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。诸如桥梁主体垮塌事故、桥梁拉索断裂事故、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。

 

　　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巨磁阻抗效应和轴向采集特性研制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螺栓应力预防螺栓断裂事故

 

　　严重的螺栓安全事故会造成生命、财产损失。监测螺栓应力判断损伤趋势才能有效预防事故发生。螺栓应力监测是包括大型设备在内的钢结构件安全监测的重要内容。

 

　　微磁基础传感器基于地磁信息采集、计算、传输、显示的原理，利用金属磁力学原理和金属磁记忆效应，监测螺栓应力变化，为包括大型设备在内的钢结构件管理部门提供安全保障。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、功耗低等优势。采用国创智能微磁基础传感器测量金属材料的内应力，分辨率最高可达公斤级。

 

　　以风电塔筒为例，当螺栓在正常使用时，其承受的拉力主要来源是塔筒倾斜产生的不对称重力，以及侧向风压产生的推力。因此，其圆周上每个螺栓都会有一个拉力，并会随塔筒倾斜度和风向、风力发生微小的变化，但总体都有一个相对固定的拉力，大小约为100kN。一旦有螺栓松脱，其拉力将分散给其它未松脱的螺栓，而其自身拉力将降至零或者一个很小的数值。

 

　　基于此原理24小时实时监测每个螺栓的拉力，一旦其数值发生变化，且与风向、风力不相关，且塔筒未出现严重倾斜，即可准确判断出该螺栓是否发生松动。此外，风电塔筒是一个超高钢结构体，也可以借助螺栓应力监测系统对其是否倾斜、结构受力及其分布情况进行24小时实时在线监控，进而构成一整套风电塔筒结构安全监控系统。

 

　　基于金属磁记忆效应原理工作的螺栓应力监测系统，其核心部件为国创智能微磁基础传感器。螺栓应力监测系统作为一个独立的分布式测量与控制系统使用，不仅可应用于风电塔筒应力监测，还可广泛应用于其他包括大型设备在内的钢结构件应力监测。

 

　　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，应用于诸如螺栓断裂事故、桥梁拉索断裂事故、桥梁主体垮塌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。