钢结构件安全管理领域零的突破微磁基础传感器监测应力探伤（二）

在生产制造和社会服务领域，包括大型设备在内的钢结构件安全保障对于基础设施安全、经济社会稳定运行意义重大。桥梁悬索、拉索应力监测和探伤、螺栓应力监测和探伤在这些钢结构件事故预防中发挥着极其重要的作用。相关安全管理部门普遍重视应力监测和探伤，一些高科技公司研发生产应力监测和探伤技术设备满足安全运行需要。

GC-CC-103A型高精度微磁基础传感器

钢结构件安全事故及其原因

通常高强度应力疲劳和损伤可能会引发严重安全事故。诸如桥梁悬索和拉索断裂事故、桥梁主体垮塌事故、螺栓断裂事故等钢结构件安全事故的发生，多数是因为高强度应力疲劳和损伤并长期失检失修。

据媒体报道，2021年12月18日，湖北省大广高速与沪渝高速花湖互通枢纽匝道垮塌，发生桥梁侧翻，现场3人死亡、4人受伤。相关专家分析认为匝道桥垮塌是因为该段桥梁长期重载，致使其钢结构件因为应力过于集中而受损，却长期得不到监测和修整，损伤累积到一定程度后爆发问题，出现垮塌。

因桥梁拉索断裂造成桥梁垮塌的严重事故也时有发生。如广州海印大桥斜拉索上端裸露的钢丝用脆性的水泥砂浆防腐，且该处水泥砂浆多年后未凝结，拉索高强钢丝长期裸露，最终导致高强钢丝腐蚀性断裂。

桥梁悬索安全事故也时有发生。悬索的腐蚀与水、气密切相关。悬索的大多数部位，如悬索桥主缆内部、主缆散索段，斜拉索、吊杆上下端预埋管内、悬索锚头等往往没有明显的水存在，但是，由于它与大气相通，相对湿度高，腐蚀也很容易发生。

通常高强度螺栓应力疲劳和损伤也可能会引发严重安全事故。某轧钢厂对厂房结构检查时，发现一根桁架吊车梁下弦节点板上中间斜杆的角钢上有一条贯通裂缝。一段时间后，当钳式吊车通行时，这根梁严重下垂，梁的斜杆、竖杆以及弦杆等处的裂痕都明显增大。经调查，发现事故原因是在风荷载作用下，屋盖钢桁架与立体框架梁间产生相对移动，使吊管式悬挂节点连接中产生弯矩，从而使高强度螺栓承受了反复荷载，出现疲劳和损伤。

传统钢结构件探伤方法及其局限

传统钢结构件无损探伤技术包括X射线、γ射线、超声波、磁粉、涡流、渗透(荧光、着色)等，各自存在自身缺陷，难以确保设备运营安全。

x射线探伤和γ射线探伤原理是利用x射线、γ射线或其他高能射线穿透金属材料，由于材料对射线的吸收和散射作用不同，使胶片感光不一样，在底片上形成黑度不同的影像，据此来判断材料内部缺陷情况。射线探伤要求工作表面平滑，且高度依赖检验人员经验，只能辨别缺陷种类、无法直观体现缺陷形态。而且射线辐射会严重威胁操作人员的身体健康。

超声波探伤原理是在均匀的材料中，缺陷的存在造成材料的不连续，从而造成声阻抗的不一致。根据反射定理，超声波在两种不同声阻抗的介质交界面上会形成反射，反射波的能量大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。超声波无法探测应力集中部位，另外缺陷的尺寸小于波长时，超声波将绕过缺陷而不能反射。

磁粉探伤原理是利用工件缺陷处的漏磁场与磁粉的相互作用。铁磁性材料制品缺陷处磁导率与正常部位磁导率存在差异，磁化后这些材料不连续处的磁场将发生畸变，磁通泄漏处工件表面产生了漏磁场，从而吸附磁粉形成缺陷处的磁粉堆积——磁痕，在适当的光照条件下，可显现出缺陷位置和形状。磁粉探伤需要磁化，操作程序过于复杂。

涡流探伤利用电磁感应原理，用激磁线圈使导电构件内产生涡电流，借助探测线圈测定涡电流的变化量，从而获得构件缺陷的有关信息。涡流探伤需要检测线圈激磁。

渗透探伤是利用毛细现象检查材料表面缺陷的一种无损检验方法，包括渗透、清洗、显象和检查四个基本步骤，但不适用于结构疏松的粉末冶金零件及其他多孔性材料探伤。

基于磁探测的应力监测和探伤的原理与优势

磁探测从空中到地面，再到水下，可以全范围覆盖、全天候进行。金属磁记忆探伤属于新型磁探测技术，是一种利用金属磁记忆效应来检测部件应力集中部位的快速无损检测方法，能替代传统无损探伤技术。

