隨著腐蝕大數(shù)據(jù)的提出，科技工作者們也在不斷致力于基于物聯(lián)網(wǎng)下腐蝕大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究和設(shè)備開(kāi)發(fā)。在科技工作者們的不斷努力探索下，已創(chuàng)下了有許多成功的案例。

 

 

1 腐蝕災(zāi)害不斷，腐蝕基因組和大數(shù)據(jù)如何發(fā)揮作用？

 

引言

 

材料腐蝕造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡和環(huán)境災(zāi)難。材料腐蝕學(xué)科是嚴(yán)重依賴數(shù)據(jù)的學(xué)科，無(wú)論腐蝕機(jī)理與規(guī)律研究、測(cè)試方法確定、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定，還是腐蝕事故處理，都嚴(yán)重依賴腐蝕數(shù)據(jù)以及與腐蝕相關(guān)的環(huán)境數(shù)據(jù)。由于材料腐蝕過(guò)程及其與環(huán)境作用的復(fù)雜性，傳統(tǒng)片斷化的腐蝕數(shù)據(jù)已經(jīng)不能適應(yīng)制造業(yè)和社會(huì)基礎(chǔ)建設(shè)快速發(fā)展的需要。

在 2015 年 11 月的《Nature》雜志上，北京科技大學(xué)腐蝕與防護(hù)中心的國(guó)家材料環(huán)境腐蝕平臺(tái)李曉剛教授團(tuán)隊(duì)提出了“腐蝕大數(shù)據(jù)”的原創(chuàng)概念，并圍繞這一概念，闡述處理“腐蝕大數(shù)據(jù)”理論與技術(shù)層面的關(guān)鍵問(wèn)題，從而建立腐蝕信息學(xué)和腐蝕基因組工程。

2013 年 11 月，青島的一段輸油管道爆炸造成了 62 人死亡和 136 人受傷。8個(gè)月后，類似的爆炸事件在高雄發(fā)生，造成 32 人死亡和 321 人受傷。兩個(gè)管道都是用同樣規(guī)格的鋼材制成，并且在相似的環(huán)境下使用20多年后發(fā)生失效。失效的原因是腐蝕——材料在其使用環(huán)境中發(fā)生化學(xué)或者電化學(xué)反應(yīng)而造成的損耗與破壞。

這些災(zāi)難是非常普遍的：在中國(guó)的城市里平均每平方公里有 30 公里的地下管道，形成了包括油氣管道、給水總管和電氣通訊纜線的錯(cuò)綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。腐蝕的代價(jià)也是十分昂貴的。根據(jù)美國(guó)的一項(xiàng)調(diào)查，腐蝕造成的損失可達(dá)到美國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的 6% 之多。按照同樣的比例計(jì)算，全球范圍內(nèi)，每年的腐蝕損失總計(jì)超過(guò) 4 萬(wàn)億美元——相當(dāng)于 40個(gè)卡特里娜颶風(fēng)造成的損失。其中一半的費(fèi)用直接用于腐蝕預(yù)防與控制，另外的一半來(lái)源于腐蝕造成的損害和生產(chǎn)力的喪失。

腐蝕相關(guān)知識(shí)的匱乏使我們沒(méi)法對(duì)腐蝕失效進(jìn)行有效的預(yù)防。

比如，地下管道的腐蝕受到很多因素的影響，包括管道所用材料的成分、組織結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)，同時(shí)也包括了一系列的環(huán)境因素，比如土壤含氧量、水分、鹽度、pH 值、溫度和土壤中的生物體。

包括油氣、海洋和核能在內(nèi)的很多工業(yè)搜集了大量腐蝕數(shù)據(jù)，用于識(shí)別腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)測(cè)組件服役壽命并控制腐蝕的發(fā)生，然而，這些數(shù)據(jù)大多歸企業(yè)私有，而分析這些數(shù)據(jù)所得到的腐蝕控制最佳實(shí)踐也很少對(duì)外公開(kāi)。原油泄漏、橋梁塌陷以及其它的腐蝕次生災(zāi)害仍在持續(xù)不斷的發(fā)生。

隨著越來(lái)越多的先進(jìn)材料應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備、生物傳感器、燃料電池、電池、太陽(yáng)能板和微電子元件中，對(duì)相關(guān)腐蝕知識(shí)的需求也變得越來(lái)越強(qiáng)烈。腐蝕也成為了限制納米科技應(yīng)用的主要因素。

眾多致力于材料數(shù)據(jù)共享的舉措，比如材料基因組計(jì)劃（Materials GenomeInitiative，MGI），主要關(guān)注材料的“誕生”過(guò)程，而不是材料的“消亡”過(guò)程。人們迫切的需要一個(gè)共享腐蝕數(shù)據(jù)的在線平臺(tái)。研究人員需要獲得大量而且多種多樣的腐蝕信息，從而可以借助于數(shù)據(jù)挖掘和計(jì)算機(jī)建模等工具進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確的腐蝕失效預(yù)測(cè)和更好的防腐設(shè)計(jì)。

從微觀腐蝕學(xué)的角度看 , 材料腐蝕學(xué)是一門依賴于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的學(xué)科，無(wú)論是材料腐蝕基礎(chǔ)理論和機(jī)理研究，還是發(fā)展防護(hù)技術(shù)和建立實(shí)驗(yàn)技術(shù)與方法，建立測(cè)試與工程標(biāo)準(zhǔn)，都必須不斷積累材料在各種環(huán)境中的腐蝕數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)才是構(gòu)成腐蝕學(xué)科所有理論、技術(shù)、方法和標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。材料腐蝕數(shù)據(jù)積累必須采用標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化的方法采集獲得，只有這樣，這些數(shù)據(jù)才具有科學(xué)性與實(shí)用性。從宏觀腐蝕學(xué)的角度看 , 腐蝕其實(shí)是人類社會(huì)中的一切構(gòu)筑物的毀滅過(guò)程 , 須將腐蝕現(xiàn)象作為系統(tǒng)整體研究，考察它與社會(huì)環(huán)境之間的交互作用以及腐蝕學(xué)的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效應(yīng) , 因此 ,在人類社會(huì)步入大數(shù)據(jù)時(shí)代的當(dāng)今 , 巨量與腐蝕相關(guān)的數(shù)據(jù)已經(jīng)快速產(chǎn)生，這些數(shù)據(jù)如何處理 ? 如何儲(chǔ)存 ? 如何挖掘以發(fā)揮最大功能 ? 這些問(wèn)題已經(jīng)清晰地?cái)[在我們面前，卻又是以往材料腐蝕學(xué)研究?jī)?nèi)容中無(wú)法解決的問(wèn)題。

腐蝕的復(fù)雜過(guò)程及其與環(huán)境的復(fù)雜作用：腐蝕數(shù)據(jù)的“大數(shù)據(jù)”特質(zhì)

 

腐蝕研究中存在的最大挑戰(zhàn)，是對(duì)指定環(huán)境中腐蝕如何發(fā)生進(jìn)行精確預(yù)測(cè)。這要求全面了解所有相關(guān)影響因素及其相互作用。然而，目前很多腐蝕問(wèn)題還沒(méi)有精準(zhǔn)的機(jī)理模型。在缺乏不同環(huán)境下材料失效歷史數(shù)據(jù)的情況下，預(yù)測(cè)這些問(wèn)題是不可能的。在相關(guān)環(huán)境參數(shù)未知的情況下，也無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)來(lái)評(píng)判現(xiàn)場(chǎng)的服役性能。

腐蝕數(shù)據(jù)來(lái)之不易。腐蝕造成的材料損傷可能要經(jīng)過(guò)幾年甚至幾十年的累積才會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)，而任何單一研究?jī)H能獲得反映幾個(gè)影響因素的部分信息。我們必須將腐蝕數(shù)據(jù)集整合起來(lái)。例如，早期的海洋腐蝕研究獲得了一些不可靠的結(jié)果，因?yàn)樗鼈儍H僅考慮了物理化學(xué)因素（包括 pH、溶氧量和溫度），但是并未考慮到海水中的生物體的作用。目前，在結(jié)合基因數(shù)據(jù)之后，海洋腐蝕的模型得到了改進(jìn)。

腐蝕的程度還取決于當(dāng)?shù)丨h(huán)境。例如，在中國(guó)干燥的內(nèi)陸地區(qū)可以維持幾十年壽命的鋼結(jié)構(gòu)，如果置于潮濕且含鹽量高的東南亞沿海地區(qū)，則可能會(huì)在短短數(shù)月內(nèi)失效。一些高分子防腐涂層在緯度較高的地區(qū)能夠服役數(shù)年，而在赤道附近，高溫和強(qiáng)紫外線的作用會(huì)使高分子的化學(xué)鍵更迅速地?cái)嚅_(kāi)，從而導(dǎo)致涂層于幾周內(nèi)老化降解。

推斷一般性的腐蝕規(guī)律——比如濕度、鹽分或空氣污染對(duì)某種鋼材料的影響——需要綜合考慮多種環(huán)境下的研究成果。例如，Morcillo 等人曾進(jìn)行過(guò)一項(xiàng)關(guān)于耐候鋼腐蝕的調(diào)查。這份調(diào)查中采用了來(lái)自全球 22 個(gè)國(guó)家、108 個(gè)地點(diǎn)、最長(zhǎng)達(dá) 22 年的現(xiàn)場(chǎng)暴露試驗(yàn)結(jié)果。

隨著全球貿(mào)易的增長(zhǎng)，油氣、建筑、汽車、電氣和其他工業(yè)都需要腐蝕數(shù)據(jù)在不同國(guó)家間進(jìn)行共享，以保證其產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性。由于未能預(yù)知進(jìn)口國(guó)潛在的腐蝕問(wèn)題，近年來(lái)世界范圍內(nèi)已有數(shù)百萬(wàn)輛汽車被召回。2013 年我國(guó)提出的“一帶一路”戰(zhàn)略，將促進(jìn)連接?xùn)|西方絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶上各國(guó)家之間的工業(yè)聯(lián)系，也同時(shí)是帶來(lái)了史無(wú)前例的挑戰(zhàn)。從亞洲到非洲和歐洲，涉及到建筑、運(yùn)輸、能源和通訊等領(lǐng)域的多項(xiàng)數(shù)十億美元的工程項(xiàng)目即將開(kāi)始，我們需要對(duì)這些項(xiàng)目進(jìn)行快速的腐蝕評(píng)估和材料選擇設(shè)計(jì)。

