橋梁主纜斷絲漏磁檢測系統(tǒng)研制

歐陽權(quán), 孫令司, 武新軍

(華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院, 武漢 430074)

近年來,中外橋梁坍塌等事故頻繁發(fā)生,造成了嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡。缺少專業(yè)、有效的檢測手段是導(dǎo)致橋梁事故發(fā)生的重要原因[1]。懸索橋作為特大跨徑橋梁的主要形式,應(yīng)用廣泛。主纜作為懸索橋最重要的承重和傳力構(gòu)件,長期處于高應(yīng)力狀態(tài),受到動荷載和復(fù)雜環(huán)境的共同作用,服役幾年后會出現(xiàn)鋼絲疲勞和腐蝕等問題,導(dǎo)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(jìn)行開纜檢測,發(fā)現(xiàn)主纜內(nèi)的鋼絲腐蝕嚴(yán)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(jìn)行開纜檢測,主纜鋼絲沿主纜徑向由外向內(nèi)腐蝕程度依次降低。根據(jù)檢測結(jié)果,主纜鋼絲腐蝕主要出現(xiàn)在表層與近表層,而越往內(nèi)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(fù)雜、成本高、效率低,危險系數(shù)高并且會對主纜產(chǎn)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(guī)無損檢測方法之一,具有檢測精度高的優(yōu)點(diǎn)。目前,漏磁檢測在橋梁拉索、工業(yè)管道以及儲罐底板等鐵磁性構(gòu)件的檢測中應(yīng)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(jié)構(gòu)給漏磁檢測提出了新挑戰(zhàn)。鑒于此,在有限元仿真驗(yàn)證主纜斷絲漏磁檢測方法可行性的基礎(chǔ)上,研制主纜斷絲漏磁檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用WIFI通信技術(shù),可在地面上由操作人員使用計(jì)算機(jī)完成對主纜的遠(yuǎn)程檢測,實(shí)時顯示并存儲信號,便于操作人員對信號進(jìn)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?zhàn)?、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?zhàn)印⒅骼|纏絲以及涂料裝飾構(gòu)成主纜防護(hù)系統(tǒng)[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(yīng),使得漏磁場更加微弱,增加信號測量難度。

圖1 主纜結(jié)構(gòu)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(jìn)行仿真并分析主纜斷絲磁場信號。漏磁檢測應(yīng)用于主纜時,首先根據(jù)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(jìn)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(shè)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(dǎo)率的工業(yè)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(shè)置檢測路徑,檢測路徑總長度為50 mm。有限元仿真結(jié)束后,提取檢測路徑上的磁感應(yīng)強(qiáng)度的軸向分量Bx進(jìn)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(yīng)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(dá)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(tǒng)

根據(jù)前述仿真分析,設(shè)計(jì)主纜檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖及實(shí)物照片如圖5所示。如圖5(a)所示,根據(jù)模塊化的設(shè)計(jì)思想,可將主纜檢測系統(tǒng)劃分為驅(qū)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(jì)算機(jī)中信號分析軟件。驅(qū)動模塊實(shí)現(xiàn)檢測系統(tǒng)運(yùn)動控制與空間定位功能。傳感模塊實(shí)現(xiàn)主纜磁化,以及獲取主纜表面漏磁場并將磁信號轉(zhuǎn)換成電信號功能。信號處理模塊實(shí)現(xiàn)信號采集、放大、濾波等功能。WIFI通信模塊實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制與信號采集等命令發(fā)送以及檢測信號接收功能。無線路由器組建局域網(wǎng),建立WIFI通信模塊與計(jì)算機(jī)中信號分析軟件之間的網(wǎng)絡(luò)通道。信號分析軟件通過路由器與WIFI通信模塊建立通信,進(jìn)而控制驅(qū)動模塊運(yùn)動以及信號處理模塊采集信號,實(shí)時顯示檢測信號波形,最后對信號進(jìn)行存儲與分析。如圖5(b)所示,檢測系統(tǒng)實(shí)物包括檢測系統(tǒng)主機(jī)、路由器以及計(jì)算機(jī)。下面分別從硬件和軟件方面對其實(shí)現(xiàn)過程加以論述。

圖5 檢測系統(tǒng)框圖及實(shí)物照片F(xiàn)ig.5 Block diagram of detection system and photo of real objects

2.1 硬件研制

硬件開發(fā)主要包括驅(qū)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(qū)動模塊需要實(shí)現(xiàn)檢測系統(tǒng)的運(yùn)動控制以及空間定位功能。驅(qū)動模塊主要由運(yùn)動控制電路、電機(jī)以及編碼器組成。檢測系統(tǒng)采用WIFI通信技術(shù),WIFI通信模塊向驅(qū)動模塊發(fā)送運(yùn)動控制命令實(shí)現(xiàn)檢測模塊的運(yùn)動控制。驅(qū)動模塊中的運(yùn)動控制電路接收到運(yùn)動控制命令后,控制電機(jī)兩端電壓分別為+24 V、-24 V或0 V,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)檢測系統(tǒng)的正向、反向運(yùn)動以及停止,為了確保系統(tǒng)運(yùn)動的穩(wěn)定性,為每一組輪子配備一臺電機(jī)。檢測系統(tǒng)在檢測過程中,需要實(shí)時定位,采用旋轉(zhuǎn)編碼器獲取位置信息。

