技術(shù)背景

隨著鋼結(jié)構(gòu)橋梁運(yùn)營年限的增加，在車輛荷載、環(huán)境因素反復(fù)作用下，疲勞裂紋不斷出現(xiàn)。據(jù)美國土木工程師學(xué)會(huì)疲勞和斷裂分委會(huì)的調(diào)查80％～90％的鋼結(jié)構(gòu)破壞與疲勞有關(guān)。正交異性鋼橋面板作為普遍使用的鋼結(jié)構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)形式，由于受到車輪荷載的直接作用，疲勞裂紋成為典型病害，嚴(yán)重威脅其耐久性和使用壽命。所以，及時(shí)有效地對(duì)疲勞裂紋進(jìn)行檢測和評(píng)估，掌握裂紋擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，對(duì)結(jié)構(gòu)安全評(píng)估及維修決策具有重要意義和工程應(yīng)用價(jià)值，可以為鋼結(jié)構(gòu)橋梁的耐久性提升和長效保持提供良好基礎(chǔ)。

目前，鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋一般采用超聲檢測、磁粉檢測、滲透檢測和渦流檢測，每種方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性。超聲檢測主要用于內(nèi)部缺陷檢測，對(duì)表層和近表層疲勞裂紋不敏感。磁粉檢測和滲透檢測可用于表面微小裂紋檢測，根據(jù)表觀顯示判斷裂紋開口走向和裂紋長度，但需要去除涂層保證檢測的準(zhǔn)確性，其工序繁瑣，嚴(yán)重降低檢測效率，且對(duì)原涂層進(jìn)行修補(bǔ)又增加了檢測成本。渦流

檢測依靠阻抗分析進(jìn)行疲勞裂紋檢測，目前在表面缺陷無損檢測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但其對(duì)結(jié)構(gòu)表面平整度要求高，容易受到提離效應(yīng)的影響，涂層的存在增加了提離高度，顯著影響檢測精度。因此，鋼結(jié)構(gòu)橋梁涂層的存在限制了上述常規(guī)疲勞裂紋檢測方法的實(shí)施。

為提高現(xiàn)場檢測效率和識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確性，研究應(yīng)用無須去除涂層的疲勞裂紋檢測方法，對(duì)疲勞裂紋進(jìn)行快速掃查檢測和高精度定量評(píng)估，以避免傳統(tǒng)檢測方法需要去除涂層的不足，成為疲勞裂紋檢測發(fā)展的新方向。

01 什么是ACFM技術(shù)？

ACFM技術(shù)基于電磁感應(yīng)原理，其核心思想是在被測導(dǎo)體表面施加均勻的交流電流（通常頻率在1-10kHz），電流在遇到缺陷（如裂紋）時(shí)會(huì)發(fā)生畸變，從而在缺陷周圍產(chǎn)生可測量的磁場擾動(dòng)，如圖1所示。磁場信號(hào)變化與特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)如圖2所示。

1-電流在裂紋兩端聚集時(shí)，Bx出現(xiàn)凸起；2-電流在裂紋尖端順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，Bz出現(xiàn)波峰；3-電流從裂紋底部終過時(shí)，Bx出現(xiàn)波谷；4-電流在裂紋尖端逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，Bz出現(xiàn)波谷；5-缺陷；6-待檢工件；7-傳感器；8-激勵(lì)線圈。

圖1 ACFM檢測原理示意圖

圖2 ACFM磁場信號(hào)變化與特征點(diǎn)

02 傳統(tǒng)檢測方式的“痛點(diǎn)”，ACFM全局破解

ACFM技術(shù)之所以能在工業(yè)檢測領(lǐng)域快速推廣，主要得益于其以下幾方面的突出優(yōu)勢(shì)：

（1）無需表面處理：這是ACFM技術(shù)最引人注目的特點(diǎn)。它能夠穿透數(shù)毫米厚的非導(dǎo)電涂層進(jìn)行檢測，省去了繁瑣的除漆、打磨工序，極大縮短了檢測時(shí)間，降低了檢測成本。以儲(chǔ)罐檢測為例，傳統(tǒng)方法需要先搭建腳手架，再對(duì)檢測區(qū)域進(jìn)行徹底打磨，僅準(zhǔn)備工作就需數(shù)天時(shí)間。而使用ACFM技術(shù)，檢測人員可以直接在涂層上進(jìn)行檢測，檢測效率提高3倍以上。

