渦流檢測用于無粘結預應力鋼絞線護套厚度測量的試驗研究

王 威，牛曉波，蘇三慶，任廣超

(西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055）

近年來，隨著我國現代化進程，新建了大量的預應力工程項目.在無粘結預應力結構中主要應用了無粘結預應力鋼絞線，而無粘結預應力鋼絞線質量檢驗的重要一項是護套厚度檢驗，檢驗方法是用刀割開塑料管，分別用柴油洗清油脂、擦凈，然后用千分卡尺量取塑料管臂的平均厚度[1].由于上述檢驗方法較繁瑣，而且在體量超大的土木結構工程中，高空作業困難，難以實現.除千分尺、刻度尺等測量方法外，現有的測厚方法有超聲波、激光、放射性物質、磁性及渦流測厚.超聲波和放射性物質測厚方法不僅操作不便、成本較高，而且對人體的健康有一定危害；激光測厚方法是目前比較流行的測厚方法，已被廣泛地應用于輕工、汽車、機械、鋼鐵、橡膠等行業，但其成本較高，并且因不適合高空和空曠作業，無法滿足土木工程中體形龐大的建筑測厚需求；磁性測厚方法適用于測量鐵磁性材料表面的非鐵磁覆蓋層，但測量厚度較薄，包括非導電的漆層、陽極氧化膜、琺瑯層和銅、鉻、鋅的鍍層等；而渦流檢測既可以對非鐵磁性材料表面的絕緣覆蓋層厚度進行測量，又可以對磁性導電體進行測厚，但是后者的準確度無法保證，需進行試驗驗證.

本文進行了利用渦流對無粘結預應力鋼絞線覆蓋層厚度的測量試驗，目的是找到一種不用撥開塑料管就能檢測護套厚度的測量方法，無需用千分尺，為了驗證該方法的可行性，所以將此方法測得結果與游標卡尺所測結果進行了對比.其不僅為混凝土預應力工程中的無粘結預應力鋼絞線護套厚度檢測提供了一種新的方法，而且為建筑鋼結構高空中不宜測量的拉索、鋼梁等構件的涂層、腐蝕層厚度測量奠定了一定的實驗基礎.

1 渦流檢測技術

1.1 渦流定義及應用特點

渦流定義是：將通有交流電的線圈置于待測的金屬板上或套在待測金屬構件外，這時線圈內及其附近將產生交變磁場，使試件中產生旋渦狀的感應交變電流，這種感應交變電流被稱為渦流[2].當下渦流檢測技術已被廣泛用于厚度檢測和缺陷探傷，渦流檢測儀器也有很大的發展.渦流無損檢測技術具有靈敏度高、檢測速度快、非接觸等特點.

1.2 渦流感應探頭測厚原理

電磁渦流法測厚可分為兩大類，一類是基體金屬上膜層厚度測量；另一類是金屬板、箔、管壁等的厚度測量.渦流測厚原理為：將傳感器探頭放置在需測厚的部位，傳感器前置器中高頻振蕩電流通過延伸電纜流入探頭線圈，在探頭頭部的線圈中產生交變的磁場.當被測金屬體靠近這一磁場，則在此金屬表面產生感應電流，與此同時該電渦流場也產生一個方向與頭部線圈方向相反的交變磁場，由于其反作用，使頭部線圈高頻電流的幅度和相位得到改變（線圈的有效阻抗），通過前置器電子線路的處理，將線圈阻抗的變化，即頭部體線圈與金屬導體的距離的變化轉化成電壓或電流的變化，輸出信號的大小隨探頭到被測體表面之間的間距而變化，電渦流傳感器就是根據這一原理實現對金屬物體的厚度的測量[2-6].

電導率、磁導率是影響渦流透入深度和渦流分布密度的兩個重要因素.渦流標準透入公式為：

式中：δ為標準透入深度，m；f為工作頻率，Hz；為真空磁導率，，單位是H/m；為相對磁導率，無量綱常數；σ為電導率，單位是S/m.

通過式(1)可知電導率和磁導率的平方根與渦流透入深度成反比，對于鐵磁性材料，是一個隨磁化強度變化的量，即使在飽和磁化條件下依然是一個較大數值的量，因此在鐵磁性材料檢測時往往選擇較低的檢測頻率，以保證渦流在被測試件中達到的適當的透入深度.

另外，應用渦流方法對覆蓋層實時測量之前，除了要合理選定工作頻率、適用范圍外，還要依據被測覆蓋層材料，制作標準試片.標準試片主要有兩類：一類是不帶有基體的薄膜（片），這類標準試片可覆蓋在各種制件的集體上；另一類是帶有基體的標準試片，這類試片的覆蓋層與基體結合為一體.標準試片的選取也影響檢測結果的準確性.在測量帶有曲面的試件上的覆蓋層厚度時，標準試片的曲率應該與試件的曲率相同[11].

2 試驗方案及測量的方法與步驟

2.1 試驗材料

選用預應力工程中常用的無粘結預應力鋼絞線，公稱直徑為15.20 mm，其護套為兩種不同顏色，原料為擠塑型高密度聚乙烯樹脂，屬于非導電的絕緣材料，如圖1所示.

