橋梁主纜斷絲漏磁檢測系統研制

歐陽權, 孫令司, 武新軍

(華中科技大學機械科學與工程學院, 武漢 430074)

近年來,中外橋梁坍塌等事故頻繁發生,造成了嚴重經濟損失與人員傷亡。缺少專業、有效的檢測手段是導致橋梁事故發生的重要原因[1]。懸索橋作為特大跨徑橋梁的主要形式,應用廣泛。主纜作為懸索橋最重要的承重和傳力構件,長期處于高應力狀態,受到動荷載和復雜環境的共同作用,服役幾年后會出現鋼絲疲勞和腐蝕等問題,導致主纜承載能力下降,使用壽命降低[2-3]。目前主纜檢測常用的檢測方法是開纜目視法[4],檢測時檢修人員乘坐主纜檢修車沿主纜開纜檢測[5-6]。英國對福斯橋、亨伯特橋以及塞文橋等橋的主纜進行開纜檢測,發現主纜內的鋼絲腐蝕嚴重,對橋梁的服役造成巨大的安全隱患[7-9]。辛付開等[10]和陳小雨等[11]分別對中國某服役18年懸索橋主纜以及緬甸某服役25年的在役懸索橋主纜進行開纜檢測,主纜鋼絲沿主纜徑向由外向內腐蝕程度依次降低。根據檢測結果,主纜鋼絲腐蝕主要出現在表層與近表層,而越往內層腐蝕程度逐層減弱,因此對于主纜表層與近表層的缺陷檢測尤為重要。

開纜目視法雖然檢測精度高,但是檢測工作需要檢修人員在高空完成,工序復雜、成本高、效率低,危險系數高并且會對主纜產生損傷。因此,研究一種安全的、無損的主纜檢測方法是必要的。漏磁無損檢測方法作為常規無損檢測方法之一,具有檢測精度高的優點。目前,漏磁檢測在橋梁拉索、工業管道以及儲罐底板等鐵磁性構件的檢測中應用廣泛[12-17]。然而,橋梁主纜直徑大、主纜鋼絲與纏絲正交布置的特殊結構給漏磁檢測提出了新挑戰。鑒于此,在有限元仿真驗證主纜斷絲漏磁檢測方法可行性的基礎上,研制主纜斷絲漏磁檢測系統。該系統采用WIFI通信技術,可在地面上由操作人員使用計算機完成對主纜的遠程檢測,實時顯示并存儲信號,便于操作人員對信號進行分析與處理。

1 主纜漏磁檢測分析

典型懸索橋主纜主要由主纜索股、膩子、纏繞鋼絲以及涂料裝飾組成,如圖1(a)所示,其中主纜索股由主纜鋼絲集束而成,用于承載,而膩子、主纜纏絲以及涂料裝飾構成主纜防護系統[18]。一般來說,主纜鋼絲采用高碳鋼材料制作,而主纜纏絲則由中碳鋼制作,二者均屬于鐵磁性材料,因此漏磁檢測可以適用于主纜檢測。但與一般鋼絲繩和拉索檢測相比,主纜直徑更大,一般大于300 mm,從而使得磁化更加困難;主纜纏絲對主纜鋼絲斷絲的漏磁場屏蔽效應,使得漏磁場更加微弱,增加信號測量難度。

圖1 主纜結構示意圖與漏磁檢測簡化模型Fig.1 Schematic diagram of main cable and simplified model of magnetic flux leakage detection

分析可知,采用漏磁檢測方法檢測主纜斷絲時,考慮到主纜斷絲試樣制作成本高,因此采用COMSOL Multiphysics軟件進行仿真并分析主纜斷絲磁場信號。漏磁檢測應用于主纜時,首先根據材料是否具有鐵磁性,主纜漏磁檢測模型可簡化為主纜鋼絲、主纜纏絲以及防腐層。其次,由于主纜直徑大,相對于寬度較小的磁化器,主纜表面可近似為平面,因此主纜模型可進一步簡化為平板模型。此外,由于主纜缺陷更集中于表層與近表層,因此平板模型中布置單層主纜鋼絲來模擬主纜最外層鋼絲,最終得到主纜漏磁檢測簡化模型如圖1(b)所示。基于該簡化模型,建立圖2所示的有限元模型,模型中包括磁化器與主纜兩部分。其中主纜鋼絲總長度為400 mm,寬度為200 mm,斷絲位置設置在200 mm處,斷絲寬度為10 mm,橫向纏繞鋼絲總長度為200 mm,寬度為400 mm。永久磁鐵采用汝鐵硼永磁體,矯頑力為876 400 A/m;銜鐵采用高磁導率的工業純鐵,銜鐵和鋼絲的磁化曲線如圖3所示。防腐層厚度為5 mm,由于防腐層材料不具有鐵磁性,因此不對防腐層建模,但仍然保留防腐層所占空間。在距纏繞鋼絲表面7 mm的位置,沿主纜鋼絲軸向設置檢測路徑,檢測路徑總長度為50 mm。有限元仿真結束后,提取檢測路徑上的磁感應強度的軸向分量Bx進行分析。

