元壩氣田懸索橋吊索體系檢測強度評估

蔡鎖德，文曉龍，華小濤，劉 鵬，王 強（．中國石化　西南油氣分公司，四川　閬中6700；．甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，蘭州70070；．渤海裝置遼河重工有限公司，遼寧盤錦00；．寧夏鍋爐壓力容器檢所，銀川70000；．榆林市特種設備設備檢驗所，陜西榆林79000）

元壩氣田懸索橋吊索體系檢測強度評估

蔡鎖德1，文曉龍2，華小濤3，劉 鵬4，王 強5
（1．中國石化西南油氣分公司，四川閬中637400；2．甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，蘭州730070；3．渤海裝置遼河重工有限公司，遼寧盤錦124010；4．寧夏鍋爐壓力容器檢所，銀川750000；5．榆林市特種設備設備檢驗所，陜西榆林719000）①

通過對元壩氣田懸索橋中的吊索體系進行現場弱磁檢測，并對收集的吊索參數信息進行整理、分類；根據現場檢測的有效截面積當量損失，評價了吊索體系拉伸剩余強度。得到吊索體系中受損最嚴重的吊索的拉伸剩余強度為1 646 M Pa，滿足懸索橋的強度要求。

吊索體系；剩余強度；弱磁檢測法

吊索體系作為懸索橋中最薄弱的環節，它的力學性能及其安全性決定了整個懸索橋的安全與壽命。元壩氣田屬于超高含量H2S氣田，且C O2含量也很高，所以對于氣體泄漏的控制要求極其嚴格。管線經過長時期的使用，可能導致懸索結構腐蝕和疲勞的累積，如果吊索的應力過大、應力變化不均勻、管線變形、塔基礎及邊坡狀況變化等，會影響懸索橋和酸氣管線的安全運行。橋梁的吊索體系是大跨懸索橋的重要組成部分，由于吊索結構相對于其它構件十分纖細，在較高應力的長期作用下，吊索成為整個結構體系中對損傷最為敏感的構件。通過檢測懸索橋的吊索，并對其剩余強度進行評估，確保管線懸索橋的安全性。

1 檢測方法及原理

對吊索鋼絲繩進行損傷檢測的方法有人工檢測法、磁檢測法、放射線檢測法、聲發射檢測法；其中，磁檢測法一直是檢測鋼鐵工件的首選方法。鋼絲繩絕大多數采用導磁性能良好的高碳鋼制成，很適合于利用電磁檢測法進行檢測，同時磁檢測法具有成本較低，易于實現等優點。

本次現場檢測將使用T C K便攜式鋼絲繩探傷儀檢測，它是運用“磁場空間矢量合成”的原理，通過檢測鋼絲繩上的磁場變化，來得到鋼絲繩的損傷面積，并且應用現代斷裂力學方法，建立其失效概率計算方程和吊索系統疲勞失效方程，考慮構件腐蝕后進行吊索系統安全剩余疲勞強度的評估計算。

檢測原理為：鋼絲繩被磁化后，在鋼絲繩內部產生主磁感應強度Bz，在鋼絲繩表面產生主漏磁感應強度Bz1。Bz1與缺陷磁感應強度方向相反，傳感器對磁感應強度進行綜合處理時，用補償磁感應矢量Bb來抵消主漏磁感應強度Bz1。檢測某點傳感線圈捕捉到的磁感應強度矢量，是鋼絲繩外該點各種磁感應強度矢量沿軸向分量的矢量和，即：

Bs＝Bz1＋Bb＋Bh＋By＋Bd＋Bm＋

式中：Bs為傳感線圈捕捉到的磁感應強度；Bz1為主漏磁感應強度；Bb為補償磁感應強度；Bh為環境磁感應強度；By為偏移磁感應強度；Bd為斷絲漏磁感應強度；Bm為磨損漏磁感應強度；Bx為銹蝕漏磁感應強度；Bp為疲勞漏磁感應強度；Bb為變形漏磁感應強度；Bn為第n個磁感應強度矢量；Bi為任何缺陷磁感應強度。