先進(jìn)材料也帶來(lái)了全新的腐蝕問(wèn)題。例如，當(dāng)鉑、金等貴金屬的尺寸減小到納米級(jí)時(shí)，它們的電化學(xué)穩(wěn)定性急劇下降。目前，鉑納米顆粒的腐蝕問(wèn)題是限制燃料電池鉑基催化劑壽命的關(guān)鍵障礙。

材料學(xué)家已經(jīng)意識(shí)到數(shù)據(jù)共享的必要性，與這些同行相比，腐蝕科學(xué)家顯得慢了一些。在 MGI 的主導(dǎo)下，美國(guó)政府機(jī)構(gòu)建立了幾個(gè)大型的材料數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，收集共享了材料的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括物理、化學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，但并不包括腐蝕數(shù)據(jù)。然而如果沒(méi)有考慮到材料的環(huán)境穩(wěn)定性和持久性的話，任何 MGI 所承諾的先進(jìn)材料將都將是不切實(shí)際的。

通過(guò)共享腐蝕數(shù)據(jù)，每人都可以對(duì)腐蝕有更深的理解，并從中獲益。但是，首要的問(wèn)題就是標(biāo)準(zhǔn)化“腐蝕大數(shù)據(jù)”倉(cāng)庫(kù)的建設(shè)。

標(biāo)準(zhǔn)化的“腐蝕大數(shù)據(jù)”

 

倉(cāng)庫(kù)不同國(guó)家、行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域都應(yīng)該建立開(kāi)放的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施，儲(chǔ)存相關(guān)的腐蝕數(shù)據(jù)。通過(guò)使用相同的數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式，可以把這些數(shù)據(jù)聯(lián)系起來(lái)，最終形成全球系統(tǒng)，并有可能連接到 MGI。

政府應(yīng)該起到主導(dǎo)的作用。例如，自 2006 年以來(lái)，中國(guó)政府已經(jīng)投入了近 2 億人民幣，建立了國(guó)家環(huán)境材料腐蝕平臺(tái)（www.ecorr.org）。該平臺(tái)共享了覆蓋中國(guó)不同地區(qū)典型環(huán)境（大氣，土壤和水）30 個(gè)腐蝕野外測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)站所積累的材料腐蝕基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其他國(guó)家、工業(yè)和利益集團(tuán)應(yīng)該建立類似的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施，來(lái)收集、共享其它地區(qū)或行業(yè)領(lǐng)域的腐蝕數(shù)據(jù)。

我們需要協(xié)調(diào)各方的力量，重點(diǎn)收集那些急迫的或新興行業(yè)領(lǐng)域（例如在新能源或納米科技）相關(guān)的腐蝕數(shù)據(jù)。

例如，美國(guó)能源部就與 MGI 合作建立材料數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，以推動(dòng)清潔新能源領(lǐng)域的發(fā)展。撥款機(jī)構(gòu)應(yīng)鼓勵(lì)先進(jìn)材料和新興科技的腐蝕數(shù)據(jù)共享，例如將其列為科研項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的資助條件，并對(duì)相關(guān)研究成果在開(kāi)源期刊上發(fā)表提供資金支持。腐蝕科學(xué)團(tuán)體應(yīng)向其他材 料 科 學(xué) 團(tuán) 體（ 如 Materials ResearchSociety,TheMinerals,Metals & MaterialsSociety and ASM International）學(xué)習(xí)，召集專家學(xué)者指定最佳的數(shù)據(jù)共享方案和導(dǎo)則。

通過(guò)和學(xué)術(shù)界合作，可以鼓勵(lì)工業(yè)界廣泛參與腐蝕數(shù)據(jù)共享。作為貢獻(xiàn)其腐蝕數(shù)據(jù)的回報(bào)，公司可以相關(guān)節(jié)省研發(fā)經(jīng)費(fèi)。而且因?yàn)楦g主要關(guān)乎維護(hù)與安全，而與行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系不大，所以企業(yè)應(yīng)該樂(lè)意共享此類數(shù)據(jù)。就像制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)那樣，企業(yè)間可以形成數(shù)據(jù)聯(lián)盟來(lái)提出共同關(guān)注的腐蝕問(wèn)題進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，并聯(lián)手提出可作為行業(yè)基準(zhǔn)的解決方案。

腐蝕數(shù)據(jù)的獲取、管理、挖掘、模擬和仿真都需要更加強(qiáng)大的工具。將這些元素整合在一起，構(gòu)成了我們所定義的腐蝕大數(shù)據(jù)與信息學(xué)。通過(guò)先進(jìn)監(jiān)測(cè)技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)需要“大數(shù)據(jù)”的分析方法。例如，機(jī)器人（俗稱“智能豬”）可攜帶數(shù)百個(gè)傳感器，在檢查管壁時(shí)可一次收集 TB 的數(shù)據(jù)。而高度準(zhǔn)確的腐蝕仿真可以部分或完全地取代耗時(shí)、污染環(huán)境、復(fù)雜而且昂貴的腐蝕試驗(yàn)研究。例如，量子化學(xué)建模方法已被大量應(yīng)用于評(píng)估緩蝕劑的分子結(jié)構(gòu)和電子特性。

“腐蝕大數(shù)據(jù)”理論層面的關(guān)鍵問(wèn)題

 

“腐蝕大數(shù)據(jù)”的理論建模與挖掘是揭示存在于腐蝕數(shù)據(jù)里的模式及數(shù)據(jù)間的關(guān)系的關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)大量的復(fù)雜腐蝕數(shù)據(jù)集進(jìn)行自動(dòng)探索性分析是“腐蝕大數(shù)據(jù)”理論的關(guān)鍵。目前“大數(shù)據(jù)”研究中所用的各種先進(jìn)數(shù)學(xué)工具，都可以用來(lái)建立腐蝕模型，表征數(shù)據(jù)之間的因果關(guān)系，揭示以往傳統(tǒng)片斷腐蝕數(shù)據(jù)無(wú)法闡明的腐蝕機(jī)理與規(guī)律。

“腐蝕大數(shù)據(jù)”的可視化是腐蝕數(shù)據(jù)挖掘中一種重要方法，這種表征腐蝕建模結(jié)果的方法能夠觀察到所期望的建模和仿真的計(jì)算結(jié)果，用多維的形式將腐蝕數(shù)據(jù)的各個(gè)屬性值表示出來(lái)，這樣可以從不同的維度觀察腐蝕數(shù)據(jù)，從而對(duì)腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入的觀察和分析。圖 1 就是利用擴(kuò)散模型，在大量溫度、濕度和硫分布數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，得到的山東地區(qū)大氣腐蝕等級(jí)圖。圖 2 是利用有限元計(jì)算方法，得到的應(yīng)力腐蝕裂尖部位電位分布的數(shù)據(jù)圖片。

“腐蝕大數(shù)據(jù)”理論層面上最重要的問(wèn)題是基于“腐蝕大數(shù)據(jù)”的腐蝕過(guò)程仿真 , 這其實(shí)是在以上腐蝕理論建模基礎(chǔ)上加上了時(shí)間的因素 , 是腐蝕動(dòng)力學(xué)過(guò)程的建模。這是“腐蝕大數(shù)據(jù)”理論層面的核心問(wèn)題，可以說(shuō)是王冠上的明珠。

圖1 山東地區(qū)大氣腐蝕等級(jí)圖-紅色的腐蝕等級(jí)為C5級(jí)，黃色為C4級(jí)，綠色為C3級(jí)

 

圖2 應(yīng)力腐蝕裂尖部位電位分布的數(shù)據(jù)圖片

 

圖3 元胞自動(dòng)機(jī)模型計(jì)算金屬早期大氣腐蝕形貌和動(dòng)力學(xué)過(guò)程

 

圖 3 是利用元胞自動(dòng)機(jī)模型計(jì)算得到的金屬早期大氣腐蝕形貌和動(dòng)力學(xué)過(guò)程，與邊界條件相同的腐蝕試驗(yàn)結(jié)果符合得很好。十多年來(lái)，包括李曉剛教授團(tuán)隊(duì)在內(nèi)的國(guó)內(nèi)外 5~6 個(gè)研究團(tuán)隊(duì)致力于這方面研究，取得了初步的成果。這項(xiàng)研究實(shí)際是對(duì)材料腐蝕復(fù)雜過(guò)程的“可視化”的再現(xiàn)，對(duì)認(rèn)識(shí)腐蝕這一復(fù)雜過(guò)程的機(jī)理與規(guī)律具有重要的意義。

 

來(lái)源：知社學(xué)術(shù)圈

 

2 特別推薦！在線腐蝕監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)

腐蝕的常見(jiàn)類型可分為兩大類，即均勻腐蝕和局部腐蝕，后者還可細(xì)分為電偶腐蝕、點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞等。其中，應(yīng)力腐蝕和點(diǎn)腐蝕在設(shè)備、管線的使用和運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的頻率最高，危害最大。

腐蝕監(jiān)檢測(cè)技術(shù)就是利用各種技術(shù)手段對(duì)材料、設(shè)備的腐蝕速率以及腐蝕狀況進(jìn)行測(cè)量調(diào)查，包含離線檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)兩大類。

 

在線腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)

 

 

在線腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)的分類

 

經(jīng)過(guò)近三、四十年的發(fā)展，在線腐蝕監(jiān)測(cè)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，其監(jiān)測(cè)技術(shù)形式也多種多樣，在生產(chǎn)實(shí)際中常用的有掛片法、電阻探針?lè)ā㈦姼刑结樂(lè)ā㈦娀瘜W(xué)探針?lè)治龇ê突瘜W(xué)分析法等等。

掛片法

 

優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單、可以同時(shí)進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行幾種材料，數(shù)據(jù)可靠性較高。

缺點(diǎn)：監(jiān)測(cè)的周期比較長(zhǎng)，短則至少一個(gè)月，長(zhǎng)則一兩年，甚至需要更長(zhǎng)的時(shí)間；所測(cè)的腐蝕速率為某一時(shí)間段內(nèi)的平均腐蝕速率，并不能反應(yīng)設(shè)備、材料的即時(shí)腐蝕速率；另外，磨蝕等局部腐蝕和冷凝液對(duì)腐蝕過(guò)程的影響等效應(yīng)也不能很好的重現(xiàn)。

