CN101151525A - 用于测量钢结构的状态的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于测量铁磁钢结构、例如铁轨和钻管的参数以检测机械应力、损外和劣化的方法。根据需要，在监测区域上安置用于磁化或者去磁化的装置，例如铁磁体。两个或者更多个电极用于馈送电流，从而施加脉冲形电压。在另一对电极上，测量电势降。将此电压降与在已知的测量条件下测量的另一电压降相比较或者与物体的校准数据相比较。分析这些电压之间的偏差，以量化相对或者绝对偏差，并且基于此评估钢结构的状态。该装置可以参照一个或者多个磁化曲线来测量瞬态电压曲线，并且该装置包括用于分析电压响应曲线以便确定钢材料中的机械应力和/或疲劳和/或裂纹和/或材料损耗的算法。

Description

用于测量钢结构的状态的方法和装置

技术领域

本发明包括如专利权利要求1的前序部分中所述的测量钢结构的状态的方法。此外，它还包括用于对钢结构的状态执行这种测量的装置。该方法可以适用于检测由于例如腐蚀而导致的机械应力、疲劳和金属损耗。

更具体地说，本发明涉及一种测量钢结构的状态的方法，由此脉冲形电流通过一对接触点施加在钢上，从而在通过重复采样测量的另一对接触点之间生成电势降曲线。要进行测量的钢可以借助于本身已知的布置既被磁化又被去磁化，该布置被用于在初始磁化曲线、无磁滞磁化曲线和磁滞磁化曲线的选定点对钢进行磁化。比较不同磁化程度上的电势降曲线，可以确定钢的状态或者状态的变化。在不使用磁化装置的条件下，可以测量一些类型的状态的变化，在这种情况下，该方法也可以适用于监测所有类型的导电材料。

背景技术

大的钢结构通常经受到不断变化的负荷，从而导致劣化。为了安全起见，检查和监测这种结构是重要的，以便发现在机械应力、腐蚀和侵蚀的这些状态中可能发展成严重缺陷的状态。

由于不可控制的情况，在构建(例如，在焊缝中或者邻近焊缝处)和工作这两个过程中可能都会无意识地出现机械应力。

为了测量相对机械应力，应变计或者其它装置通常用于检测钢中的小尺寸变化。通过使用这种方法，从安置该布置的时刻起测量关于绝对机械应力的变化，其可能性是更加有限的。然而，已知对巴克豪森噪声的测量和分析可以提供关于机械应力的信息(Rautioaho，R.H.和Karjalinen，L.P.的“Application of Barkhausen noise measurementsto residual stress analysis in structural steels”，Proc.ScandinavianSymposium in Materials Science，1983年6月20-21日，OuluFinland，第179-185页)。

而且，应当注意，机械应力会导致磁性变化，并且已经尝试使用此现象作为用于测量钢中的机械应力的基础(Lugg M.C.的“Theeffect of stress on the ACFM technique”，Controller C HMSO，London，1987年)。

根据挪威专利150136，已知一种基于由于激发脉冲形电流而测量稳定电压或者电势降的方法。当结构处于最好是已知的初始状态下的时候以及在工作期间，在很多接触点之间测量电压降。将所测量的电压降彼此相互比较，并且形成用于检测主要由于裂纹和材料损耗而引起的结构状态的变化的基础。

所施加的电流是脉冲形的。在每一个电流阶跃(step)上，由于趋肤效应，所测量的电压降将会遵循瞬态曲线，在上面的专利中将其称为干扰，并且该方法假设：在进行测量之前，电压降的瞬态部分已经衰减。因此，根据该专利，对于考虑电压降的瞬态部分以提供关于结构中的可能缺陷或者变化的信息，存在偏见。缺点是，对于具有大的壁厚度的大管而言，瞬态时间长，并且，由于实际应用以及其它的原因，在瞬态衰减之前进行测量。因此，这些测量受到由于结构应力变化或者管的内压变化所引起的铁磁性变化的影响，在对腐蚀或者裂纹的测量中，所述铁磁性的变化被认为是干扰。