圖1 試驗試件Fig.1 Experimental specimen

這些無粘結預應力鋼絞線的護套出廠標準厚度為1.5 mm且標準試片的曲率與被測試件的相同.按照護套顏色的不同，將鋼絞線分為兩組，每組各三根.其中黑色護套為A組，試件編號為A1、A2、A3，試件表面沿長度方向均布選定五個測量面；綠色護套為B組，試件編號為B1、B2、B3，試件表面沿長度方向均布選定六個測量面.兩組試件中每個測量截面均沿環向均布選定五個測點.

2.2 檢測儀器

此試驗檢測儀器為EMS2003磁記憶/渦流檢測儀，試驗采用其渦流檢測功能，其技術參數為：兩個獨立檢測頻率，可擴展至八個頻率；頻率范圍：64～5 MHz；快速高精度/數字式電子平衡；增益：高通0～90 dB，每檔0.5 dB；數字濾波：高通0～500Hz，低通10～10 kHz；自動/手動幅度和相位測量；獨創的非等幅相位/幅度報警；存儲獨立的檢測程序；阻抗平面圖及帶式曲線顯示；渦流圖形可存儲、回放、分析和打印；厚度測量范圍為0～10 mm.

圖2 渦流探頭固定方法與固定位置Fig.2 Eddy current probe fixed method and fixed position

試驗采用的探頭為點式渦流探頭，探頭最佳使用頻率范圍為500 kHz～2 MHz，編號為EPB 2.J0.20.為確保探頭的中心線與鋼絞線的中心對齊，將探頭固定在臨時制作的檢測支架上，支架由方形木板和等腰直角三角板組成.將等腰直角三角板垂直粘結在方形木板上，并將木板中心線與三角板的中心線對齊，如圖2所示，測量時，將三角板的中心線與測點對齊，探頭垂直固定在此處.

2.3 試驗步驟

(1)對2組6根鋼絞線進行編號，并在其A組（黑色護套）試件表面標定5個測量截面，B組（綠色護套）試件表面6個測量截面，每個測量截面上有五個測點.

(2)利用游標卡尺測量每根鋼絞線塑料護套的厚度，測量選定的測量截面，先測無護套處，再測有護套的，后者再減前者，再除以2，即此測量截面處的厚度.

(3)利用EMS2003磁記憶/渦流檢測儀渦流檢測功能檢測每個測點處鋼絞線護套厚度.

2.4 標定

根據EMS2003磁記憶渦流檢測儀操作指南，護套厚度標定過程如下：

(1)打開儀器，連接探頭，調節參數.參數調整為：“高通截止頻率”：關，頻率500 kHz左右、前置15、驅動1；“100%表示數”調節為6 mm（利用游標卡尺已測定鋼絞線護套標準厚度為1.5 mm，四層）.一般來說，在其它檢測條件和參數相同的條件下，頻率越小，滲透深度越大，故選擇探頭最佳使用頻率范圍的最小值500 kHz，標準護套及標準試塊如圖3所示.

圖3 標準護套及標準試塊Fig.3 Sheath and standard test block

(2)根據試塊涂層厚度的測量方法，把探頭垂直放在無護套的鋼絞線部位上，按“平衡”鍵，提離探頭使得探頭遠離試塊，停止檢測；進入擴展分析，測量出信號變化幅值（探頭從無涂層的基材上到空氣中的信號變化幅值）；試片1、2、3、4……依次放在試塊上，并分別測試信號變化幅值（基準點為探頭放置在空氣中的信號所處位置，分別測量出涂層為1.5、3.0、4.5、6 mm時的渦流信號變化幅值），表1為測量數據.

表1 信號變化幅值Tab.1 Variable amplitude of the signal

(3)在做標定曲線時，需要將上述渦流信號變化幅值轉換一下.轉換方法是用提離后的渦流信號變化幅值146，分別減去上表中的信號變化幅值，轉換后的渦流信號變化幅值見表2，轉換后的渦流信號變化幅值以基材無涂層時的渦流信號所處位置（平衡點）為基準點.

表2 標定信號幅值Tab.2 Calibration signal amplitude

(4)制作標定曲線：如圖4所示.

圖4 標定曲線Fig.4 Calibration curve

打開“檢測—調試—標定—功能1”，“X1—Y1標定方式”選擇“插值（幅度）”；按“功能2”，將上表中的數值輸入到儀器內；按“功能3”顯示標定曲線，確認正確后按返回鍵退出當前狀態.

2.5 測厚

先將探頭放在無涂層處按“平衡”，然后將點式探頭放在試件測點上（參數中的“深度、厚度”打開）.

其次再用游標卡尺測量無粘結預應力鋼絞線護套的厚度.

3 試驗數據處理與分析

3.1 試驗數據的處理

(1)取渦流測量的每個截面五個測點厚度的平均值，對所有截面的厚度平均值再取平均值.

(2)取游標卡尺測定的兩組不同顏色護套厚度平均值.

3.2 數據分析

(1)測量數據分析

EMS2003磁記憶/渦流檢測儀對A、B組試件測量的截面厚度值分別如圖5～6所示.