圖2 主纜漏磁檢測仿真模型Fig.2 Simulation model of main cable MFL detection

圖3 主纜鋼絲和銜鐵磁化曲線Fig.3 B-H curve of main cable wire and armature

為研究斷絲缺陷漏磁場分布特征,分別建立無斷絲、1根斷絲、3根斷絲以及5根斷絲時仿真模型,得到相應的Bx信號如圖4(a)所示,其中無斷絲磁場信號作為背景場信號。由于背景場與斷絲漏磁場信號疊加在提取的磁場信號中,難以分辨漏磁場信號,因此為消除背景場的影響,將斷絲磁場信號減去無斷絲磁場信號,得到不含背景場的漏磁場信號,如圖4(b)所示。由圖4(b)可知,1根斷絲信號峰峰值只有0.7 mT,3根和5根斷絲信號非常明顯,分別達到3.1 mT和5.2 mT,5根斷絲的漏磁場信號峰值約為3根斷絲的1.67倍,該仿真表明漏磁檢測可用于主纜檢測。

圖4 漏磁場信號Fig.4 Magnetic leakage signal

2 主纜檢測系統

根據前述仿真分析,設計主纜檢測系統結構框圖及實物照片如圖5所示。如圖5(a)所示,根據模塊化的設計思想,可將主纜檢測系統劃分為驅動模塊、傳感模塊、信號處理模塊、WIFI通信模塊、無線路由器以及計算機中信號分析軟件。驅動模塊實現檢測系統運動控制與空間定位功能。傳感模塊實現主纜磁化,以及獲取主纜表面漏磁場并將磁信號轉換成電信號功能。信號處理模塊實現信號采集、放大、濾波等功能。WIFI通信模塊實現運動控制與信號采集等命令發送以及檢測信號接收功能。無線路由器組建局域網,建立WIFI通信模塊與計算機中信號分析軟件之間的網絡通道。信號分析軟件通過路由器與WIFI通信模塊建立通信,進而控制驅動模塊運動以及信號處理模塊采集信號,實時顯示檢測信號波形,最后對信號進行存儲與分析。如圖5(b)所示,檢測系統實物包括檢測系統主機、路由器以及計算機。下面分別從硬件和軟件方面對其實現過程加以論述。

圖5 檢測系統框圖及實物照片Fig.5 Block diagram of detection system and photo of real objects

2.1 硬件研制

硬件開發主要包括驅動模塊、傳感模塊、信號處理模塊研制以及WIFI通信模塊選型。驅動模塊需要實現檢測系統的運動控制以及空間定位功能。驅動模塊主要由運動控制電路、電機以及編碼器組成。檢測系統采用WIFI通信技術,WIFI通信模塊向驅動模塊發送運動控制命令實現檢測模塊的運動控制。驅動模塊中的運動控制電路接收到運動控制命令后,控制電機兩端電壓分別為+24 V、-24 V或0 V,進而實現檢測系統的正向、反向運動以及停止,為了確保系統運動的穩定性,為每一組輪子配備一臺電機。檢測系統在檢測過程中,需要實時定位,采用旋轉編碼器獲取位置信息。

傳感模塊實現主纜磁化,以及提取被測對象表面漏磁場并將磁信號轉換為電信號的功能。傳感模塊結構如圖6所示,其組成部分包括磁化器與磁感裝置,磁化器將主纜磁化,磁感裝置提取主纜表面漏磁場信號并將磁信號轉換為電信號。

圖6 傳感模塊結構圖Fig.6 Diagram of sensor module

磁化器由磁鐵與銜鐵組成,磁鐵選擇汝鐵硼永磁體,為獲取主纜表面漏磁場并將其轉換為電信號,磁感裝置中安裝有體積小、靈敏度高且性能穩定的霍爾元件。在霍爾元件兩側布置高磁導率的聚磁片,提高霍爾元件檢測范圍并均化漏磁場信號。

信號處理模塊包括通道選擇電路、放大器、濾波器、數據采集器以及現場可編程邏輯門陣列(field programmable gate array, FPGA)等,如圖7所示。通道選擇電路對各通道信號進行劃分。對于局部急劇變化的信號,采用交流放大器,消除信號中低頻或直流分量。對于變化緩慢的信號,采用直流放大器。放大后的信號經過濾波器消除干擾噪聲后到達數據采集器。同時,檢測時驅動模塊中的編碼器會將位置信號發送給數據采集器。數據采集器將漏磁場模擬信號以及位置信號轉換為數字信號后傳入FPGA。FPGA負責控制數據采集器工作并將采集到的數字信號發送至WIFI通信模塊。