挪威专利172868的说明书描述了一种测量钢中的机械应力和疲劳的方法。该专利主要描述了一种基于根据脉冲形激发电流测量瞬态电压响应的方法。对于结构的不同状态，在多个接触点之间测量两个这样的瞬态电压降。对所测量的瞬态电压进行比较，并且将其作为计算机械应力和疲劳程度的基础。但是，该专利没有描述此方法如何响应于疲劳。此外，这些测量都没有考虑在电压响应的稳定部分中固有的信息，其中包括关于疲劳的重要信息。

发明内容

本发明的主要目的是，提供一种监测不同类型的结构的方法，该方法能够比已知的方法更快地检测出可能导致缺陷的状态。使用该方法可以在尽可能最早的时间检测钢中的由于疲劳所引起的变化，例如，检测由于疲劳所引起的表面上的微裂纹，由此，在尽可能最早的时间确定由于疲劳所引起的劣化程度。与已知的方法相比较，对裂纹的检测灵敏度和量化提高了，而且可以预期的是，对金属损耗测量的可靠性和精确度也提高了。

在权利要求1中陈述了本发明。在权利要求2至10中陈述了进一步的特征和细节。该方法可以适用于检测钢中的机械应力、疲劳、裂纹和金属损耗(例如，腐蚀)。主要地，可以在各种各样的导电材料中监测金属损耗和裂纹。

本发明基于这样的想法，即，在监测腐蚀、侵蚀和裂纹时，还从电压降或者电势降的瞬态曲线部分中导出信息。

因此，在施加电流(激发电流)的每一阶跃之后在一组接触点上的电势降变化的期间，通过重复采样来测量电势降，从而以在计算机中可以被进一步处理的一系列数值的形式得到整个电压降曲线的图。

通过测量所有的电压响应曲线，即，瞬态部分和稳定部分(例如，对于裂纹监测应用来说)，可以在较早的阶段从开始疲劳(即，裂纹的前身)起检测到劣化(接着形成劣化)。尤其是，因为这种裂纹开始作为表面上的微裂纹，并且由于趋肤效应，所以在瞬态电压响应的开始处，该方法是最灵敏的。在测量单元可以被置于管内的情况中，该方法也可以适用于测量管内的这种缺陷。

作为时间函数的瞬态电势降提供了关于钢的电磁性的信息。当一定时间间隔之后瞬态曲线完全衰减(电势降然后保持稳定)时，由钢的电阻给出电势降的电平，该电阻又受到裂纹和材料损耗的影响。如已经说明的那样，瞬态曲线的第一部分主要涉及钢的磁性，该磁性又受到机械应力的影响。在下面所列出的点中，说明了钢的磁性如何受机械应力的影响。基本的物理现象及其更多的全面讨论在下述这个文献中可以找到(Jiles D.C.和Aderton D.L.的“Theory of themagnetization process in ferromagnets and its application to themagnetomechanical effect”，J.Phys.，1984年4月17日，第1265-1281页)。在施加机械应力时，初始磁化曲线、无磁滞磁化曲线和磁滞磁化曲线的形状或者特性会发生改变。

在给定的恒定的磁场强度下，所施加的机械应力使初始磁化曲线和无磁滞磁化曲线相互接近。

在机械应力减少到初始水平时，由于机械应力改变了，所以没有恢复磁化变化。只有在通过施加具有逐渐减少到零的振幅的磁场而进行去磁化时，磁化曲线才能返回到其原来的形状。

此外，还已知在疲劳过程期间钢的磁性可能受到影响(Bose M.S.C.的“A study of fatigue in ferromagnetic materials using a magnetichysteresis technique”，NOT International，第19卷，第2期，1986年4月)。在疲劳过程期间磁化曲线的特性会发生改变。这些变化不能通过去磁化被恢复。

与早期测量相比较，测量钢中的相对机械应力可以基于在给定条件下对磁化(以及由此对磁化曲线的特性)的测量，例如，可以参考在给定的场强度下的无磁滞磁化曲线来进行。于是，可以使用在挪威专利150136中所描述的方法。然后，也在不经受应力或者应变的位置上进行测量(在上述专利中，表示参考测量)。另外，还将去磁化的可能性结合到其上。