電阻探針?lè)?/span>

 

優(yōu)點(diǎn)：適用于氣相、液相、導(dǎo)電及不導(dǎo)電的介質(zhì)，可連續(xù)測(cè)定某一部位的腐蝕速率，且測(cè)量過(guò)程與工藝物料的導(dǎo)電性無(wú)關(guān)，原理直觀，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。

缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，試件加工較嚴(yán)格，另外，如果腐蝕產(chǎn)物是導(dǎo)電體（如硫化物），易造成測(cè)量結(jié)果偏高；測(cè)量元件是電阻絲，所以溫度補(bǔ)償元件只能封裝到探針體內(nèi)，對(duì)響應(yīng)溫度的變化有一定影響；要求腐蝕必須是均勻的，如果出現(xiàn)孔蝕、應(yīng)力腐蝕破裂或其它局部性腐蝕情況，則測(cè)量結(jié)果不容易解釋；探針絲處于粘稠介質(zhì)中，抗沖刷能力較弱。

電感探針?lè)?/span>

 

優(yōu)點(diǎn)：是目前比較流行的在線腐蝕監(jiān)測(cè)方法，由于測(cè)量信號(hào)采用交流信號(hào)，所以抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量精度較高；溫度補(bǔ)償試片被包在測(cè)試片里面，處于介質(zhì)中的同一層面，所以其測(cè)量結(jié)果受溫度影響很小；探針為管狀，與探針體通過(guò)焊接方式連接，內(nèi)部填充有高溫固化膠，抗點(diǎn)蝕和耐沖刷能力比電阻探針強(qiáng)。

缺點(diǎn)：它反映的是一段時(shí)間內(nèi)腐蝕積累的情況，不能測(cè)量瞬間的腐蝕速率變化；探針壽命短。

電化學(xué)探針?lè)?/span>

 

優(yōu)點(diǎn)：直接測(cè)量介質(zhì)的瞬時(shí)腐蝕速率，不需要腐蝕的積累；靈敏度高，數(shù)據(jù)直觀。

缺點(diǎn)：必須應(yīng)用于電解質(zhì)腐蝕體系。

化學(xué)分析法

 

優(yōu)點(diǎn)：在儀表上可直接讀出介質(zhì)溫度和 pH 值；采用離子選擇性電極可以方便地檢測(cè)出腐蝕性離子（如氯離子、硫離子等）的存在，而且通過(guò)介質(zhì)中金屬離子濃度的變化，可粗略估算出設(shè)備的腐蝕程度。

缺點(diǎn)：通常監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)只能反應(yīng)該系統(tǒng)的腐蝕程度，是一種均勻腐蝕的概念，另外，當(dāng)金屬表面生成膜或產(chǎn)生膜的溶解，或者腐蝕是局部腐蝕時(shí)，則無(wú)法估算出設(shè)備的腐蝕速率；不能應(yīng)用于油氣管線，只能應(yīng)用于塔頂污水等電解質(zhì)體系的pH 值測(cè)量。

 

 

 

其它方法

 

除了以上較為成熟的技術(shù)方法，近幾年又新出現(xiàn)了一些迅速成長(zhǎng)的在線腐蝕監(jiān)測(cè)方法，這其中包括：①交流阻抗技術(shù)（AC Impedance），對(duì)于高阻電解液及范圍廣泛的許多介質(zhì)條件該技術(shù)有較大可靠性。在較寬的頻率范圍內(nèi)測(cè)量交流阻抗需要時(shí)間很長(zhǎng)，這樣就很難做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腐蝕速率，不適合于實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)腐蝕監(jiān)測(cè)。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，技術(shù)人員針對(duì)大多數(shù)腐蝕體系的阻抗特點(diǎn)，通過(guò)適當(dāng)選擇兩個(gè)頻率，監(jiān)測(cè)金屬的腐蝕速率，設(shè)計(jì)和制造了自動(dòng)交流腐蝕監(jiān)控器；②電化學(xué)噪聲技術(shù)，它包括電化學(xué)電位噪聲（EPN）以及電化學(xué)電流噪聲（ECN），它反映了由于腐蝕發(fā)生引起腐蝕電位或電偶電流的微幅波動(dòng)，可測(cè)量點(diǎn)蝕系數(shù)，確定初始點(diǎn)蝕及局部腐蝕趨勢(shì)；③薄層活化技術(shù)（TLA），其優(yōu)勢(shì)在于能直接從構(gòu)件上測(cè)定金屬總損失，且靈敏度高，還有場(chǎng)圖象技術(shù)（FSM）應(yīng)用于海底輸油管線的實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，該技術(shù)還可以對(duì)不能觸及部位進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)，例如對(duì)具有輻射危害的核能發(fā)電廠設(shè)備的危險(xiǎn)區(qū)域裂紋的監(jiān)測(cè)等。此外，新興起的恒電量技術(shù)和電感阻抗法等，對(duì)腐蝕監(jiān)測(cè)在快速、準(zhǔn)確性、應(yīng)用范圍等方面都有新的突破，但是它們大都剛超越實(shí)驗(yàn)室研究范圍，正在進(jìn)入實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)腐蝕監(jiān)測(cè)階段，還沒(méi)有形成成熟技術(shù)。

來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

 

3 船載陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 

引言

 

船舶、橋梁等的鋼質(zhì)材料與海水接觸，極易受海水強(qiáng)烈的化學(xué)腐蝕以及海洋生物附著的污損，降低了使用壽命，增加了維護(hù)、維修的費(fèi)用，并有可能造成嚴(yán)重危害。陰極保護(hù)技術(shù)的原理就是給被腐蝕金屬結(jié)構(gòu)物表面提供大量電子，被保護(hù)結(jié)構(gòu)物成為陰極，抑制金屬腐蝕發(fā)生的電子遷移，避免或減弱腐蝕的發(fā)生。

陰極保護(hù)通常有兩種方法：犧牲陽(yáng)極和外加電流兩種。犧牲陽(yáng)極方法由于簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，被廣泛采用，但效果欠佳，焊在船體外表面的鋅塊也會(huì)增加船體阻力。使用永久性外加電流的陰極保護(hù)裝置是目前控制鋼質(zhì)船體在海水中腐蝕的最有效方法。本文采用的即為外加電流陰極保護(hù)的方法。

 

陰極保護(hù)技術(shù)在 70 年代開(kāi)始被美國(guó)、日本等各國(guó)船體保護(hù)中應(yīng)用并取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。在 20 世紀(jì) 70 － 80年代，我國(guó)陰極保護(hù)技術(shù)的引進(jìn)、消化和二次開(kāi)發(fā)才取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，也就是在這個(gè)時(shí)期，研制了一批陰極保護(hù)的材料和設(shè)備，打下了陰極保護(hù)在行業(yè)市場(chǎng)供需鏈的基礎(chǔ)。近年來(lái)，該技術(shù)在多個(gè)場(chǎng)合如碼頭工程鋼管樁、埋地管道、海洋平臺(tái)等也有應(yīng)用。

李言濤等在《中國(guó)海洋腐蝕科研選題與發(fā)展戰(zhàn)略》中指出，隨著計(jì)算機(jī)與自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，陰極保護(hù)電位的監(jiān)測(cè)逐步從以前定期人工檢測(cè)發(fā)展到通過(guò)對(duì)電位的模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換和邏輯運(yùn)算。電位監(jiān)測(cè)由原來(lái)的對(duì)單一點(diǎn)、線的監(jiān)測(cè)，逐漸實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)綜合的監(jiān)控。通過(guò)應(yīng)用于局域網(wǎng)的 Intranet 技術(shù)和應(yīng)用于廣域網(wǎng)的 Internet 技術(shù)或電信通信線路，可以在整個(gè)作業(yè)海域或企業(yè)內(nèi)甚至于全國(guó)各地乃至全球的相關(guān)機(jī)構(gòu)方便地實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息共享、系統(tǒng)評(píng)價(jià)控制和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。本項(xiàng)目中對(duì)多個(gè)（四個(gè)）艦載陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以認(rèn)為是對(duì)該預(yù)測(cè)方向的小規(guī)模嘗試。

目前陰極保護(hù)項(xiàng)目的計(jì)算機(jī)監(jiān)控研究項(xiàng)目已經(jīng)在開(kāi)展，然而關(guān)于在線監(jiān)測(cè)的相關(guān)報(bào)道較少。孫虎元對(duì)長(zhǎng)江二橋的陰極保護(hù)電路項(xiàng)目論述了監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目屬于國(guó)家依托類項(xiàng)目，對(duì)于小型陰極保護(hù)項(xiàng)目的監(jiān)控設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)并不實(shí)用。

本文依托某公司的艦體外加電流陰極保護(hù)監(jiān)控設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控及人機(jī)交互。其核心是通過(guò)陰極保護(hù)系統(tǒng)主控板 ARM 嵌入式處理器和觸摸屏進(jìn)行傳感器信號(hào)和輸入控制信號(hào)的傳遞。

下文首先介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，給出了系統(tǒng)主控板和硬件總體設(shè)計(jì)方案。之后重點(diǎn)闡述了然后介紹了主控板ARM 芯片的通訊過(guò)程和人機(jī)界面觸摸屏的軟件設(shè)計(jì)。文末對(duì)本文的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行總結(jié)，并給出了下一步的設(shè)計(jì)思路。

1 外加電流陰極保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)總體構(gòu)造

 

陰極保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)為船載檢測(cè)系統(tǒng)，由多個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成。總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1 所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)示意圖

 

其中圖 1 左邊的 Marimpress 框代表的是多個(gè)艦載外加電流陰極保護(hù)裝置。圖 1 右側(cè)的虛線框內(nèi)是遠(yuǎn)程監(jiān)控單元。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控單元可實(shí)現(xiàn)多個(gè)艦載陰極電流保護(hù)裝置的電流電壓監(jiān)控。

圖2 單個(gè)外加電流陰極保護(hù)結(jié)構(gòu)圖

 

單個(gè)外加電流陰極保護(hù)保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)圖如圖 2 所示，其中最主要的部分有輔助陽(yáng)極，參比電極，直流大電流發(fā)生器，高電壓變壓裝置以及控制電路板。本文將重點(diǎn)闡述遠(yuǎn)程測(cè)控單元設(shè)計(jì)。