圖5 A組試件各截面厚度值Fig.5 Each cross section thickness value of group A specimen

圖6 B組試件各截面厚度值Fig.6 Each cross section thickness value of group B specimen

觀察圖5、圖6中試驗數據可知，兩組試件各個截面護套厚度值都不同，但檢測結果的差值很小.A組試件中護套截面厚度差值最大為0.166 mm，存在于A3試件檢測結果中；B組試件中護套截面厚度差值最大為0.160 mm，存在于B2試件檢測結果中.

游標卡尺、EMS2003磁記憶/渦流檢測儀對A組試件測量的護套厚度平均值分別如圖7所示.

圖7 A組試件結果Fig.7 The results of group A specimen

由圖7兩條線相比整體趨勢一致，且每個試件數據相差不大，由此可知，游標卡尺、EMS2003磁記憶/渦流檢測儀對A組每根試件測量的試驗結果相近，接近標準厚度1.5 mm，且差值相近.對于A組試件，渦流測厚方法所得結果有較高的精度.

游標卡尺、EMS2003磁記憶渦流檢測儀對B組試件測量的護套厚度平均值分別如圖8所示，兩條線整體趨勢一致，且每個試件數據相差不大，并且與A組試件所得結果相近，均大約厚1.5 mm，并且兩種測量方法對B組試件所得結果的差值也相近.對比圖7和圖8數據可知：三根A組試件中兩種測量方法所得結果差值最大值為0.036 mm，三根B組試件差值最大值為0.033 mm,差值都較小，因此，利用EMS2003磁記憶/渦流檢測儀的渦流檢測功能，對無粘結預應力鋼絞線護套厚度進行測量的方法有一定的精度.

圖8 B組試件結果Fig.8 The results of group B specimen

(2)測量精度及穩定性分析

為了驗證渦流檢測外裹層厚度的測量方法的準確度，對渦流所測厚度進行了誤差分析，其中參數d，表示渦流檢測厚度相對游標卡尺檢測厚度的誤差，lk表示游標卡尺測量值，ly表示EMS2003渦流檢測功能的測量值，按公式（2）計算：

利用公式（2）得到試件的誤差如圖9所示，其中渦流檢測A組試件護套厚度最大誤差為2.3%，渦流檢測B組試件護套厚度的最大誤差為2.2%，因此說明了渦流檢測方法的精確性和實用性.

圖9 測量結果誤差Fig.9 The error of measurement results

為了驗證測量結果的穩定性，利用數理統計方法對渦流所測厚度進行方差分析.其中參數F代表方差，li代表第i個測量截面渦流檢測的平均厚度，la代表EMS2003渦流檢測試件的平均厚度，n代表試件的測量截面個數.有：

圖10 測量結果的方差Fig.10 The variance of measurement results

圖10為利用公式（3）所得方差，其中渦流檢測A組試件的護套厚度的最大方差為0.004 5，渦流檢測B組試件的護套厚度的最大方差為0.002 5.兩組試件的方差都很小，說明測量穩定性較好，無粘結預應力鋼絞線的電導率、磁導率比較均勻.

3.3 討論

在利用渦流檢測無粘結預應力鋼絞線護套厚度的過程中發現此方法有一定的缺點：檢測結果易受探頭晃動及移動影響，顯示屏上的結果易發生變化，這主要是因電渦流檢測系統通常存在的集膚效應和邊緣效應引起的.集膚效應指導線內部實際電流很小，電流集中在臨近導線外表的一薄層，結果使它的電阻增加，導線的電阻增加，使它的損耗功率也增加；邊緣效應是指線圈上的磁場是向各個方向伸展的,當線圈達到被測試件邊緣時，渦流將發生變化[7-10].這兩個效應將對系統檢測精度及穩定性帶來不利影響，因此在對鋼絞線或鋼絲繩等鋼絲捻起的復雜構件進行渦流檢測時應規范操作，減少誤差.在一般項目之中，沒有游標卡尺等準確且穩定的尺寸檢測工具時，在進行無粘結預應力鋼絞線護套的厚度檢測時，EMS2003磁記憶/渦流檢測儀的渦流檢測功能可以測出較為準確的結果，但須規范操作，防止渦流檢測系統的不穩定因素影響.

規范操作的建議：一是為了是磁導線垂直穿過電線圈，渦流探頭應垂直放置，避免影響測量的穩定性；二是標準試片選取時，標準試片的厚度應與試件覆蓋層厚度一樣或相近，這樣會增強結果的準確性；三是被測試件的電、磁特性應具有良好的均勻性.

4 結論

(1)在無法利用游標卡尺等手段進行準確測量時，可利用渦流檢測無粘結預應力鋼絞線護套厚度，該方法誤差很小，精度較高.

(2)渦流檢測無粘結預應力鋼絞線護套厚度的檢測結果方差小，說明渦流檢測穩定性較高，試件的磁導率均勻.

(3)在檢測操作中，應注意渦流探頭垂直放置，標準試片的選取應與試件覆蓋層厚度相同或相近，被測試件的電、磁特性應具有良好的均勻性.

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