可以将相似的方法用来测量自从上一次测量以来钢所承受的应力的程度。于是，利用下述性质，即，磁化变化没有被恢复或者重置，直到去磁化为止。

测量钢中的绝对机械应力可以基于这样的事实，即，在施加机械应力时，初始磁化曲线和无磁滞磁化曲线会发生改变。参考初始磁化曲线和无磁滞磁化曲线这二者，测量受磁化曲线的特性影响的瞬态电压降，并且将所述瞬态电压降彼此相互比较。在另一可选的方式中，可以参考磁滞磁化曲线和无磁滞磁化曲线进行这两个测量。当在钢中没有机械应力时，可以用与绝对机械应力相似的方式测量疲劳状态。

为了提高精确度，可以对于几种电流脉冲来采样响应信号，并且通过对这些采样求平均值，实现了更高精确度的测量。求平均值可以基于应用更多或者更少的高级算法。

与已知的方法相比较，对于要监测的各种各样类型的状态而言，利用整个响应信号(即，瞬态部分和稳定部分这二者)中的信息提高了灵敏度，而且在多数情况下，提供了更好的精确度。

改进的裂纹监测基于还使用响应信号的瞬态部分中的信息，并且这样提高了对表面上的微裂纹的灵敏度，而且进一步提高了裂纹深度确定的精确度。

通过观察整个响应信号(即，瞬态部分和稳定部分二者)改进了对金属损耗的监测，由此，消除了改变机械应力可能对金属损耗测量的任何不需要的影响。而且，使用整个响应信号可以提高该方法基于响应信号直接评估壁厚度的能力。

此外，通过将激发电流线中的一个和内管壁上的感测针连接，明显地改进了对内管壁表面上的微裂纹的检测。

该方法也可以用于传感器中。于是，在例如附着于结构上或者置于腐蚀环境并由此暴露于相关的应力或者腐蚀的钢板上，进行电流馈电并测量瞬态和/或稳定的电势降。

被已解释的本发明所利用的主要概念是这样的现象，即，为了检测正被监测的钢结构中的结构状态或者状态的变化，观察电势降曲线(即，瞬态部分和稳定部分二者)，由于所施加的电流脉冲，该电势降曲线出现在一对接触点之间。瞬态部分的电势降与趋肤效应有关，该趋肤效应又主要与钢的磁导率有关，稳定部分的电势降与电阻有关，该电阻又受物体的几何形状的影响，并且也受结构的材料变化的影响。(众所周知，相对磁导率是表示在施加磁场时磁化能力的参数。)

当例如在钢板中施加电流阶跃时，在紧接电流阶跃之后，表面上的电流密度是高的，并且逐渐地下降到稳定的值。在两点之间测量的电势降由此反映表面上的电流密度，该电流密度是时间的函数，开始具有高的值，然后下降到稳定的值，该稳定的值与在测量点之间的电阻相对应。

因此，瞬态电势降提供了关于材料的磁导率和导电率的信息，所述磁导率和导电率受机械应力和疲劳状况的影响。电阻受导电率和几何形状的影响，所述导电率和几何形状又受金属损耗腐蚀和侵蚀及裂纹的影响。不同的缺陷对电压响应曲线的不同部分的影响不同，通过观察整个响应曲线、即瞬态部分和稳定部分二者，与所提及的其它两个专利相比较，灵敏度和精确度都可以得到提高。

通过观察用于裂纹监测的整个电压降响应曲线，由于在电压降响应曲线的开始处存在非常高的电流密度，所以，对表面上的微裂纹的检测灵敏度明显提高了，并且除了稳定电压降给出关于裂纹的横截面面积的信息之外，瞬态部分的稍后变化还导致对管壁内的裂纹位置和/或裂纹深度的评估得到改进。这与挪威专利150136不同，挪威专利150136主要只给出了关于横截面面积的信息。因为裂纹深度是对于裂纹监测的最重要的信息，所以这是一个相当大的改进。