2 中央監(jiān)控單元設(shè)計(jì)

 

中央監(jiān)控器是整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控中心，具備針對(duì)下級(jí)各個(gè)ICCP 設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)保存等各項(xiàng)功能。但I(xiàn)CCP 設(shè)備的工作并不依賴于中央監(jiān)控器，無(wú)論 ICCP 設(shè)備是否與中央監(jiān)控器連接，ICCP 設(shè)備都具備獨(dú)立工作的能力。當(dāng)ICCP 設(shè)備連接到中央監(jiān)控器時(shí)，ICCP 設(shè)備總是執(zhí)行最后一個(gè)輸入的操作指令，而無(wú)論該指令是來(lái)源于 ICCP 設(shè)備本身的操作面板還是來(lái)源于中央監(jiān)控器。若中央監(jiān)控器的操作和 ICCP設(shè)備操作面板上的操作同時(shí)發(fā)生時(shí)，ICCP 設(shè)備將只執(zhí)行本身操作面板的的操作指令，即本地操作指令將優(yōu)先于遠(yuǎn)程操作指令得到響應(yīng)和執(zhí)行。

2.1 中央監(jiān)控器工作原理

 

中央監(jiān)控器總體機(jī)構(gòu)如圖 3 所示。Arm 芯片 LPC2138 因其性能高、體積小、功耗低、成本低、代碼密度緊湊和供應(yīng)源多等顯著優(yōu)點(diǎn)，是監(jiān)控板采用的處理芯片。它負(fù)責(zé)完成控制所需所有數(shù)據(jù)處理以及通信和控制任務(wù)。其它電路模塊有些則是將外部信號(hào)轉(zhuǎn)換成芯片能夠接收的信號(hào)，有些是提高芯片控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，還有一些則負(fù)責(zé)芯片與其它器件之間的通信，承擔(dān)電壓電流設(shè)定和調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)采集、外部存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)顯示等功能。通信接口采用 485 總線與Modbus 協(xié)議。外部存儲(chǔ)設(shè)計(jì)了 SD 和 USB 兩個(gè)接口：前者用于運(yùn)行中保存數(shù)據(jù)使用，后者用于復(fù)制 SD 內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中除了正常工作電源外，增設(shè)短時(shí)后備電源，用于監(jiān)控器掉電時(shí)，保存數(shù)據(jù)之用。

圖3 監(jiān)控單元功能模塊圖

 

2.2 MODBUS通信

 

Modbus 協(xié)議是一種已廣泛應(yīng)用于當(dāng)今工業(yè)控制領(lǐng)域的通用通訊協(xié)議。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、或控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)）可以和其它設(shè)備之間進(jìn)行通信。Modbus 協(xié)議使用的是主從通訊技術(shù)，即由主設(shè)備主動(dòng)查詢和操作從設(shè)備。一般將主控設(shè)備方所使用的協(xié)議稱為 Modbus Master，從設(shè)備方使用的協(xié)議稱為 Modbus Slave。Modbus 通訊物理接口可以選用串口（包括ＲS232和ＲS485），也可以選擇以太網(wǎng)口。

本系統(tǒng)中，Modbus 命令幀的發(fā)送采用了 fifo（先入先出）循環(huán)隊(duì)列發(fā)送機(jī)制，而響應(yīng)幀采用中斷方式接收。為確保整個(gè)系統(tǒng)通訊穩(wěn)定，本系統(tǒng)在發(fā)送和接收過(guò)程中均進(jìn)行保護(hù)：發(fā)送命令幀過(guò)程中加入了超時(shí)重發(fā)、強(qiáng)發(fā)；而在接收響應(yīng)幀過(guò)程中，采用了嚴(yán)格的預(yù)判幀格式的方式，確保非法響應(yīng)幀不影響整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，運(yùn)行機(jī)制如圖 2 所示。

2.2.1 循環(huán)隊(duì)列發(fā)送命令機(jī)制

 

系統(tǒng)調(diào)用一次發(fā)送 Modbus 命令函數(shù)即將 Modbus 命令幀依次存入 fifo（二維數(shù)組）內(nèi)，運(yùn)行機(jī)制如下：

（1）初始化時(shí) head 指針與 tail 指針同時(shí)指向二維數(shù)組頭部 :（2）命令幀存入 fifo 的地址永遠(yuǎn)都在 tail 指針處，并且當(dāng)命令幀進(jìn)入 fifo 之后，tail 指針自增一次 :（3）當(dāng)真正準(zhǔn)備發(fā)送命令幀時(shí)，必須從 fifo 的 head 指針處取命令幀，并且當(dāng)命令幀被發(fā)送出去后，head 指針自增一次；當(dāng) head 指針與 tail 指針相等的時(shí)候，本系統(tǒng)則認(rèn)為 fifo為空。如果是因?yàn)槊顜M(jìn)入 fifo 過(guò)快而引起 tail 指針追上了head 指針，本系統(tǒng)則拋棄原來(lái) fifo 中的所有數(shù)據(jù)，依然認(rèn)為fifo 為空。（ 實(shí)際上系統(tǒng)每一秒鐘才將十余條命令幀存入 fifo，系統(tǒng)有充足的時(shí)間將 fifo 中的命令發(fā)空）。

2.2.2 發(fā)送過(guò)程保護(hù)

 

系統(tǒng)每次調(diào)用發(fā)送 Modbus 的功能函數(shù)的時(shí)候其實(shí)最終都落實(shí)到 checkfifo 函數(shù)。系統(tǒng)用全局變量 count 在 checkfifo 函數(shù)中記錄當(dāng)前距離上次發(fā)送命令幀的時(shí)間，若 count 值過(guò)大則說(shuō)明系統(tǒng)沒(méi)有接受到響應(yīng)。當(dāng)系統(tǒng)沒(méi)有接收到響應(yīng)的時(shí)候，系統(tǒng)需要超時(shí)重發(fā)和強(qiáng)發(fā)命令幀。超時(shí)重發(fā)是指當(dāng) count 為 N（N 為測(cè)試值）的整數(shù)倍的時(shí)候，重發(fā)上一次發(fā)送的命令幀，count 隨后清零；超時(shí)強(qiáng)發(fā)是指當(dāng) count 大于等于 N 的 3 倍的時(shí)候則強(qiáng)制發(fā)送 fifo 中一下條命令，count 隨后清零。

2.2.3 接受過(guò)程保護(hù)

 

485 串口通信過(guò)程中，由于某些干擾從機(jī)會(huì)發(fā)送錯(cuò)誤的響應(yīng)幀。系統(tǒng)為了不被錯(cuò)誤的響應(yīng)幀擾亂甚至崩潰，所以在接收響應(yīng)幀的時(shí)候做了非常嚴(yán)格的檢測(cè)機(jī)制。系統(tǒng)在發(fā)送命令幀時(shí)，已經(jīng)將當(dāng)前命令幀保存到了固定的內(nèi)存地址中，所以系統(tǒng)在接收到響應(yīng)的時(shí)候，會(huì)根據(jù)該內(nèi)存中的命令幀迅速預(yù)判響應(yīng)幀的格式以及每個(gè)字節(jié)的準(zhǔn)確范圍。任何沒(méi)有通過(guò)該檢測(cè)機(jī)制的響應(yīng)幀都將被系統(tǒng)拋棄而不做任何處理，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定。

3 串口觸摸屏界面開(kāi)發(fā)

 

目前便攜式觸摸屏設(shè)備的發(fā)展較快，該類設(shè)備具有非常良好的操作便捷性，大大降低了對(duì)于操作者的電腦操作要求，具有反應(yīng)速度快、節(jié)省空間、可視化強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，以豐富的嵌入式系統(tǒng)的輸入方式，已逐漸代替鍵盤和鼠標(biāo)成為嵌入式系統(tǒng)人機(jī)交互的首選輸入工具。且該類設(shè)備攜帶型非常好，隨著無(wú)線通訊模塊的普及，及價(jià)格的降低，是艦體陰極保護(hù)人機(jī)界面的合適的選擇。

市場(chǎng)上主流觸摸屏有四種，分為電阻、電容、表面聲波、紅外線掃描類型。本文選用的是四線電阻串口觸摸屏，為北京迪文科技有限公司產(chǎn)品。這款觸摸屏具有高解析度，高速傳輸反應(yīng)，一次校正永不漂移，穩(wěn)定性高。彩色觸摸屏采用 8英寸迪文串口觸摸屏，屏幕分辨率為 800×600，工作電壓范圍 DC3.3 － 6.0V。

液晶顯示單元和觸控輸入單元是人機(jī)界面的輸出界面與輸入界面。作為集成化的顯示器件，它包含中央處理單元、液晶顯示單元、觸控輸入單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、通信接口單元等。

觸摸屏內(nèi)置的存儲(chǔ)單元包括ＲAM單元和Flash存儲(chǔ)單元，其中 ARM 作為處理器緩存。Flash 用于存儲(chǔ)顯示圖形文件及觸控配置文件。通信接口實(shí)現(xiàn)串口屏與儀器主控單元之間的信息交互，包括接收儀器主控單元發(fā)送過(guò)來(lái)的指令以及將觸摸屏所獲取的信息上傳給儀器主控單元。

3.1 觸控按鍵操作

 

串口觸摸屏本身為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，所需的硬件資源較少。通過(guò)串口，采用中斷接收以及查詢發(fā)送的方式實(shí)現(xiàn)與主控板 LPC2138 通信。

串口屏支持自動(dòng)觸控按鍵響應(yīng)，只需通過(guò)調(diào)試助手事先對(duì)所有觸控按鍵設(shè)置雙字節(jié)十六進(jìn)制的指令代碼（如0x0001）。并將串口寄存器配置為單字節(jié)觸發(fā)方式，串口模式為8n1，即每幀數(shù)據(jù)格式為1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無(wú)校驗(yàn)位。串口接收及發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖如圖 3 所示。

點(diǎn)擊觸摸屏按鍵（指令代碼有效區(qū)域），觸摸屏返回該鍵指令代碼（以 0x0001 為例）：AA 78 00 01 CC 33 C3 3C在串口接收中斷程序中，設(shè)置一個(gè)接收緩沖區(qū)，將觸摸屏返回的所有數(shù)據(jù)接收完畢，并提取所需鍵值 0x01 轉(zhuǎn)存給寄存器 key，通過(guò)判斷 key 執(zhí)行相應(yīng)的子程序片段。

