本试验试件采用15-7Ø5规格的镀锌钢绞线,每根钢绞线由7股直径为5 mm的钢丝绞合而成,公称直径为15.24 mm,镀锌钢绞线的部分化学成分质量分数分别为:C为0.75%～0.85%,Si为0.12%～0.32%,Mn为0.60%～0.90%,S为不大于0.025%,Cu为不大于0.2%.

在试件进行磁信号扫描前,先对试件预扫描路径的试验平台周围背景磁场(地磁场)进行初始扫描,目的是探究试验平台周围地磁场是否均匀稳定,对排除后续试验的干扰较为有利,结果见图4. 其中, B_x为背景磁场的切向分量. 由图4可知,不同提离值下的背景磁场切向分量变化趋势平缓且较为一致,说明试验平台周围背景磁场变化较为均匀,不存在明显影响环境磁场的磁性物质.

图4 试验平台背景磁场磁信号曲线
Fig.4 (Color online)The magnetic signal curve of the background magnetic field of the test platform

为探究磁测传感器提离值对漏磁信号检测的影响程度,对不同提离值下试件的缺陷漏磁进行检测. 通过对采集的试件磁信号数据处理分析,发现相同工况下的试件漏磁信号曲线具有相似的变化规律,为此,本研究仅以80-5^#试件腐蚀60 h的漏磁信号数据进行对比分析,结合地磁场(背景磁场)对磁记忆漏磁信号的影响较小,将试件漏磁信号数据扣除背景磁场^[16-17]. 由于针对不同的试件,得出的结果差异性较大,不便于分析,为了使漏磁信号分析处理直观方便,将缺陷漏磁信号做归一化处理(确保缺陷漏磁信号信息完整,即在腐蚀区域取漏磁信号的极值作为相对值),结果见图5.

图5 不同提离值下的漏磁信号变化曲线
Fig.5 (Color online)The magnetic flux leakage signal as function of lift-off value

为使漏磁信号数据分析对比图的含义明确,对图5中各图标和图例进行约定.其中,图5(a)的横坐标x表示沿钢绞线试件扫描长度范围,纵坐标B_x/|B_x|^max表示对钢绞线试件长度方向漏磁信号的切向分量进行归一化处理,图例y表示磁强计距离试件表面上方的竖直距离(也称提离值); 图5(b)的横坐标表示提离值,纵坐标S_p表示漏磁信号归一化切向峰值.

由图5(b)分析可知,试件腐蚀漏磁信号切向分量归一化峰值S_p与提离值y的变化关系拟合曲线呈现Boltzmann函数分布,且拟合曲线的相关系数为R²=0.994, 接近于1,表明拟合效果较好,即

S_p=0.177-(624.357)/(1+e^{(y+0.108)/0.019})(2)

结合图5和式(2)可知,在提离值较小的情况下,随着提离值的增加,试件漏磁信号曲线峰值急剧下降,提离值上轻微的差异,便可造成峰值产生较大的波动; 在提离值较大的情况下,随着提离值的增加,试件漏磁信号曲线峰值趋于稳定,但峰值较小,难以区分信号间的差异,不利于腐蚀漏磁检测. 因此在实际工程腐蚀漏磁检测应用中,需要选取合理的磁测传感器提离值.

为探究腐蚀宽度对试件缺陷漏磁信号的影响,进行了不同腐蚀宽度的试件腐蚀漏磁检测. 通过对本试验采集的试件磁信号数据进行处理分析,发现各试件漏磁信号曲线具有相似的变化规律,为此,仅以80-5^#、80-10^#和80-15^#试件分别腐蚀60、120和180 h进行分析.确保3个试件的腐蚀度均为61.85%.

根据法拉第电解定律可得试件腐蚀度为

C=(Δm)/(m₀)=(kIt)/(ρ_vl₀πR²₀)(3)

其中, m₀为试件待腐蚀区域腐蚀之前的质量; Δm为根据法拉第电解定律计算的试件腐蚀区域损失量(单位为kg); k为比例常数,是电化学当量,与阳极金属介质相关(单位为kg/(A·s)); I为通过阳极金属的电流(单位为A); t为通电电解时间(单位为s); ρ_v为试件体密度,在此假定钢绞线试件质量均匀; l₀为试件腐蚀区域宽度; R₀为试件半径,在此假定钢绞线试件是截面均匀变化的圆柱体.