圖7 信號處理模塊結構框圖Fig.7 Block diagram of signal processing module

WIFI通信模塊實現運動控制與信號采集等命令發送以及檢測信號接收功能。檢測系統開始檢測前,將計算機中信號分析軟件與WIFI通信模塊通過路由器建立連接,進而向信號處理模塊發送采集信號指令,向驅動模塊發送運動指令。檢測過程中,信號處理模塊將采集的信號通過WIFI通信模塊發送至信號分析軟件。結束檢測時,信號分析軟件通過WIFI通信模塊向信號處理模塊發送停止采集命令,向驅動模塊發送停止運動命令。WIFI通信模塊選用WizFi210模塊,WizFi210提供超低功耗無線片上系統和串口轉WIFI的嵌入式軟件來增加WIFI功能。模塊支持的數據速率可達到11 Mbps,與802.11b兼容。

2.2 軟件開發

主纜檢測系統信號分析軟件基于Windows環境,使用C++進行開發,其總體框圖如圖8所示。

圖8 信號分析軟件總框圖Fig.8 Block diagram of signal analysis software

根據主纜漏磁檢測的需求,信號分析軟件主要分為運動控制、數據采集以及數據分析3個功能模塊,實現的主要功能有電機運動控制、空間位置信息獲取、檢測參數設置、數據采集控制、數據顯示與保存、數據讀取與顯示以及斷絲情況分析等。電機運動控制功能控制檢測系統在主纜上爬行。空間位置信息獲取功能實現斷絲的精確定位。檢測參數設置功能設置被測主纜信息、信號通道選擇、信號波形顯示參數以及空間采樣間隔等內容。數據采集控制功能控制檢測系統中數據采集器啟動或停止。數據顯示與保存功能實現信號波形的實時顯示以及檢測信號的存儲。數據讀取與顯示功能實現讀取已獲取數據文件,并顯示信號波形。缺陷情況分析功能完成對檢測信號的分析,獲取相關斷絲信息。信號分析軟件界面如圖9所示,其中前4個通道顯示交流放大器放大信號,后4個通道顯示直流放大器放大信號,由于檢測系統中只接入3個傳感模塊,因此軟件中只有交流通道1～3(CH1～CH3)以及直流通道5～7(CH5～Ch7)中信號發生變化。

3 實驗

3.1 實驗室實驗

為驗證上述主纜檢測系統性能,搭建如圖10(a)所示實驗平臺,該平臺模擬簡化的主纜模型。檢測時,檢測系統主機放置在實驗平臺上,實驗平臺最上層鋪設厚度5 mm的環氧板模擬防腐層,中間層鋪設焊接制作的直徑4 mm橫向主纜纏絲,最下層平行鋪設單層直徑5 mm主纜鋼絲。斷絲設置在檢測裝置檢測路徑下方主纜鋼絲處,斷絲寬度1 cm,斷絲根數分別為1根、3根以及5根,典型斷絲信號如圖10(b)所示。可以看出,1根斷絲的漏磁信號峰值過小,無法分辨,3根與5根斷絲漏磁信號峰峰值分別為2.4 mT與4.2 mT。將多次檢測得到的斷絲漏磁場信號峰峰值進行平均,得到5根斷絲的漏磁信號峰峰值約為3根斷絲信號峰值的1.7倍,與仿真結果相符。

圖10 實驗平臺及斷絲信號Fig.10 Experimental platform and of broken wire signal

3.2 現場實驗

為驗證系統在實際主纜上的檢測能力,在武漢古田橋上進行了現場實驗。古田橋主纜直徑為406 mm。檢測系統現場安裝如圖11(a)所示。在計算機中使用信號分析軟件對主纜進行檢測,并控制系統沿主纜上下運動,得到的信號如圖11(b)和圖11(c)所示,并沒有檢測到斷絲信號。考慮到古田橋于2015年正式運營通車,主纜中鋼絲出現斷絲的概率較小,因此檢測信號基本符合實際情況。

圖11 現場實驗照片及檢測信號Fig.11 Photo of field experiment and detection signal

4 結論

通過有限元仿真研究主纜漏磁檢測的可行性,并基于仿真結果,采用模塊化設計思路,研制出橋梁主纜斷絲漏磁檢測系統。通過仿真分析、實驗室實驗與現場應用得出以下結論。

(1)該檢測系統可檢測出主纜試樣中表層鋼絲中3根以及5根斷絲缺陷,且具有無線控制和爬行功能,自動化程度高,便于現場操作。

(2)該檢測系統無法檢測出表層鋼絲中1根斷絲缺陷以及更深層次的斷絲缺陷,未來工作的重點是提高檢測系統的分辨力以及更深層次斷絲的檢測能力。

(3)研究工作證明了主纜斷絲漏磁檢測的可行性,將為橋梁纜索檢測提供一種新手段。