發(fā) 送 數(shù) 據(jù) 程 序 中， 需 要 按 照 迪 文 屏 的 通 信 格 式AACMD……CC 33 C3 3C。為了判斷某串指令是否發(fā)送完畢，在每個(gè)數(shù)據(jù)串后面加一個(gè)終止符 0xfe。

3.2 觸摸屏應(yīng)用舉例

 

對(duì)觸摸屏的應(yīng)用不光是要對(duì)主控芯片進(jìn)行編程，還要自己制作觸控界面和設(shè)置按鍵鍵碼。將制作好的觸控界面圖片和按鍵鍵碼用專門的軟件按照順序上傳至觸摸屏內(nèi)存，這樣圖片就有了自己的頁(yè)面編號(hào)。到時(shí)候只需調(diào)用圖片的編號(hào)就可控制觸摸屏在不同頁(yè)面間的切換。

舉一個(gè)簡(jiǎn)單的觸摸屏應(yīng)用的例子，如圖 4 所示。

圖4 密碼設(shè)置流程圖

 

圖4 是本文在應(yīng)用觸摸屏當(dāng)中用到的一個(gè)密碼操作的例子。界面 1 是整個(gè)外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的主菜單，它上面的每一種按鍵對(duì)應(yīng)不同的功能，包括時(shí)鐘設(shè)定，密碼操作，SD 卡和 USB 模塊操作等。

當(dāng)按下寫(xiě)有 PASSWO Ｒ D 字樣的按鍵之后，觸摸屏將該按鍵對(duì)應(yīng)的鍵碼傳回到主控芯片上，芯片根據(jù)此時(shí)觸摸屏顯示的頁(yè)碼和收到的按鍵鍵碼作出響應(yīng)，發(fā)送命令讓觸摸屏進(jìn)入界面 2。

該界面是密碼輸入界面，為了安全，在設(shè)置新的密碼之前必須要輸入老的密碼。接著芯片又發(fā)送一道輸入文本命令，在輸入密碼的位置建立一個(gè)文本框，用于顯示輸入了幾位密碼。圖中的數(shù)字鍵都被預(yù)先設(shè)定了相應(yīng)的默認(rèn)阿拉伯?dāng)?shù)字的鍵碼。在按下這些數(shù)字按鍵時(shí)，觸摸屏并不會(huì)回傳鍵碼，但會(huì)在文本框顯示星號(hào)，用來(lái)告訴工作人員已經(jīng)輸入了幾位。只有當(dāng)按下OK 鍵后，觸摸屏才會(huì)將之前輸入的密碼信息一并回傳至芯片。芯片收到了操作員輸入的密碼后，與原先設(shè)定的正確密碼作比對(duì)。如果密碼錯(cuò)誤則跳轉(zhuǎn)到界面 3，按下界面 3 中的 OK 按鍵，則又返回界面 2，重新輸入密碼。如果密碼正確，芯片會(huì)發(fā)送命令讓觸摸屏跳轉(zhuǎn)到界面 4，開(kāi)始新的密碼設(shè)置。

界面 4 中要求對(duì)新的密碼設(shè)置兩遍，在完成兩次輸入后，芯片會(huì)對(duì)兩次輸入的密碼進(jìn)行逐位匹配。如果兩次輸入的密碼不相同則會(huì)跳轉(zhuǎn)到界面 5，提醒操作人員密碼不匹配。如果相同，則新的密碼設(shè)置成功，LPC2138 芯片將記錄下新設(shè)置的密碼，并跳轉(zhuǎn)到界面 6。最后再由界面 6 返回到主菜單中。

4 系統(tǒng)測(cè)試

 

系統(tǒng)測(cè)試采用 TI 的 MSP430 模擬控制 4 臺(tái)艦載外加陰極保護(hù)系統(tǒng)，通過(guò)串口屏界面對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，并回讀設(shè)置參數(shù)以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)讀取頻率為 1s。當(dāng)設(shè)定參數(shù)上下限值超出時(shí)，在串口屏上會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)提示，并能夠產(chǎn)生一條操作記錄數(shù)據(jù)至實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄回讀的 ICCP 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，記錄頻率可通過(guò)串口屏設(shè)置，設(shè)置范圍為3－10分鐘。當(dāng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)超出上下限設(shè)定參數(shù)，產(chǎn)生警報(bào)信息。

5 總結(jié)和展望

 

本文文中重點(diǎn)介陰極保護(hù)系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件硬件設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)多艦體監(jiān)測(cè)，云檢測(cè)的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作。詳細(xì)講述了 MODBUS 通信實(shí)現(xiàn)的通信過(guò)程，及串口屏的人機(jī)界面設(shè)計(jì)。通過(guò)調(diào)試及應(yīng)用驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)是一種運(yùn)行可靠、性能優(yōu)良的通用型遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景，很好的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前瞻性。

目前控制系統(tǒng)雖然能夠發(fā)出報(bào)警信號(hào)，但是不能確定具體的故障位置。可增加關(guān)鍵部位數(shù)據(jù)采集，報(bào)告出具體的故障地點(diǎn)，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)用性。

 

資料來(lái)源：知網(wǎng)

 

4 核電站安全殼的微波探地雷達(dá)腐蝕檢測(cè)

 

混凝土作為一種最重要、用量最大的工程材料，廣泛應(yīng)用于核電站安全殼結(jié)構(gòu)中，如何將無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于混凝土材料是人們不斷探索的議題。鄭硯國(guó)等在 2009 年發(fā)表了核電站預(yù)應(yīng)力混凝土安全殼的老化因素研究。隨著我國(guó)核電站的興建，安全殼的防腐檢測(cè)技術(shù)被提上日程，至于如何測(cè)定核電站安全殼體混凝土及其鋼襯的腐蝕性能，還處于探索階段。筆者通過(guò)對(duì)鋼襯腐蝕進(jìn)行探地雷達(dá)檢測(cè)，證明了該方法的可行性。

１ 腐蝕診斷監(jiān)測(cè)技術(shù)

 

自從我國(guó) 1991 年建成秦山核電工程一期，1994 年與大亞灣核電站商運(yùn)以來(lái)，曾經(jīng)用鉆探法發(fā)現(xiàn)核電站安全殼內(nèi)部的 6mm 厚鋼板的內(nèi)襯部分已經(jīng)腐蝕生銹，并且厚度只剩下3mm。但截至目前，檢測(cè)人員尚未利用超聲定點(diǎn)測(cè)厚、射頻（RF）掃查儀或者探地雷達(dá)對(duì)各個(gè)核電站進(jìn)行過(guò)定期或不定期的無(wú)損檢測(cè)，即核電站安全殼內(nèi)部的腐蝕狀況并不明確。

現(xiàn)今，安全殼結(jié)構(gòu)一般采用目視、敲擊檢查外，而在建造完成之后如何對(duì)其診斷監(jiān)測(cè)卻是一大難題。

探地雷達(dá)可以確定金屬或非金屬管道、及其地下埋件的位置，但是埋地鋼板鐵銹的成分比較復(fù)雜，含有由電解質(zhì)溶液組成的原電池，其中鐵是負(fù)極，加速了鐵的腐蝕；最主要是吸氧腐蝕，生成的是 Fe（OH） 3 ∶ Fe ２ O ３ .XH ２ O。在射頻（RF）掃查儀（探地雷達(dá)）照射（掃查）下，透過(guò)混凝土保護(hù)層，利用氧化皮層與鐵銹層反射率的區(qū)別或差異，可以監(jiān)測(cè)出鋼襯表面銹蝕狀況。實(shí)際射頻掃查的案例是地下管道 , 微波探地雷達(dá)掃查實(shí)例如圖１所示。

圖１微波探地雷達(dá)掃查實(shí)例

 

安全殼的微波探地雷達(dá)掃查獲取數(shù)據(jù)之后，還要進(jìn)行自動(dòng)化處理和圖譜生成，且需要注意以下幾點(diǎn)：

（１）各采集數(shù)據(jù)要和掃查路程或 GPS 坐標(biāo)準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)，并相互關(guān)聯(lián)融合，以準(zhǔn)確地對(duì)安全殼的鋼襯表面銹蝕狀況或病害等進(jìn)行分析和定位。

（２）依照《安全殼的鋼襯表面銹蝕狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》的要求，生成符合國(guó)家規(guī)范的混凝土層厚、破損、病害參數(shù)等報(bào)表或圖譜，并可與核電站在役檢查相關(guān)軟件系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)縫對(duì)接。

陸偉東等為了得到混凝土結(jié)構(gòu)的厚度，采用了探地雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。電磁波在混凝土中傳播時(shí)，其傳播路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度和波形將隨所通過(guò)介質(zhì)的電磁屬性（介電常數(shù)）和幾何形態(tài)的變化而變化。混凝土結(jié)構(gòu)厚度的雷達(dá)檢測(cè)說(shuō)明探地雷達(dá)的電磁波可以穿透非金屬材料。

２ 微波探地雷達(dá)檢測(cè)基本原理

 

探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar,GPR）技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種地下目標(biāo)的有效探測(cè)手段，在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)得到非常廣泛的應(yīng)用。與電阻率法、低頻電磁感應(yīng)法及地震法等常規(guī)的地下無(wú)損檢測(cè)方法相比，探地雷達(dá)具有檢測(cè)速度快、檢測(cè)過(guò)程連續(xù)、分辨率高、操作方便靈活、檢測(cè)費(fèi)用低、檢測(cè)范圍廣（能檢測(cè)金屬和非金屬）等優(yōu)點(diǎn)。探地雷達(dá)是利用微波反射原理探測(cè)各種地下目標(biāo)的，當(dāng)波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度及波形隨著所通過(guò)介質(zhì)的介電性質(zhì)而變化；根據(jù)接收的雷達(dá)信號(hào)剖面，利用反射回波的雙程走時(shí)、幅度、相位等信息，可對(duì)地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的檢測(cè)或工程質(zhì)量的評(píng)價(jià)。探地雷達(dá)的檢測(cè)原理如圖２所示。反射信號(hào)的幅度強(qiáng)弱與界面反射系數(shù)、穿透介質(zhì)的吸收程度、介質(zhì)的導(dǎo)磁系數(shù)、相對(duì)介電常數(shù)及電導(dǎo)率有關(guān)。由于安全殼內(nèi)部鋼板內(nèi)襯的腐蝕程度不同，也就是界面反射系數(shù)不同，所以，探地雷達(dá)反射信號(hào)的幅度也會(huì)不同。這就是用探地雷達(dá)發(fā)現(xiàn)安全殼內(nèi)部鋼板內(nèi)襯腐蝕程度的理論基礎(chǔ)。