所谓金属磁记忆效应是指：铁磁性材料在加工和运行时，在应力和变形集中区域会发生磁畴组织定向和不可逆的重新取向。金属构件表面的这种磁状态“记忆”着微观缺陷或应力集中的位置，即所谓的磁记忆效应。

磁异常探测理论认为，当磁探测传感器位置与铁磁性目标的距离大于3倍目标几何尺寸时，可以把铁磁性目标简化成磁偶极子模型，不考虑地磁背景场情况下，磁场总强度B大小可以由下列公式计算出来。

式中，

μ—磁导率；

m—磁偶极子磁矩；

r—距离；

θ—方位。

它在空间一点 P 产生的磁场 Br分布示意图如下图所示：

由此公式可知，磁感应强度大小与距离成立方衰减关系。当处于地磁场环境中的铁磁性构件受到外部载荷作用时，该部位会出现磁畴的固定节点，产生磁极，形成退磁场，在金属表面形成漏磁场。该漏磁场强度的切向分量Hpx具有最大值，而法向分量Hpy改变符号并具有零值。这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后依然保留记忆下来。

基于金属磁记忆效应的基本原理制作的检测仪器，通过记录垂直于金属构件表面的磁场强度分量沿某一方向的分布情况，能够对铁磁性金属构件内部的应力集中区，即微观缺陷和早期失效、损伤等进行诊断，防止突发性的疲劳损伤。金属磁记忆方法与X射线、γ射线、超声波、磁粉、涡流、渗透(荧光、着色) 等方法相比较，具有这些优点：不需要专门的磁化装置；不需要对表面进行清洁处理；不需要采用耦合技术；可快速、准确检测出应力集中部位；既可检测现有缺陷，亦可根据内应力变化预测未来可能发生的缺陷。

钢结构件应力监测和探伤装置主要由基于磁异常原理研发的微磁基础传感器阵列组成。钢结构件应力监测和探伤装置属于国内首创，其突破传统探伤原理的诸多局限，可以提供新的应力监测和探伤方案，以便使用者在不同场景中选择适合其需要的应力监测和探伤仪器。

国创智能微磁基础传感器监测桥梁拉索应力预防安全事故

桥梁拉索事故造成重大生命财产损失。只有通过桥梁拉索应力监测进行损伤趋势监测，才能有效预防事故发生。因此研发桥梁拉索应力监测系统、生产桥梁拉索应力监测设备十分必要。

国创智能微磁基础传感器在桥梁拉索应力监测中的应用，基于地磁信息采集、计算、传输、显示的原理，利用金属磁记忆效应，检测钢索应力变化，为桥梁管理部门提供安全保障支持。

金属磁记忆效应无损检测是一种新型检测手段，能快速检测部件应力集中部位，应用在钢结构安装、卸载、改造、加固等过程中。基于金属磁记忆效应原理工作的检测仪器，通过记录垂直于金属构件表面的磁场强度分量沿某一方向的分布情况，可以对构件的应力集中程度以及是否存在微观缺陷进行评价，能够诊断微观缺陷、早期失效和损伤等。

基于巨磁阻抗效应的国创智能微磁基础传感器具有灵敏度高、响应速度快、功耗低的综合优势。国创智能微磁基础传感器用来测量金属材料的内应力，其分辨率最高可达100pT，其显著优势是无损、非接触、24小时在线监测、应力过度集中预警，完全可以精准监测桥梁拉索应力变化趋势，预防由桥梁拉索引起的安全事故。

高效精准的桥梁拉索应力监测技术设备以微磁传感器为基础研发生产。国创智能从事微磁基础传感器及其应用系统研究、开发与生产，其代表性产品——pT和nT级超高精度阵列式微磁基础传感器，奠定桥梁拉索应力实时在线监测的坚实基础。

包括大型设备在内的钢结构件安全管理离不开应力监测和探伤技术设备。一些具有前瞻性的高科技公司关注基础设施安全保障需要，研发生产新的技术设备，服务生产制造和社会服务行业。国创智能长期从事微磁基础传感器、磁记忆应力监测和探伤设备的研发生产，应用于诸如桥梁拉索和悬索断裂事故、桥梁主体垮塌事故、螺栓断裂事故等钢结构件安全事故预防，在基础理论、工程实践和产品生产制造方面均具有丰富经验，得到业界高度关注。

来源：国创智能GCZNGF