通过监测疲劳过程，稳定的电压降给出了关于导致导电率变化的钢结构变化的重要的补充信息。通过将此信息与关于瞬态部分的偏差信息相比较，实现了对疲劳程度的更加可靠的评估。

附图说明

下面参照附图更加详细地描述本发明，其中，图1示出用于测量钢梁的状态的装置。

图2示出电流阶跃和电压降曲线。

图3示出作为时间函数的i(t)和a(t)的响应电压。电压降是在两个不同的时间测量的，其中，由于材料损耗而导致壁厚减少，并且钢的磁化相同。

图4示出用于测量绝对机械应力的、作为时间函数的i(t)和a(t)的响应电压，其中，在两种不同的磁化程度上测量电压响应。

图5示出对图4中的电压响应曲线所计算得到的偏差曲线。

图6示出对图3中的电压响应曲线所计算得到的偏差曲线，并且它是典型的腐蚀或者侵蚀。

图7示出所计算得到的偏差曲线，其是典型的疲劳。

具体实施方式

借助于仪器8中的电流源，将电流脉冲(激发电流)通过接触点2、3施加到图1中的钢板1上。当需要时，作为选择，仪器8中的电流源可以用来去磁化。通过仪器中的菜单系统，可以选择这种选项。当用来去磁化时，借助于此电流源来施加具有减少到零的振幅的交流电流。在测量点4、5之间测量的电势降a(t)被馈送给用于放大并数字化电压的信号状态电路6，并且数据被立即存储，以便稍后传输给仪器8，用于进行初步处理以及用于稍后进行传输并在计算机9中进行进一步的处理。计算机9中的程序具有用于分析电压降响应以计算所监测的材料中的机械应力和/或疲劳和/或裂纹和/或金属损耗的算法。

借助于电磁体11，可以在测量电势降的位置上对钢进行磁化。借助于仪器8中的软件驱动的菜单系统，可以将所施加的磁场的强度选择为所需的量值。对电磁体的所有直接控制都通过控制单元7来执行，该控制单元7又受仪器8的控制。另一可选的方式是，在图1中没有示出的仪器8的菜单系统的控制功能可以是便携式PC，该便携式PC连接到仪器8，并且用来替代仪器8控制这种测量功能。在该仪器和连接到所监测的物体的部件之间的连接是测量缆线10，该测量缆线10由通信总线和电源供应连接构成。这样使得通过一条测量缆线10上的一个连接器将几个单元与仪器8连接成为可能。

另一可选的方式是，对钢板1的去磁化可以通过电磁体11来执行，而不是用仪器8中的电流源来执行。作为第三种可选方式，可以将来自仪器8中的去磁化源的电流通过接触点施加到钢上，所述接触点仅仅用于此目的。电流注入点2和3、测量点4和5、电磁体11以及电路模块6和7可以被集成到一个便携式单元中。

仪器8可以永久性地安置，以便在菜单系统中所限定的时间间隔上进行测量，其中，通过在线连接用户，或者通过由用户携带的便携式单元并将它连接到固定安置设备，来中间存储数据或者传输数据，从而在很多这样的位置上成功地进行测量。另一可选的方式是，所有这些部件都可以是便携式的，并且操作员用电流激发测量针将该单元安置在用于监测的位置上，连接该仪器，进行测量并最后将测量结果传输给PC以便进行后处理。

在图2中示出具有理想曲线形状的典型的电流阶跃和电势降。在实际应用中，电流阶跃具有一定的上升时间，并且由于形成施加电路的测量引线和导体环路之间的电感，该信号(电势降)具有额外的成分。让电流阶跃从负值开始也是可能的。

根据其性质，电势降曲线是贝塞耳函数。该电势降曲线从理论上的无穷大开始，并且具有占据主导地位的时间常数，这意味着该曲线最终接近于指数函数。i(t)和a(t)接近的稳定值仅由测量点之间的欧姆电阻确定。所提及的指数函数的时间常数由几何关系以及导电率和磁导率确定。