圖2 探地雷達(dá)的探測(cè)原理示意

 

 

式中 :H 為磁場(chǎng)強(qiáng)度 ;E 為電場(chǎng)強(qiáng)度 ;σ 為電導(dǎo)率 ;ε 為介電常數(shù) ;ε 0 為自由空間介電常數(shù) ;ε′為以電磁場(chǎng)形式儲(chǔ)存的勢(shì)能 ;ε″為損耗因子 ;ω 為角頻率 ;a 為衰減常數(shù) ;γ 為常數(shù)。

圖 ３ε′r和σ與ω的關(guān)系曲線

 

如圖３所示 ,ε r 隨頻率升高而增大 ,σ 隨頻率升高而減小 . 即隨著頻率升高導(dǎo)電性能變差 , 當(dāng) ω →∞時(shí) ,σ →０，這時(shí)導(dǎo)體變成了不導(dǎo)電的絕緣體 . 一般良導(dǎo)體電導(dǎo)率總是實(shí)數(shù)，近似等于恒定場(chǎng)中的數(shù)值 :

 

如上所述，根據(jù)地面接收天線接收到地下反射波的回波特征，鋼板完好的電性能與不同銹蝕程度鋼板的電性能是有差異的，這樣就可判定鋼板表面介質(zhì)的變化情況。這種混凝土下鋼板介質(zhì)層之間存在的電性差異，為探地雷達(dá)檢測(cè)鋼板腐蝕情況提供了前提條件。

３ 微波探地雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

 

3.1微波天線選型

 

用探地雷達(dá)檢測(cè)安全殼內(nèi)部鋼板內(nèi)襯的腐蝕程度時(shí) , 發(fā)射和接收天線與混凝土板表面密貼 , 由探地雷達(dá)主機(jī)高速發(fā)射雷達(dá)脈沖 , 進(jìn)行快速連續(xù)采集 .

⑴微波天線選型針對(duì)內(nèi)襯質(zhì)量檢測(cè)的具體情況 , 主要從分辨率、穿透力和穩(wěn)定性三個(gè)方面綜合衡量 , 選擇 GC1500MHz、GC900MHz 和 GC400MHz 天線。

⑵ GC1500MHz 屏蔽天線 : 時(shí)窗 10ns, 掃描速度 64s－ 1 , 采樣點(diǎn)數(shù)512,濾波選擇倒數(shù)第三檔，道間平均分別為0.5,10次，連續(xù)測(cè)量方式 ;GC900MHz 屏蔽天線 : 時(shí)窗 15ns, 掃描速度64s－ 1 , 采樣點(diǎn)數(shù) 512, 濾波選擇倒數(shù)第三檔 , 道間平均分別為0.5,10 次 , 連續(xù)測(cè)量方式 ;GC400MHz 屏蔽天線 : 時(shí)窗 30ns,掃描速度 64s－ 1 , 采樣點(diǎn)數(shù) 512, 濾波選擇倒數(shù)第三檔 , 道間平均分別為 0.5,10 次 , 連續(xù)測(cè)量方式 （ 道間平均是指 GPR 主機(jī)在開(kāi)始接收到天線信號(hào)到結(jié)束所花費(fèi)時(shí)間的平均值 ）。

3.2操作程序

 

⑴選擇一個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)地，盡量減少周圍設(shè)施對(duì)檢測(cè)設(shè)備的一切干擾因素，在適當(dāng)位置豎立放置被測(cè)鋼板。

⑵鋼板放在混凝土塊或普通墻壁后面，在其前方放置探地雷達(dá)發(fā)射天線和接收天線，并且測(cè)定準(zhǔn)確間距。

⑶觀測(cè)主機(jī)設(shè)備顯示，記錄電波通過(guò)混凝土塊或普通墻壁后遇鋼板反射的信號(hào)波形。

3.3測(cè)線的布置

 

由于工作面較小，故采用定點(diǎn)連續(xù)測(cè)量方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。混凝土塊結(jié)構(gòu)俯視圖見(jiàn)圖４，虛線框內(nèi)為天線放置區(qū)域。

圖4 混凝土塊結(jié)構(gòu)俯視圖

 

編號(hào)分別為 1，2，3 的不生銹鋼板、生銹鋼板、被腐蝕鋼板的實(shí)物如圖 5 所示。其中 1 號(hào)板為完好無(wú)損鋼板，2 號(hào)板為水中弱蝕生銹鋼板，3 號(hào)板為強(qiáng)酸腐蝕鋼板。混凝土板的厚度為 20cm, 墻體厚度為 40cm.

圖５ 編號(hào)為１,２,３號(hào)的鋼板實(shí)物

 

４ 微波探地雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果

 

GC1500MHz,GC900MHz,GC400MHz屏蔽天線采集界面如圖 6 所示。

圖６ 不同屏蔽天線采集界面

 

微波頻率 1500MHz 檢測(cè)結(jié)果如圖７所示。

圖７ 微波頻率GC1500MHz檢測(cè)結(jié)果

 

微波頻率 900MHz 檢測(cè)結(jié)果如圖８所示。

圖８ 微波頻率GC900MHz檢測(cè)結(jié)果

 

圖７～９中柱狀圖中的橫坐標(biāo)１，2，3 分別代表 1 號(hào)鋼板、2 號(hào)鋼板、３號(hào)鋼板，混凝土的厚度為 20cm, 縱坐標(biāo)為鋼板表層位置反射波振幅最大值與直達(dá)波振幅最大值的比值，墻體的厚度統(tǒng)一為 40cm.

 

圖９ 微波頻率GC400MHz檢測(cè)結(jié)果

 

微波頻率 400MHz 檢測(cè)結(jié)果如圖９所示。

采用微波頻率為 1500MHz, 道間平均為 5 和 10 時(shí)，柱狀圖呈現(xiàn)出的規(guī)律性很好。

1 號(hào)柱狀圖是高、2 號(hào)柱狀圖是中、3 號(hào)柱狀圖是低；采用微波頻率 900MHz, 隔墻體時(shí)，柱狀圖呈現(xiàn)的規(guī)律性很好，1 號(hào)柱狀圖是低、2 號(hào)柱狀圖是中、3 號(hào)柱狀圖是高；但是隔混凝土板時(shí)，該頻率柱狀圖呈現(xiàn)出的規(guī)律性略差。

采用微波頻率 400MHz 時(shí)，1 號(hào)柱狀圖是中、2 號(hào)柱狀圖是高、3 號(hào)柱狀圖是低。隔墻體時(shí)，有規(guī)律；但是隔混凝土板時(shí)，此頻率柱狀圖呈現(xiàn)的規(guī)律性也差。

綜上所述，隔著不同厚度的混凝土，需要不同頻率的天線相匹配，以上圖譜中 200mm 厚的混凝土在 1500MHz 天線探測(cè)時(shí)呈現(xiàn)較好的規(guī)律性，圖 7 微波頻率 GC1500MHz 檢測(cè)結(jié)果 40mm 厚的墻體在 900MHz 天線探測(cè)時(shí)，呈現(xiàn)較好的規(guī)律性。雖然有干擾信號(hào)，并且柱狀圖形狀、高度不同是因?yàn)轭l率不同而造成的，但是總體趨勢(shì)都是有規(guī)律可循的，反映出不同銹蝕鋼板的差異性。說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)探地雷達(dá)掃描達(dá)到預(yù)期目的。

混凝土鋼內(nèi)襯安全殼在微波探地雷達(dá)照射下，透過(guò)混凝土保護(hù)層，利用氧化皮與鐵銹狀態(tài)反射率的區(qū)別，就可監(jiān)測(cè)出鋼板表面銹蝕狀況及其程度。

其檢測(cè)理論是根據(jù)反射率與介電常數(shù)的不同。建議 5a 或 10a 用 RF/UHF（射頻/超高頻）掃查進(jìn)行一次非剔鑿法（非破壞的方法）驗(yàn)證，做安全殼的“體檢”普查。根據(jù) RF/UHF 可視圖像與腐蝕程度之間的圖譜關(guān)系，以無(wú)損的手段，可檢測(cè)出鋼內(nèi)襯的實(shí)際腐蝕程度。

５ 結(jié)語(yǔ)

 

通過(guò)雷達(dá)數(shù)據(jù)采集和分析，可見(jiàn)反射層位振幅最大值與直達(dá)波振幅最大值的比值，會(huì)隨著安全殼鋼板腐蝕程度的變化發(fā)生變化。實(shí)際檢測(cè)到的差異，就是３塊鋼板各自的電磁波反射率不同。試驗(yàn)證明了采用探地雷達(dá)射頻技術(shù)來(lái)定期檢查核電站安全殼的鋼襯腐蝕程序是可行的。同核電站業(yè)主協(xié)商，可以 5a或 10a 進(jìn)行一次類似的核電站安全殼全面的“體檢”。

 

來(lái)源：知網(wǎng)

 

5 一種輕型碳纖維爬索機(jī)器人及其檢測(cè)系統(tǒng)研究

 

引言

 

拉索是拱橋、斜拉橋、懸索橋等索類橋梁的核心構(gòu)件之一。拉索長(zhǎng)期暴露在空氣中，經(jīng)風(fēng)吹雨淋、日光照射、紫外線照射、人為損傷等因素影響，存在著外 PE 護(hù)套、內(nèi)部鋼絲束或鋼絞線損傷等病害。另一方面，由于風(fēng)雨振動(dòng)等因素，拉索內(nèi)部的鋼絲束相互摩擦，引發(fā)鋼絲磨損，嚴(yán)重者也會(huì)發(fā)生斷絲現(xiàn)象。拉索的工作狀態(tài)是橋梁是否處于安全狀態(tài)的重要標(biāo)志之一。定期對(duì)拉索體系進(jìn)行檢測(cè)是有必要的。