實驗表明：傳感線圈的輸出信號U是Bs的函數，缺陷當量ΔS又是U的函數。U＝F（Bs）ΔS＝F（U）

式中：U為傳感線圈輸出的電壓信號。

式中：ΔS為缺陷當量或損耗面積的百分比數；A為比例系數（由實驗所得）；C為常數。

鋼絲損傷點的面積損耗值ΔS變成了場強Bi的函數。

用TC K便攜式鋼絲繩探傷儀進行檢測之后，將得到鋼絲繩的此波形圖及損傷報告，由此我們就可以知道：線纜的損傷形式，損傷位置，損傷量值，斷絲當量。可以定量判斷鋼絲繩金屬有效截面積當量損失，再結合鋼絲繩原始的抗拉強度，就可以得到鋼絲繩的剩余強度。

2 檢測過程

2．1 檢測設備

檢測采用便攜式鋼絲繩檢測儀，型號為TCKB X55型鋼絲繩弱磁檢測儀，包括弱磁加載儀和弱磁檢測儀2部分，如圖1所示。左邊為弱磁加載儀，右邊為弱磁檢測儀；此檢測儀可檢測最大直徑為?56mm的繩索，滿足現場吊索?26 m m鋼絲繩內外部斷絲、疲勞、磨損和銹蝕等缺陷的檢測。

圖1 TCKB X55型鋼絲繩弱磁檢測儀

2．2 檢測方案

在元壩氣田的現場，由于懸索橋的吊纜數目眾多，根據懸索橋設計及受力理論分析結果，并依據相關標準，只對表觀檢測異常和懸掛鋼絲繩應力較大部位進行抽檢。

2．2．1 表觀檢測

1） 表觀檢測在白天進行，從鋼絲繩兩側同時觀察，目檢時的速度不應超過0．5 m／s，主要觀察有腐蝕的線纜。

2） 檢查時，應采用對鋼絲繩沒有損傷的機械方法清除鋼絲繩表面的污物，以防止其阻礙檢測。

3） 可用無損探傷代替目檢，但對受力比較大部位或已出現損傷的部位還應目檢。

2．2．2 弱磁抽檢

控制截面的設計內力包括加勁梁控制截面的彎矩與剪力、主纜的軸力、索塔控制截面的軸力、彎矩，吊桿的軸力，橋面系的應力等。

相應的應變觀測內容為加勁梁支點、L／8、L／4、 3L／8、跨中、5L／8、3L／4、7L／8截面的撓度以及上述觀測點在偏載情況下的扭轉角和橫橋向位移，加勁梁跨中截面、L／8截面、索塔控制截面的應變，索塔塔頂的水平位移、控制吊桿的軸力、最大索股索力、主纜的表面溫度、橋面系的工作性能等。

對輸氣管線橋梁吊索鋼絲繩檢測時，有PE層破損等目檢問題點進行重點檢測，并對鋼絲繩彎矩、剪力大的點，例如懸索橋1／4、3／8、跨中及對稱點處的風纜及吊纜進行抽檢。

2．3 檢測流程

T C K B X系列鋼絲繩探傷儀對鋼絲繩檢測包括三部分：弱磁加載、弱磁檢測和檢測數據處理及打印檢測報告。

1） 弱磁加載。

手持弱磁加載儀，扣動解鎖扳機使儀器適度張開，先將一半儀器的導向輪與鋼絲繩對位，輕輕合上另一半，先不鎖死，沿鋼絲繩來回推動儀器，確保鋼絲繩已經準確地被導向輪包圍，并且能夠平穩地沿鋼絲繩滑動，然后鎖緊儀器，使弱磁加載儀勻速在鋼絲繩上移動，走完整根鋼絲繩后卸載弱磁加載儀。

2） 弱磁檢測。

在使用弱磁加載儀，對吊索進行弱磁加載后，再在加載儀加載過的方向上鎖緊弱磁檢測儀，先在鋼絲繩完好段對選定3個點對檢測儀器進行標定，然后手持弱磁檢測儀勻速沿鋼絲繩移動，整根鋼絲繩檢測數據存儲到弱磁檢測儀中。