（2）精確量化缺陷：與傳統(tǒng)檢測方法僅能提供定性結(jié)果不同，ACFM技術(shù)能夠精確測量缺陷的長度和深度，為結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估提供可靠的數(shù)據(jù)支持。實(shí)際應(yīng)用表明，ACFM技術(shù)對(duì)表面裂紋的長度測量誤差可控制在±1mm，深度測量誤差不超過20%。

（3）廣泛的材料適應(yīng)性：ACFM技術(shù)對(duì)鐵磁性和非鐵磁性材料均適用，無論是普通的碳鋼、不銹鋼，還是各種合金材料，都能獲得良好的檢測效果。這種廣泛的材料適應(yīng)性使ACFM技術(shù)能夠滿足不同行業(yè)的多樣化需求。

（4）檢測結(jié)果客觀可靠：ACFM技術(shù)通過儀器設(shè)備記錄和保存檢測數(shù)據(jù)，排除了人為因素對(duì)檢測結(jié)果的干擾。所有的檢測數(shù)據(jù)都可以存儲(chǔ)、回放和追溯，為設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和壽命預(yù)測提供了有力支持。

03 ACFM試驗(yàn)測試

（1）檢測設(shè)備

試驗(yàn)采用魯科檢測生產(chǎn)的LKACFM-X1型便攜式ACFM檢測儀進(jìn)行檢測，配套標(biāo)準(zhǔn)焊縫探頭和筆式探頭兩種探頭，如圖3所示。筆式探頭體積和接觸面積小，可以降低邊緣效應(yīng)的影響，適用于端部開裂與空間狹窄位置的裂紋檢測，可應(yīng)用于正交異性橋面板Ｕ肋區(qū)域的疲勞裂紋掃查。考慮到測試試件預(yù)制疲勞裂紋距離邊緣較近，為降低邊緣效應(yīng)的影響，采用筆式探頭進(jìn)行后續(xù)測試。

圖3 ACFM檢測儀及筆式探頭

（2）試塊制作

分別制作帶涂層對(duì)比試件和無涂層對(duì)比試塊進(jìn)行試驗(yàn)測試，對(duì)比試件為兩塊焊接在一起的20#鋼板，試件尺寸為200*150*13mm（長×寬×厚）。在一側(cè)焊趾邊緣通過高精度機(jī)加工預(yù)制兩處不同長度、深度的裂紋，其中1號(hào)裂紋尺寸為長50mm、深5mm，2號(hào)裂紋尺寸為長6mm、深2.5mm，3號(hào)裂紋是橫向裂紋，尺寸為長6mm、深2.5mm鋼板上包覆厚度0.3mm左右厚度的非金屬涂層，如圖4所示。

圖4 對(duì)比試塊

（3）ACFM測試驗(yàn)證

帶涂層1號(hào)裂紋缺陷圖像：

帶涂層2號(hào)裂紋缺陷圖像：

帶涂層3號(hào)裂紋缺陷圖像：

04帶涂層試塊測試結(jié)果

通過觀察帶涂層試塊Bx、Bz特征信號(hào)以及蝶形圖，發(fā)現(xiàn)特征信號(hào)具有裂紋缺陷的典型特征，ACFM能夠透過模擬涂層有效識(shí)別裂紋缺陷，檢出率為100%。通過測量1、2號(hào)裂紋的長度分別為49mm、6.2mm，深度分別為4.5mm、2.1mm。對(duì)裂紋長度的評(píng)估準(zhǔn)確率在98%以上，裂紋深度的量化評(píng)估相對(duì)誤差分別為10%、16%。滿足工程檢測應(yīng)用的要求；裂紋深度的評(píng)估誤差隨著裂紋深度的減小而增大，對(duì)裂紋深度的定量評(píng)估算法模型有待進(jìn)一步的優(yōu)化。

橋梁安全運(yùn)維的“新利器”

ACFM技術(shù)整合了渦流檢測和交流電壓降法的優(yōu)勢(shì)，通過感應(yīng)電流的磁場畸變識(shí)別裂紋，不用破壞橋梁涂層，就能快速、精準(zhǔn)完成疲勞裂紋檢測。它的出現(xiàn)，不僅解決了傳統(tǒng)檢測方法的痛點(diǎn)，還為在役鋼結(jié)構(gòu)橋梁的安全運(yùn)維提供了高效方案，讓橋梁“健康體檢”更便捷、更精準(zhǔn)。