以往在工程中常采用卷?yè)P(yáng)機(jī)拖動(dòng)檢修車的檢測(cè)方式或采用登高車對(duì)拉索的人工檢測(cè)方法。該類方法容易對(duì)拉索 PE保護(hù)層造成破壞；且檢測(cè)人員處于高空作業(yè)，容易造成安全事故，而且需要封閉交通。隨著機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步，開(kāi)發(fā)用于橋梁拉索檢測(cè)的智能機(jī)器人，成為了必然。近年來(lái)上海交通大學(xué)、東南大學(xué)、武漢橋科院等高校、科研院所均對(duì)爬索機(jī)器人進(jìn)行了研發(fā)，但普遍存在著自重大，續(xù)航差，需要外接電源等問(wèn)題，不能滿足快速檢測(cè)的工程應(yīng)用需求。

本文研究的爬索機(jī)器人通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)材料的改進(jìn)，采用自重很輕的碳纖維材料，保證了機(jī)器人的續(xù)航能力，且方便現(xiàn)場(chǎng)安裝。通過(guò)增加索力檢測(cè)裝置，爬索機(jī)器人攜帶無(wú)線加速度傳感器到拉索中間部位后再測(cè)量拉索索力，該方法比原先在拉索預(yù)埋管上部安裝加速度傳感器測(cè)量索力更為精準(zhǔn)。機(jī)器人搭載高清攝像裝置，可實(shí)現(xiàn)拉索表面和橋塔拉索連接處病害的外觀檢測(cè)。自帶的漏磁檢測(cè)設(shè)備可以對(duì)拉索內(nèi)部銹蝕斷絲進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)。

1 爬索機(jī)器人及其檢測(cè)系統(tǒng)研制

 

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

 

 

爬索機(jī)器人包括一對(duì)主動(dòng)輪和一對(duì)從動(dòng)輪，采用雙邊夾緊 4 輪雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式。利用兩半式輕型碳纖維框架結(jié)構(gòu)，通過(guò) 4 對(duì)聯(lián)接臂進(jìn)行聯(lián)接，不僅方便在拉索上裝卸，而且還可根據(jù)拉索不同直徑進(jìn)行調(diào)整。用拉伸彈簧和擺臂支撐組成柔性壓緊機(jī)構(gòu)，始終保持每對(duì)滾輪夾緊索體形成爬行所需摩擦力。主、從動(dòng)輪設(shè)計(jì)為 U 形，可增大接觸面，自行對(duì)中糾偏。并根據(jù)不同規(guī)格拉索，配套相應(yīng)規(guī)格尺寸的輪子。爬索機(jī)器人上、下兩端面四周共有 4 對(duì)支撐萬(wàn)向滾輪，能防止輪體偏離索體造成鎖死現(xiàn)象。在機(jī)器人的前端和尾部均安裝有紅外測(cè)距裝置，防止機(jī)器人在運(yùn)行中撞擊拉索兩端預(yù)埋導(dǎo)管而損壞，將拉索檢測(cè)儀器安裝或搭載于爬索機(jī)器人上，利用高能鋰電池作為供電電源，提升機(jī)器人的續(xù)航能力，通過(guò)操作控制單元配合各子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)橋梁拉索 PE 外觀、內(nèi)部斷絲銹蝕檢測(cè)以及拉索索力測(cè)量。爬索機(jī)器人示意圖如圖 1 所示。

 

圖1 爬索機(jī)器人示意圖

 

使用時(shí)，根據(jù)被測(cè)拉索直徑的大小來(lái)相應(yīng)的調(diào)整聯(lián)接臂及拉伸彈簧的距離，以提供適合爬行所需的摩擦力 . 爬索機(jī)器人可按照上位機(jī)軟件系統(tǒng)的指令以及設(shè)定的速度在拉索上運(yùn)行，當(dāng)?shù)竭_(dá)拉索末端時(shí)能自動(dòng)返回。還能在拉索上通過(guò)地面控制自由地移動(dòng)并到達(dá)檢測(cè)人員所要觀測(cè)的位置，以便進(jìn)行局部更加細(xì)致的觀察和索力測(cè)量。利用視頻采集單元采集拉索外部 PE 保護(hù)層表面全方位的高清視頻圖像，用漏磁法拉索銹蝕檢測(cè)單同步進(jìn)行拉索內(nèi)部斷絲銹蝕檢測(cè)，采用高分辨率編碼器準(zhǔn)確的定位拉索病害位置，通過(guò)無(wú)線傳輸信號(hào)到橋面上位機(jī)。再由上位機(jī)軟件系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別出 PE 損傷面積，斷絲銹蝕狀態(tài)及病害位置。

1.2 動(dòng)力裝置

 

設(shè)計(jì)機(jī)器人在纜索上運(yùn)動(dòng)由兩副（4只）滾輪提供對(duì)纜索的附著力，機(jī)器人的全部重力（自重和載重）由這 4 只滾輪承載。設(shè)機(jī)器人處于靜止?fàn)顟B(tài)，分別考慮垂直吊桿監(jiān)測(cè)和有一定角度的斜拉索檢測(cè)時(shí)，對(duì)一只滾動(dòng)輪進(jìn)行受力分析。如圖 2 所示。

1.2.1 機(jī)器人靜止?fàn)顟B(tài)下受力分析

 

爬索機(jī)器人受力情況如以下公示所示：

圖2 滾輪受力示意圖

 

 

式中：F 1 ——由彈簧系統(tǒng)提供的附著力；G 1 ——單只滾輪承載的重力；θ——纜索傾斜角度；μ 1 ——最大靜摩擦因數(shù)；N——拉索對(duì)滾輪向上的反力

 

1.2.2 機(jī)器人向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)體受力分析

 

在機(jī)器人向上運(yùn)行時(shí)，受力情況如下：

 

式中：F 2 ———機(jī)器人向上爬行時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力；μ 2 ———滑動(dòng)摩擦因數(shù)；a———加速度；f 2 ———摩擦力；m———質(zhì)量。

1.2.3 機(jī)器人電機(jī)功率設(shè)計(jì)

 

機(jī)器人電機(jī)功率，如式（10）所示：

 

式中：V———機(jī)器人移動(dòng)速度；η———減速機(jī)傳動(dòng)效率；K———電機(jī)儲(chǔ)備系數(shù)。

取 F 2 ＝ 250N，減速機(jī)傳動(dòng)效率 η ＝0.8，電機(jī)儲(chǔ)備系數(shù) K ＝ 1.25. 并考慮外觀檢測(cè)，視頻拍攝的穩(wěn)定性，設(shè)置爬升最快速度 V max ＝ 12m ／ min. 可以得到 P'=40W. 參照設(shè)計(jì)所用設(shè)備參數(shù)，并考慮 3 倍～ 4 倍的安全系數(shù)，可以計(jì)算出最大電機(jī)功率 Pmax ＝ 160W.

1.3 漏磁檢測(cè)裝置

 

目前最常采用的拉索斷絲銹蝕檢測(cè)方法有磁滯伸縮導(dǎo)波法、漏磁法。本文所設(shè)計(jì)爬索機(jī)器人采用多套漏磁裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)拉索索體內(nèi)鋼絞線或平行鋼絲缺陷進(jìn)行檢測(cè)。漏磁法檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)圖如圖3 所示，主要由銜鐵、永磁鐵、霍爾傳感器等部件構(gòu)成。

圖3 漏磁法檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)圖

 

其測(cè)量原理為銜鐵、永磁鐵、被測(cè)拉索構(gòu)成磁化回路，當(dāng)勵(lì)磁裝置將拉索磁化到飽和狀態(tài)并相對(duì)拉索軸向掃描，當(dāng)拉索存在斷絲或腐蝕等缺陷時(shí)，會(huì)導(dǎo)致拉索內(nèi)部磁場(chǎng)發(fā)生變化，部分漏磁信號(hào)在空氣場(chǎng)中，霍爾傳感器即可檢測(cè)到相應(yīng)的漏磁信號(hào)，通過(guò)對(duì)漏磁信號(hào)的檢測(cè)與數(shù)據(jù)分析可獲的拉索損傷量。

本文設(shè)計(jì)的單節(jié)勵(lì)磁傳感器用 2 只尼龍滾輪與拉索表面接觸，其直線移動(dòng)由滾動(dòng)完成，避免對(duì) PE 造成損害 . 單節(jié)勵(lì)磁傳感器裝置示意圖如圖 4 所示。

圖4 單節(jié)勵(lì)磁傳感器示意圖

 

1.4 索力檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

 

目前通常采用的拉索索力檢測(cè)常用的方法有壓力環(huán)法、液壓千斤頂拉拔法、磁通量傳感法、以及振動(dòng)頻率法等測(cè)量方法。振動(dòng)頻率法是一種間接測(cè)量索力的方法。依據(jù)索力與索的振動(dòng)頻率之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系的特點(diǎn)，在已知索長(zhǎng)、拉索兩端的約束情況、分布質(zhì)量等參數(shù)情況下，將高精度的加速度傳感器安裝在拉索上，采集拉索在環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)下的振動(dòng)信號(hào)，即可獲得拉索的自振頻率，然后由索力與拉索自振頻率之間的關(guān)系計(jì)算出索力。采集設(shè)備示意圖如圖5所示。

圖5 震動(dòng)頻率法采集設(shè)備示意圖

 

索力計(jì)算簡(jiǎn)化公式為：

 

其中：n———索自振頻率的階數(shù)；f n ———索的第 n 階自振頻率；L———拉索的自由或撓曲長(zhǎng)度。

由于受到檢測(cè)條件的限制，通常的方法是將加速度傳感器固定在拉索預(yù)埋管上部某位置，但該位置高頻成分占主導(dǎo)，測(cè)試信號(hào)低階頻率不突出而高階諧振峰值很大，不利于低階頻率的獲取。加速度傳感器最為理想的安裝位置應(yīng)是拉索的 L ／ 4 或 3L ／ 4 處，因?yàn)檫@樣傳感器可以避開(kāi)了支撐點(diǎn)和低階振型的反彎點(diǎn)，各階頻率對(duì)應(yīng)的幅值比較明顯。

