场能够被霍尔阵列传感器接收到，而内部钢丝磁化强度不够，导致缺陷的漏磁场被外层钢丝屏蔽而无法被检测到。护套内凹结构产生了与缺陷漏磁信号类似的干扰信号，测距模块在相应位置同样产生脉冲信号，两类信号出现在同一位置表明该处的霍尔信号变化由护套破损引起，应当剔除。 

图  14  霍尔阵列传感器扫查桥索全截面缺陷的结果

线圈阵列传感器的检测结果如图15所示，线圈阵列传感器的信号在三个缺陷截面位置有明显增加。在1#缺陷位置，线圈传感器4个通道信号都有增加，其中通道A和通道D的信号大致相同，且比通道B和通道C的幅值大，表明通道A和通道D之间即315°方向可能存在位于2，3层的多根断丝，而通道B和通道C检测到的是位于135°方向上的多根断丝且数量小于315°方向的，由于通道B比通道C检测到的信号幅值更大，推断缺陷更偏向通道B一侧。 

图  15  全截面缺陷线圈阵列传感器检测结果

在2#缺陷位置，4个通道信号都有增加，幅值大小接近且均大于单根断丝幅值，可以推断出缺陷应为距离表面较远的中心断丝，且断丝数量较多。 

在3#缺陷位置，有B和D两个通道的信号有明显增加，说明内部缺陷存在于线圈传感器B和D两个通道下方即90°和270°方向，且断丝缺陷可能存在于桥索的第二层或第三层，综合1#缺陷信号来看，其为第二层单根断丝的可能性较大。但在以上三个截面的表层凹槽缺陷位置，线圈传感器各通道的信号均无明显增加，说明线圈传感器对于表面凹槽这种小缺陷不敏感。 

4.   结论

文章针对斜拉桥用平行钢丝拉索缺陷检测的工程问题，设计了基于直流和脉冲励磁的漏磁扫查平台，研究了护套损伤引起的信号干扰问题，针对桥索全断面缺陷扫查及检测定位难题进行试验，得到的主要结论如下。 

（1）直流励磁适用于检测平行钢丝拉索表面缺陷的快速检测，脉冲励磁能对钢索进行瞬间饱和磁化从而达到检测内部缺陷的目的。根据钢索缺陷的分布特点不同，先利用直流励磁对钢索表面缺陷进行快速扫查，在出现表面缺陷的截面位置附近进行脉冲定点扫查，检测钢索的内部缺陷，这是一种省时有效的检测方式。 

（2）护套内凹结构会导致霍尔元件输出与缺陷漏磁信号幅值、频率相近的脉冲信号，而护套外凸结构与之相反。利用视觉模块识别护套缺陷，结合测距模块测量护套周向变形，可以帮助识别干扰，减少护套破损引起的误检。 

（3）霍尔阵列传感器能够较好地识别桥索表面缺陷的大小和位置，但难以检出桥索的内部缺陷；线圈传感器也可以清楚地分辨不同类型的内部多处断丝缺陷，但对于表面凹槽的小缺陷并不敏感。利用双环配合的阵列传感器可以对表面小缺陷和内部缺陷进行分辨，并可以确定缺陷沿圆周方向的区域位置。

文章来源——材料与测试网