傳感模塊實(shí)現(xiàn)主纜磁化,以及提取被測對象表面漏磁場并將磁信號轉(zhuǎn)換為電信號的功能。傳感模塊結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換為電信號。

圖6 傳感模塊結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換為電信號,磁感裝置中安裝有體積小、靈敏度高且性能穩(wěn)定的霍爾元件。在霍爾元件兩側(cè)布置高磁導(dǎo)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(shù)據(jù)采集器以及現(xiàn)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(jìn)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(jīng)過濾波器消除干擾噪聲后到達(dá)數(shù)據(jù)采集器。同時,檢測時驅(qū)動模塊中的編碼器會將位置信號發(fā)送給數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集器將漏磁場模擬信號以及位置信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳入FPGA。FPGA負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)采集器工作并將采集到的數(shù)字信號發(fā)送至WIFI通信模塊。

圖7 信號處理模塊結(jié)構(gòu)框圖Fig.7 Block diagram of signal processing module

WIFI通信模塊實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制與信號采集等命令發(fā)送以及檢測信號接收功能。檢測系統(tǒng)開始檢測前,將計(jì)算機(jī)中信號分析軟件與WIFI通信模塊通過路由器建立連接,進(jìn)而向信號處理模塊發(fā)送采集信號指令,向驅(qū)動模塊發(fā)送運(yùn)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(fā)送至信號分析軟件。結(jié)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(fā)送停止采集命令,向驅(qū)動模塊發(fā)送停止運(yùn)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(tǒng)和串口轉(zhuǎn)WIFI的嵌入式軟件來增加WIFI功能。模塊支持的數(shù)據(jù)速率可達(dá)到11 Mbps,與802.11b兼容。

2.2 軟件開發(fā)

主纜檢測系統(tǒng)信號分析軟件基于Windows環(huán)境,使用C++進(jìn)行開發(fā),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(jù)主纜漏磁檢測的需求,信號分析軟件主要分為運(yùn)動控制、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)分析3個功能模塊,實(shí)現(xiàn)的主要功能有電機(jī)運(yùn)動控制、空間位置信息獲取、檢測參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)顯示與保存、數(shù)據(jù)讀取與顯示以及斷絲情況分析等。電機(jī)運(yùn)動控制功能控制檢測系統(tǒng)在主纜上爬行?？臻g位置信息獲取功能實(shí)現(xiàn)斷絲的精確定位。檢測參數(shù)設(shè)置功能設(shè)置被測主纜信息、信號通道選擇、信號波形顯示參數(shù)以及空間采樣間隔等內(nèi)容。數(shù)據(jù)采集控制功能控制檢測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集器啟動或停止。數(shù)據(jù)顯示與保存功能實(shí)現(xiàn)信號波形的實(shí)時顯示以及檢測信號的存儲。數(shù)據(jù)讀取與顯示功能實(shí)現(xiàn)讀取已獲取數(shù)據(jù)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(guān)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(tǒng)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(fā)生變化。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證上述主纜檢測系統(tǒng)性能,搭建如圖10(a)所示實(shí)驗(yàn)平臺,該平臺模擬簡化的主纜模型。檢測時,檢測系統(tǒng)主機(jī)放置在實(shí)驗(yàn)平臺上,實(shí)驗(yàn)平臺最上層鋪設(shè)厚度5 mm的環(huán)氧板模擬防腐層,中間層鋪設(shè)焊接制作的直徑4 mm橫向主纜纏絲,最下層平行鋪設(shè)單層直徑5 mm主纜鋼絲。斷絲設(shè)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(shù)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(jìn)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(jié)果相符。

圖10 實(shí)驗(yàn)平臺及斷絲信號Fig.10 Experimental platform and of broken wire signal

3.2 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證系統(tǒng)在實(shí)際主纜上的檢測能力,在武漢古田橋上進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)。古田橋主纜直徑為406 mm。檢測系統(tǒng)現(xiàn)場安裝如圖11(a)所示。在計(jì)算機(jī)中使用信號分析軟件對主纜進(jìn)行檢測,并控制系統(tǒng)沿主纜上下運(yùn)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?？紤]到古田橋于2015年正式運(yùn)營通車,主纜中鋼絲出現(xiàn)斷絲的概率較小,因此檢測信號基本符合實(shí)際情況。

圖11 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)照片及檢測信號Fig.11 Photo of field experiment and detection signal

4 結(jié)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(jié)果,采用模塊化設(shè)計(jì)思路,研制出橋梁主纜斷絲漏磁檢測系統(tǒng)。通過仿真分析、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場應(yīng)用得出以下結(jié)論。

(1)該檢測系統(tǒng)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(xiàn)場操作。

(2)該檢測系統(tǒng)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(diǎn)是提高檢測系統(tǒng)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。