取提离值y=0.01 m分析上述3个试件漏磁信号数据. 漏磁信号数据处理方法采取与提离值影响性分析相同的方式,结果见图6. 由图6可知,随着腐蚀宽度的增加,缺陷漏磁信号切向分量变化趋势不具有规律性,造成上述原因可能是由于本试验仅以0.05、0.10和0.15 m作为腐蚀宽度的取值,导致选取的腐蚀宽度变量值过少,不能反映腐蚀漏磁信号切向分量与腐蚀宽度的关系规律.

图6 不同腐蚀宽度下的漏磁信号变化曲线
Fig.6 (Color online)Change curve of magnetic flux leakage signal under different corrosion width

为了探究腐蚀深度对漏磁信号的影响程度,采用电化学腐蚀方法对本研究试件进行不同程度的腐蚀. 通过对试件不同腐蚀程度的漏磁信号数据分析发现,各试件间的漏磁信号曲线具有较强的相似性,为此仅以80-5^#试件为例来进行分析,限于篇幅,仅以部分腐蚀阶段的漏磁信号处理数据进行绘图展示,结果见图7. 由图7分析可知,试件未发生腐蚀时,试件漏磁信号在中间区域相对变化较为平缓; 当试件腐蚀48 h时,不同提离值下的漏磁信号切向分量曲线在腐蚀区域发生明显交汇,且交汇点基本位于关于缺陷漏磁信号切向分量极值对称的两点(简称曲线交汇点),两交汇点的间距为d=80.1 mm,包含了腐蚀区域(试件腐蚀宽度为50 mm),由此可利用不同提离值下的漏磁信号曲线交汇点来对腐蚀区域进行大致判别.

图7 不同腐蚀程度下的漏磁信号变化曲线
Fig.7 (Color online)Change curve of magnetic flux leakage signal under different corrosion degree

为了进一步探究腐蚀深度对漏磁信号的影响程度,取80-5^#试件在特定提离值下不同腐蚀程度的缺陷漏磁信号进行对比分析,如图8所示. 由图8分析可知,随着腐蚀程度的增加,试件缺陷漏磁信号切向分量归一化峰值S_p逐渐增加. 通过对试件腐蚀漏磁信号归一化峰值曲线进行拟合发现,切向分量归一化峰值与腐蚀程度的关系拟合曲线同样呈现Boltzmann函数分布,且拟合曲线的相关系数为R²=0.994, 接近于1,表明拟合效果较好,为

S_p=-1.224+(1.485)/(1+e^{(t-66.314)/16.849})(4)

其中, t为锈蚀时间.

结合图8和式(4)可知,试件缺陷漏磁信号切向分量峰值与腐蚀度具有确切关系式,说明通过对试件表面漏磁信号峰值特征的分析,可以反演出试件腐蚀程度.

图8 试件漏磁信号与腐蚀度的关系曲线
Fig.8 (Color online)Relationship curve between specimen magnetic leakage signal and corrosion degree

为了探究试件长度对腐蚀漏磁信号的影响情况,进行了不同试件长度下的试件缺陷漏磁信号检测. 通过对采集到的试件漏磁信号数据分析,同样发现各试件间的漏磁信号曲线具有较强的相似性.为此仅对80-5^#、120-5^#、160-5^#、200-5^#和240-5^#等5个试件,提离值为0.01 m、腐蚀时间为48 h的漏磁信号数据作为对象进行分析,并将漏磁信号数据扣除背景磁场和局部归一化处理,结果见图9. 由图9可分析得到腐蚀漏磁信号与试件长度之间的关系,针对试件缺陷漏磁信号曲线,随着试件长度的增加,在相同的腐蚀程度和相同提离值下,不同试件长度的漏磁信号曲线具有逐渐靠近的趋势,且曲线变化规律也变得较为相似,这可以结合磁记忆弱漏磁检测理论来解释. 随着试件长度的增加,试件退磁场对远离试件端头和试件中间腐蚀区域的影响逐渐被削弱,而缺陷漏磁场在腐蚀区域的作用逐渐明显,最终使不同试件长度下的试件漏磁信号曲线均呈现缺陷漏磁场的变化形式. 当试件长度超过一定值时,针对腐蚀程度一样的试件,缺陷漏磁信号曲线变化规律较为一致. 对于试件缺陷漏磁信号曲线峰值特征量,随着试件长度的增加,漏磁信号切向分量归一化峰值与试件长度不具有特定关系. 结合磁记忆弱漏磁检测理论,可知造成上述试验与理论不符合现象的原因,可能是由于不同试件之间的自发磁化参数存在差异性.

图9 试件漏磁信号与试件长度的关系曲线
Fig.9 (Color online)Relationship between specimen magnetic leakage signal and specimen length