Page 99 - 无损检测2022年第七期

郭建美,等:
平行钢丝束填充状态对表层缺陷漏磁场的弱化规律分析

部磁化效果最优的主路磁化方法, 有效减小了磁化
装置的重量。 LIU 等 [ 5 ] 提出利用偏置脉冲的磁化
方法, 通过测量平行钢丝束的表面漏磁和主磁通变
化来定量评价表面和内部的缺陷, 最小可以检测到

宽为 2 mm 、 深为 1 mm 的表面凹槽缺陷。 PARK
等 [ 6 ] 研发了一种八通道霍尔阵列传感器并对 直径

60mm 的斜拉索局部缺陷进行了有效检测, 利用可
视化 截 面 实 现 了 多 个 角 度 缺 陷 信 息 的 显 示。
图 1 45 钢的磁化过程
[ 7 ]
MALDONADO-LOPEZ 等 提出了一种基于磁偶
极子模型的缺陷定位方法, 利用 100A 的大直流励 降低, 表层钢丝内部的磁感应强度降低进而导致缺

下降 [ 11 ] ; ② 在近饱和磁
磁对东南亚某大桥直径为 180mm 的斜拉索进行了 陷周边的漏磁场强度 H MFL
漏磁检测, 其结果可以定性表征斜拉索横截面内缺 化的表层钢丝旁边插入新的钢丝, 会使磁路的磁阻
陷的位置和尺寸。贲安然 [ 8 ] 研究了斜拉索中平行钢 和磁化状态发生变化, 新的磁化状态下表层钢丝的
丝束的断丝根数、 断丝断口宽度和传感器的提离距 磁化强度降低, 磁感应强度减小, 磁导率增大 [ 12 ] 。
离等参数对检测信号的影响, 为斜拉索漏磁检测信 当健康的钢索中充满平行钢丝束时, 截面缺失
率为 0 , 当钢索中出现缺陷时, 存在截面缺失, 文章
号的解释提供了依据。
平行钢丝束由多根钢丝密实填充而成, 不同尺 研究的是健康钢丝逐层增多的情况, 当缺陷尺寸一
寸、 型号的平行钢丝束内部钢丝数量及排布状态存 定时, 随着缺陷钢丝周围健康钢丝数目的增多, 钢索
在差异 [ 9 ] 。漏磁检测时, 平行钢丝束被施加偏置磁 整体截面积缺失率 η 呈减小趋势。随着缺陷钢丝周
场, 因其内部存在铁磁性钢丝, 表层钢丝缺陷处的漏 围健康钢丝数增多, 表层钢丝的磁通量降低, 钢丝的
磁化强度 M 降低, 由公式( 1 ) 可知, 在结构参数不变
磁场 分 布 规 律 可 能 会 受 到 周 围 钢 丝 的 影 响。 NI
等 [ 10 ] 研究了表层钢丝对内部缺陷漏磁场的屏蔽效 的情况下, 漏磁场强度与磁化强度呈正相关, 由此可
应, 表明表层钢丝的屏蔽作用会减弱内部缺陷漏磁 推论漏磁强度 H MFL 与截面积缺失率 η 呈正相关。
场在钢丝束表面的场强, 但目前钢丝束的填充根数 根据式( 2 ) 绘制的第一象限磁滞回线和磁导率曲线
和钢丝束的排布方式( 即钢丝的填充状态) 对平行钢 可知, 材料从饱和磁化过渡到不饱和磁化的过程中,
丝束表层缺陷漏磁场的影响规律尚不清晰。如果可 相对磁导率 μ 会增加。将缺陷钢丝与周边健康钢
以对这一规律进行预测, 一方面可为漏磁检测结果 丝近似看做一个整体, 随着缺陷钢丝周边健康钢丝
数目的增加, 缺陷钢丝的磁化强度会降低, 磁场强度
的分析和解释提供理论依据, 为平行钢丝束缺陷尺
寸参数的反演提供指导, 另一方面也可指导实际应 减小, 磁导率随之增加。
2π π
用中偏置磁场的选取, 以适应不同尺寸和型号平行 MR 2 r
2
H MFL = sin ψ sinθd ψ dθ ( 1 )
钢丝束的检测需求。 4π ∫ ∫ r 3

0arccos ( b / R- 1 )
文章采用试验方法研究了平行钢丝束填充状态 dM an
d B ( 1- c )( M an -M ) ckδ
+
对表层缺陷漏磁场的影响, 观察到周边钢丝对缺陷 dH = μ 0 1+ d H
漏磁场的弱化规律, 并提出了一种用于预测该弱化 kδ- α ( M an -M )

( 2 )
规律的简明模型。
式中: 为真空磁导率; c 为不可逆磁化系数; M an
μ 0
1 预测模型 为无磁滞磁化强度; M 为磁化强度; k 为钉扎系数;
通入直流的螺线管可以提供沿平行钢丝束轴向 α 为畴耦合系数; δ=1 ( dH / d t>0 ); b 为缺陷宽度;
的外磁场 H , 钢丝在外磁场 H 中被磁化, 内部形成 R 为圆柱缺陷的半径; r 为磁偶极子到检测点的距
磁感应强度 B 。 45 钢的磁化过程如图 1 所示( 图中 离; θ 为磁遇极子到原点连线与正z 轴间的天顶角;
μ 为相对磁导率)。当外磁场强度和表层钢丝中缺 ψ 为磁偶极子到原点连线与x 轴间的方位角。
陷的尺寸一定时, 缺陷处的漏磁场受周边钢丝影响, 文章研 究 了 两 种 平 行 钢 丝 束 的 排 布 方 式 ( 见

主要的影响机制包括: ① 周围钢丝的存在增加了铁 图 2 , 图中红色代表缺陷钢丝, 浅灰色代表第一层健
磁性材料的截面积 S , 导致进入表层钢丝的磁通量 康钢丝, 深灰色代表第二层健康钢丝), 图 2 ( a ) 中钢
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2022 年 第 44 卷 第 7 期
无损检测