基于自漏磁检测的斜拉索周向多点腐蚀状态定量评估方法

《Buildings》：Quantitative Evaluation Method for the Circumferential Multi-Point Corrosion States of Stay Cables Based on Self-Magnetic Flux Leakage Detection Runchuan Xia, Qingxia Tao, Guo Chen, Jinying Chen, Ran Deng and Yaxi Ding

　　

斜拉索是斜拉结构中的关键承载构件，因此腐蚀分布对于损伤诊断和维护至关重要。为了解决斜拉索周向多点腐蚀分布表征不足的问题，建立了斜拉索周向多点缺陷磁荷理论模型，并对37根钢丝的周向腐蚀试件进行了自漏磁检测（self-magnetic flux leakage detection, SMFL）实验。分析了腐蚀钢丝数量（N）、腐蚀时间（T）和周向角度编号（K）对漏磁信号轴向B_x分量的影响。阐明了θ-B_x-max峰值分布与腐蚀模式之间的关系。建立了腐蚀数量（c）、腐蚀中心（θ_c）和截面腐蚀率（α）的定量模型。结果表明，c提高了对“峰值平台”腐蚀分布类型中集中腐蚀位置数量的确定。基于洛伦兹（Lorentz）拟合，θ_c的最大预测误差为15.1%，截面腐蚀率α的预测精度超过90%。该研究为斜拉索周向多点缺陷分布的可量化表征和评估方法提供了参考。

斜拉索作为斜拉桥的主要承力构件，在复杂环境与长期应力作用下其护套易受损，导致内部钢丝束出现损伤，从而降低桥梁极限承载力，甚至引发灾难性后果。现有无损检测技术，如X射线、超声、磁致伸缩、声发射及漏磁等方法，在效率、成本或定量能力上存在局限。自漏磁检测（self-magnetic flux leakage detection, SMFL）技术基于铁磁性材料的磁记忆特性，具有稳定便捷的优势。然而，现有研究多聚焦于轴向缺陷，传统磁偶极子模型在处理周向多点腐蚀时，因信号空间叠加效应而无法解耦重叠磁场，难以准确判断腐蚀个数、深度和分布。为解决该问题，研究人员建立了周向多点缺陷磁荷模型，并开展了系统的实验与数值分析。该论文发表于《Buildings》。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，基于磁偶极子理论，采用柱坐标推导了周向多点缺陷下轴向磁感应强度B_x的表达式，建立磁荷模型。其次，使用12个Honeywell HMC5883L三轴磁力计（量程±8 Gs，灵敏度20 mGs）构建30°间隔的圆周阵列检测装置，对37根镀锌钢丝（直径7 mm，长度1 m）构成的试件进行检测。通过电化学加速腐蚀实验（恒流0.45 A，5% NaCl溶液）制备周向腐蚀，控制腐蚀钢丝数（N）、腐蚀时间（T）和中心线夹角编号（K）来模拟不同工况。传感器阵列采集轴向B_x信号，结合数值模拟验证模型有效性。

研究结果部分如下：

**5.1 周向集中腐蚀数量**
通过分析不同K值下θ-B_x-max图的凸峰数量，发现K=2时出现“峰值平台”特征，导致直接计数产生偏差。基于数值模拟计算增长率归一化曲线e，定义单峰极值距离L_n及其众数L_n-mode，提出修正公式c = (n + Σ?(L_n/L_n-mode ? 1)?) / 2。实验验证表明该修正显著提高了腐蚀数量预测精度。

**5.2 周向腐蚀中心位置**
θ-B_x-max图的峰值横坐标对应腐蚀中心θ_c，但K=2时预测偏差较大。对数值模拟信号进行洛伦兹（Lorentz）函数拟合（拟合优度>0.90），采用分段公式：θ_c = θ_max（K≠2）或θ_L（K=2），使最大相对误差降至15.1%。

**5.3 周向腐蚀程度**
B_x-maxS（周向B_x-max的积分值）与截面腐蚀率α呈线性关系（R2>0.97），建立线性模型α = C·B_x-maxS + D，预测准确率超过90%。

**5.4 周向多点腐蚀状态评估方法**
综合上述定量指标（c、θ_c、α），提出了周向多点腐蚀状态的评估流程，包括信号采集、特征提取、参数计算及结果判定。

讨论部分指出：该评估方法及环形传感器阵列设计可集成于缆索攀爬机器人，为建立腐蚀状态数字孪生模型提供非接触高效技术框架。但当前实验基于无应力试件的电化学加速腐蚀，实际桥梁中腐蚀更不规则且存在应力-腐蚀耦合、温度场及疲劳荷载的影响。未来需研究多物理场（应力与自然腐蚀）耦合下的SMFL信号特征，并进行在役桥梁现场验证，以增强算法的鲁棒性。

研究结论翻译如下：
（1）推导了周向多点缺陷磁荷模型，通过模型数值模拟信号图初步明确：检测路径θ越接近腐蚀区域，周向缺陷尺寸变化对其检测值B_x-max的影响越大；B_x-max及其峰值分别对应轴向腐蚀中心位置和周向腐蚀中心位置的变化规律。
（2）基于理论模型参数特征开展相似实验，明确了信号变化规律。B_x求和峰值（B_x-smax）与提升高度（H）负相关，与腐蚀钢丝数（N）和腐蚀时间（T）正相关（二者具体表征腐蚀尺寸）；B_x-Smax截面上的θ-B_x-max折线反映周向多点腐蚀分布；单峰凸起数量仅由K决定，且等于集中腐蚀位置数的两倍；B_x-max峰值位置随N和K变化，而B_x-Smax由N和T决定。
（3）提出了斜拉索周向腐蚀状态参数评估方法。基于θ-B_x-max曲线变化特征，建立了周向集中腐蚀数量（c）、周向腐蚀中心位置（θ_c）和截面腐蚀率（α）的定量指标。c的修正值具有高精度；分段公式确定的θ_c预测误差最大为15.1%。利用这些定量指标进一步建立了周向多点腐蚀分布评估方法。