如果在钢板的与施加电流阶跃的那一侧相对的一侧上测量电势降，则i(t)从零开始，然后增加，直到达到稳定值为止。这些测量总是基于对作为时间函数的至少两个曲线的比较。

在图3中示出了两个电势降i(t)和a(t)。此外，还有理想的电势降曲线。

图4示出基于两个曲线i(t)和a(t)如何由两个曲线之差计算偏差曲线d(t)。偏差曲线被计算为：

D(t)＝([a(t)/i(t)]-1])1000。

但是，为了表征作为时间函数绘制的各个曲线之间的偏差，也可以使用其它的算法。

作为参照图1的附加解释，下面描述了这样的顺序，其解释了所示的布置如何被用来参考初始磁化曲线和无磁滞磁化曲线测量这种电势降。

1.接通仪器8，并且将所有的输出信号的设置初始化为零。

2.激活仪器8中的电流源，以便进行去磁化。

3.将从仪器8中的电流源到电流控制单元7的用于到电磁体11的磁化电流的电流连续地升高到所需的量值。现在，参照初始磁化曲线对钢进行磁化。

4.仪器8中的激发电流源将脉冲形电流在电流施加点2、3上施加到钢1上。

5.测量在测量点4、5之间的瞬态和稳定电势降，并将其存储在仪器8中。

6.重复上述步骤2。然后，参照无磁滞磁化曲线对钢进行磁化。

7.重复上述步骤4。

8.测量在测量点4、5之间的瞬态电势降a(t)，并将该电势降存储在仪器8中。

9.图4示出i(t)和a(t)的典型的电压降曲线

10.可以在仪器8中初步计算d(t)。

11.将所有的测量结果传输给计算机，以便计算d(t)和进行其它处理。

12.在图5中示出用于测量钢中的应力的典型的偏差曲线d(t)。

13.根据偏差曲线d(t)，找到最大值，这表示钢中的应力。

其中仅仅存在机械应力的偏差曲线的特征在于，经过一定时段之后，偏差达到最大值，然后衰减到d(t)＝0，在d(t)＝0的情况中，电压降是稳定的。如果希望的话，也可以参照初始磁化曲线和磁滞磁化曲线计算偏差曲线。根据经验，已知在不同机械应力下的偏差曲线的特性，并且所述特性使得有可能确定未知的应力状态。

对钢中的相对机械应力的测量可以基于磁化，由此，例如参照给定磁场强度的无磁滞磁化曲线，测量针对已知状态的磁化曲线，并且将该磁化曲线与以前的测量结果进行比较。然后，可以使用挪威专利150136中所述的方法。通常，通过这样的方式来进行这种测量，即，还在不暴露于负荷下并且在所提及的专利中被描述为参考读数的点上进行测量。另外，还包括去磁化的可能性。

可以将相似方法用来测量自从上一次测量以来钢所承受的最大应力。在机械应力减少到初始水平时，由于改变机械应力所引起的磁化的变化没有被恢复。只有在去磁化时，磁化曲线才能回到其原来的形状。

对钢中的绝对机械应力的测量可以基于这样的事实，即，在施加机械应力时，初始磁化曲线和无磁滞磁化曲线会发生改变。参照初始磁化曲线和无磁滞磁化曲线来测量瞬态电压降，所述瞬态电压降受磁化曲线的特性的影响，并且将所述瞬态电压降相互进行比较。另一可选的方式是，可以参照初始磁化曲线和磁滞磁化曲线进行两次测量。

偏差曲线可以以相似的方式用来评估钢的疲劳状况，由此在此基础上计算在疲劳过程中在断裂之前的剩余寿命。例如，当在钢中没有机械应力时，可以以与绝对机械应力相似的方式测量疲劳状况。它也可以用与测量相对机械应力时所应用的方法相同的方法来测量。通过在整个电势降持续时间内观察图7中的偏差曲线，得到关于疲劳程度的附加信息。在图7中示出对于疲劳的相对测量的偏差曲线的一个例子。在t₁时的水平表示表面上的微裂纹的程度，在t₂时的水平表示铁磁性(主要是磁导率)的变化的程度，而t₃表示电阻的相对变化，因为疲劳是由于钢中的结构变化所引起的。当在去磁化之前和之后针对测量结果计算偏差时，疲劳的另一特征性症状是t₂时的偏差相对于t₃时的偏差的相对水平。相对偏差越少，形成的疲劳就越多。