3） 檢測數據處理及檢測結果。

檢測完所選的鋼絲繩后，通過弱磁檢測儀導出檢測數據，并對檢測數據進行分析處理，對鋼絲繩缺陷進行定位、定性和定量分析，最后得出檢測結果。

3 檢測數據及數據分析

3．1 檢測數據

由T C K弱磁檢測儀得出關于元壩氣田懸索橋吊索的相關數據，可用鋼絲繩檢測曲線來表示，該曲線是檢測儀用來描繪鋼絲繩的損傷位置與鋼絲繩金屬有效截面積當量損失百分比的一個二維坐標圖。由檢測可得，在70根線纜的檢測數據中，懸索橋中第20根吊索發現損傷比較嚴重，在一條吊索的不同位置發生了不同形式，大小不一的損傷量值，如圖2所示。圖中的橫坐標表明了鋼絲繩的損傷位置，而縱坐標表明了鋼絲繩的損傷量值，這樣的二維坐標圖形象、直觀地表達了鋼絲繩的損傷狀況。

圖2 懸索橋第20根吊索檢測曲線

由于此吊索長度為21．82 m，檢測時將其檢測曲線分為3段，以便能更清晰更具體地找到鋼絲繩的損傷位置及其損傷量值。除去在鋼絲繩開始端和終端1 m范圍內的磁極區，將鋼絲繩的相關數據進行了統計，如表1所示。

表1 懸索橋第20根吊索損傷序列表

表1反映了鋼絲繩損傷處的損傷形式，損傷位置，損傷量值，斷絲當量等。通過表1可以發現第20根吊索中，受損最嚴重的損傷點在第13點，位置位于14．42 m處，其損傷量值達1．42%。因此，對此根吊索的剩余強度進行評估。

3．2 數據分析

懸索橋采用PES5 37斜拉橋熱擠聚乙烯拉索，PES5 37是由37根5m m的鍍鋅鋼絲絞制的斜拉橋熱擠聚乙烯拉索。根據CJ3058—1996《塑料護套半平行鋼絲拉索》計算，可得PES5 37的拉伸強度為1670M Pa。通過查閱相關資料和相關試驗得出，隨著鋼絲繩有效截面積的變化會引起吊索剩余強度的變化，即有效截面積與剩余強度基本上呈線性關系。可通過得到的鋼絲繩拉伸強度及鋼絲繩損傷（鋼絲繩有效截面積），對鋼絲繩的剩余強度進行評估，即剩余強度＝拉伸強度×（1－鋼絲繩金屬有效截面積當量損失的百分比）。由現場檢測數據可得，吊索的最大損傷在懸索橋第20根吊索中的從下到上的14．42 m處，其損傷量值達1．42%。

對此危險點作剩余強度評估：

危險點剩余強度為

1 670×（1－1．42%）＝1 646 M Pa。

得出最危險點的拉伸剩余強度為1 646 M Pa，滿足懸索橋的抗拉要求。

4 結論

通過弱磁檢測法對元壩氣田管線懸索橋的吊索進行損傷檢測，得到鋼絲繩金屬有效截面積當量損失，然后利用吊索的剩余強度與有效截面積當量損失線性相關關系，結合弱磁檢測的現場數據，對吊索體系的拉伸剩余強度進行評估。經檢測，元壩氣田的管線懸索橋吊索中，損傷最嚴重的第20根吊索拉伸剩余強度為1 646 M Pa，滿足懸索橋的抗拉要求，故懸索橋吊索安全。

［1］ 周孟波．劉白明．王邦桅．懸索橋手冊［M］．北京：人民交通出版社，2003．

［2］ 戴曉棟．章鎮橋斜拉索防護及使用壽命分析［J］．公路交通技術，2007（4）：80 82．

［3］ 徐俊．拉索損傷演化機理與剩余使用壽命評估［D］．同濟大學，2006．

［4］ 黃躍平．青明．姜益軍，等．拉索局部腐蝕檢測與評估分析［J］．腐蝕科學與防護技術，2006，18（2）：132 135．

［5］ 楊少軍．橋梁拉索體系損傷的檢測和監測方法［［J］．公路交通技術，2005（3）：130 134．

［6］ 張家輝．在役纜索自動檢測［J］．無損檢測，2006，25 （2）：99 101．

［7］ 張勇．磁漏檢測若干關鍵技術的研究［D］．中國科學技術大學，2007．

T E973

B

10．3969／j．issn．1001 3842．2015．06．023

1001 3482（2015）06 0095 03

①2015 1 5

蔡鎖德（1964 ），男，河北晉縣人，高級工程師，主要從事油氣田地面工程建設管理工作。