如果可以在电势降的稳定部分中进行测量，或者如果自从上一次测量以来所监测的物体的机械应力没有变化，则对金属损耗、腐蚀和侵蚀的测量可以在没有磁化的情况下进行，并且也可以在没有去磁化的情况下进行。在图6中示出对金属损耗的相对测量的特征电势降偏差曲线。在t₁时的偏差值表示机械应力的任何变化。在偏差曲线中存在明显的突变的t₂时间可以用来评估壁厚。在t₃时的偏差的稳定水平表示与用作偏差计算的参考数据的测量结果有关的金属损耗。

Claims (10)

1.一种用于测量导电材料中的不同状态参数的方法，该方法尤其适用于对铁磁钢结构、例如铁轨、桥、海上平台、钻管和升降器在延长的时期内的状态进行测量或者进行绝对瞬时的测量，以检测机械应力、缺陷和劣化、例如疲劳和金属损耗，从而，在需要时，将监测区域连接到用于磁化或者去磁化的装置，例如，安置铁磁体，其中，用于馈送电流的两个或者更多个接触点被连接，脉冲形电流被强加在这些电流馈送点上，并且，在其它对的所安置接触点之间测量电压降，该方法的特征在于，将此电压降和在已知的测量条件下测量的另一电压降相比较或者与物体的校准数据相比较，分析它们之间的偏差，以确定偏差的相对大小和绝对大小，并且基于此确定该结构的状态。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将由瞬态电压降和稳定电压降构成的整个电压降用于进一步的处理，以确定物体的状态。

3.如权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，在承受机械负荷的位置和没有承载负荷的位置上进行初始测量和随后测量，并且使用这些测量的结果来确定相对于初始测量时的情况而言钢中的机械应力和/或疲劳状况和/或裂纹和/或材料损耗的变化。

4.如权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，在承受机械负荷的位置和没有承载负荷的一块参考材料上进行初始测量和随后测量，并且使用这些测量的结果来确定相对于初始测量时的情况而言钢中的机械应力和/或疲劳状况和/或裂纹和/或材料损耗的变化。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在已经暴露于机械应力下的物体上进行测量，然后对监测区域进行去磁化，在同一区域上进行新的测量，并且分析这些测量之差，以确定自从上一次这样的测量以来钢所承受的最大机械应力。

6.如权利要求1至4中的一项或者多项所述的方法，其特征在于，多个单元以一定的距离沿着结构、例如铁轨安置，以便在一定的时期内沿着所述结构连续地监测所述结构的状态变化。

7.如权利要求1至5中的一项或者多项所述的方法，其特征在于，在测量金属损耗或者裂纹之前，用交流电流对钢进行去磁化。

8.一种用于实施如权利要求1所述的方法的装置，在需要时，该装置可以在监测位置上在初始磁化曲线、无磁滞磁化曲线或者磁滞磁化曲线的选定点对钢进行去磁化，该装置的特征在于，用于参照一个或者多个磁化曲线测量瞬态电压降的布置，并且包括用于分析电压降来确定金属中的机械应力和/或疲劳状况和/或者裂纹和/或材料损耗的算法。

9.如权利要求8所述的装置，该装置包括用来施加脉冲形电流的布置，其特征在于，该布置被设置成在钢中施加交流电流，以通过将振幅逐渐地减少到零对钢进行去磁化。

10.如权利要求8或者9所述的装置，其特征在于，该装置被设计成从管的一端插入管内，以便在管内连接来自电流馈送连接之一的一个电流，该装置包括测量电极阵列，其连接到内侧并在内侧上测量电压降，从而提供了对于内表面上的微裂纹的更好的灵敏度。

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