本文所采用的方法是將無(wú)線加速度傳感器搭載在爬索機(jī)器人上，通過(guò)機(jī)器人將傳感器爬升到拉索的 L ／ 4 或 3L／ 4 處，通過(guò)抱死裝置確保機(jī)器人和拉索處于一體的狀態(tài)。在機(jī)器人處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)再測(cè)量拉索索力。因機(jī)器人本身重量相對(duì)拉索重量來(lái)說(shuō)很輕，故機(jī)器人自重對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較小。

1.5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 

爬索機(jī)器人控制系統(tǒng)采用 ARM 內(nèi)核CORTEX家族STM32系列CPU根核心，控制系統(tǒng)框圖如圖 6 所示，橋面檢測(cè)控制臺(tái)電腦可以通過(guò)無(wú)線模塊與串口通訊電路與單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通訊，傳送控制爬升機(jī)正向運(yùn)轉(zhuǎn)、反向運(yùn)轉(zhuǎn)指令，高、中、低三檔速度的控制指令，以及傳送行程位置、電池電壓和電流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)按功能分為 5 個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)、編碼信號(hào)處理電路、電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路、串口通訊電路、電源控制電路。如圖 6 所示。

圖６爬索機(jī)器人控制系統(tǒng)示意圖

 

1.6 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

 

采用美國(guó) NI 公司的 labwindows 平臺(tái)開(kāi)發(fā)的套遠(yuǎn)程檢測(cè)軟件，可以利用電腦終端無(wú)線采集索力、銹蝕斷絲數(shù)據(jù)， 并 通 過(guò) labwindows 平 臺(tái) 的 VisionSoftware 對(duì)采集到病害外觀影像資料進(jìn)行分析處理。軟件界面如圖 7 所示。

圖７檢測(cè)系統(tǒng)軟件界面

 

2 試驗(yàn)及工程應(yīng)用

 

2.1 漏磁檢測(cè)裝置銹蝕斷絲檢測(cè)試驗(yàn)

 

在柳州歐維姆實(shí)驗(yàn)室對(duì)拉索斷絲銹蝕檢測(cè)裝置進(jìn)行了試驗(yàn)，分別對(duì)完好拉索和有損傷的拉索進(jìn)行了檢測(cè) . 如圖 8所示，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出損傷部位 . 試驗(yàn)驗(yàn)證采用該方法對(duì)拉索斷絲銹蝕監(jiān)測(cè)的可行 . 但拉索 PE 外護(hù)套導(dǎo)致磁信號(hào)有一定的衰減 . 理論上，隨著永磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)格索體的斷絲檢測(cè) . 但考慮到斷絲銹蝕檢測(cè)裝置的自重，以及配套爬索機(jī)器人的使用 . 無(wú)源機(jī)器人的檢測(cè)方式超過(guò)180mm 索徑的拉索就比較難實(shí)現(xiàn)；但可以采用有源的脈沖信號(hào)激勵(lì)的方式進(jìn)行檢測(cè) . 本文所設(shè)計(jì)機(jī)器人在拉索上最大運(yùn)行速度為 12m ／ min，完全滿足了勵(lì)磁裝置對(duì)拉索結(jié)構(gòu)的磁化時(shí)間，以及霍爾傳感器采集的響應(yīng)時(shí)間。

圖８　漏磁檢測(cè)裝置試驗(yàn)圖

 

2.2 工程應(yīng)用

 

研究所設(shè)計(jì)機(jī)器人分別在柳州文惠大橋、柳州壺西大橋、江西贛東大橋、桂林南洲大橋等橋進(jìn)行了實(shí)際的試驗(yàn)與檢測(cè) . 通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，其工作速度最大可達(dá) 12m ／ min，平均的檢測(cè)速度為10m ／ min. 最大承載能力為 120kg，爬升斜度在 0°～ 90°范圍內(nèi)可調(diào)，最大續(xù)航 2000m. 最遠(yuǎn)無(wú)線傳輸距離為500m. 如圖 9 所示。

圖９工程應(yīng)用

 

3 結(jié)論

 

本文設(shè)計(jì)的爬索機(jī)器人經(jīng)過(guò)廠內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得出了以下結(jié)論：

1）采用輕型碳纖維材料、直流電機(jī)和減速齒輪箱、鋰電池的輕型構(gòu)建的爬索機(jī)器人極大降低了自重，提高了續(xù)航能力，實(shí)現(xiàn)了在不外接電源的情況下，安全、快速、便捷的檢測(cè)拉索病害。

2）采用漏磁法檢測(cè)拉索斷絲銹蝕的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)小直徑的拉索檢測(cè)，對(duì)大直徑的橋梁拉索，受永磁鐵自重的影響，不能完全對(duì)索體進(jìn)行磁化，不能精準(zhǔn)的檢測(cè) . 后續(xù)可研究以脈沖的磁化方式進(jìn)行斷絲銹蝕測(cè)量。

3）通過(guò)爬索機(jī)器人攜帶無(wú)線加速度傳感器到拉索自由段中間部位后再測(cè)量拉索索力，該方法比原先在拉索預(yù)埋管上部安裝傳感器測(cè)量索力更為精準(zhǔn)。

4）在機(jī)器人前部搭載高清攝像頭也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)橋塔和拉索連接部位外觀的檢測(cè)。

5）鋼絞線拉索外部有環(huán)氧、PE 和油脂等四重防護(hù)，且鋼絞線之間有空氣間隙，檢測(cè)時(shí)會(huì)比鋼絲成品拉索誤差更大。

 

資料來(lái)源：知網(wǎng)

 

6 鐵路車輛板材腐蝕缺陷的相控陣超聲檢測(cè)方法研究

 

在鐵路車輛領(lǐng)域，由于貨車車體及油罐車極易發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，因此需要及時(shí)有效地對(duì)車體腐蝕情況進(jìn)行檢測(cè)以保證鐵路車輛的運(yùn)行安全。當(dāng)前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)車體腐蝕損傷特性開(kāi)展了一系列的研究，如劉建平對(duì)敞車車體腐蝕情況及其防腐措施開(kāi)展了研究；林興錄對(duì)煤礦鐵路貨車車體腐蝕及防腐措施進(jìn)行了詳細(xì)探討；趙洪倫對(duì)貨車車體結(jié)構(gòu)腐蝕損傷與疲勞壽命進(jìn)行了相關(guān)研究；謝芬對(duì)鐵路罐車的腐蝕防護(hù)工藝方法進(jìn)行了探討。然而，對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)的腐蝕情況，如車體和罐車的腐蝕缺陷，相應(yīng)的檢測(cè)或監(jiān)測(cè)研究十分有限。

目前，對(duì)于腐蝕的檢測(cè)或監(jiān)測(cè)，通常使用超聲波測(cè)厚技術(shù)對(duì)腐蝕區(qū)域的壁厚進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè)，通過(guò)測(cè)厚值評(píng)估腐蝕區(qū)域的壁厚減薄情況實(shí)現(xiàn)腐蝕特性的評(píng)價(jià)。然而超聲測(cè)厚法并不能獲得腐蝕區(qū)域的檢測(cè)圖像，因此無(wú)法直觀有效評(píng)估腐蝕區(qū)域的缺陷分布；另外，當(dāng)腐蝕缺陷出現(xiàn)于超聲探頭無(wú)法直接掃描檢測(cè)的位置時(shí)，該方法則無(wú)法使用。因此為了實(shí)現(xiàn)鐵路車輛車體或罐車腐蝕缺陷的全方位、快速和有效檢測(cè)，發(fā)展新的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)至關(guān)重要。

近年來(lái)超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)得到了極大的發(fā)展，在腐蝕檢測(cè)方面也已得到一定的應(yīng)用，如相控陣檢測(cè)技術(shù)已成功應(yīng)用在鉆桿內(nèi)壁腐蝕檢測(cè)、法蘭密封面腐蝕缺陷檢測(cè)、壓力管道加厚彎頭凹坑腐蝕減薄檢測(cè)等方面。然而，當(dāng)前研究并未對(duì)成像原理及缺陷定量做出研究，且對(duì)位于探頭無(wú)法直接掃描區(qū)域的腐蝕缺陷檢測(cè)并未開(kāi)展研究。為了充分理解相控陣檢測(cè)技術(shù)對(duì)腐蝕缺陷的檢測(cè)原理，并實(shí)現(xiàn)該技術(shù)在腐蝕缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用，本文利用通過(guò)具有腐蝕坑缺陷的板材，分別采用相控陣 C 掃描檢測(cè)以及相控陣導(dǎo)波 B 成像檢測(cè)進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究，以實(shí)現(xiàn)所有缺陷的有效檢測(cè)。

1 相控陣檢測(cè)方法

 

1.1相控陣縱波C掃描成像方法

 

相控陣超聲的基本概念來(lái)源于相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)，相控陣超聲探頭由多個(gè)晶片按一定的規(guī)律排列，通過(guò)軟件可以單獨(dú)控制每個(gè)晶片的激發(fā)時(shí)間，從而控制發(fā)射超聲波束的形狀和方向，實(shí)現(xiàn)超聲波束的掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦。相控陣超聲的發(fā)射和接收原理如圖 1。

圖1 相控陣的發(fā)射與接收示意圖

 

發(fā)射時(shí)，數(shù)據(jù)采集單元觸發(fā)相控陣列單元，相控陣列單元按照設(shè)置的延時(shí)法則依次觸發(fā)激勵(lì)方波脈沖激勵(lì)探頭，使探頭中的每個(gè)晶片發(fā)出的超聲波在預(yù)定位置實(shí)現(xiàn)聚焦；接收時(shí)，由缺陷反射回來(lái)的超聲波到達(dá)每個(gè)接收晶片，相控陣列單元根據(jù)每個(gè)接收晶片的回波信號(hào)按照設(shè)置的延時(shí)法則合成為一個(gè)信號(hào)送數(shù)據(jù)采集單元。因此，相控陣每發(fā)射并接收一次信號(hào)將會(huì)獲得一個(gè)由多晶片采集并進(jìn)行合成的A掃描信號(hào)。

相控陣超聲具有獨(dú)特的電子掃描和聚焦特點(diǎn)，可在不移動(dòng)探頭的情況下實(shí)現(xiàn)工件斷面的掃描檢測(cè)。當(dāng)前相控陣超聲常用掃描方式包括線形掃描（L-Scan）和扇形掃描（S-Scan）。圖 2 為線形掃描原理示意圖。掃描過(guò)程中，將具有相同聚集法則的超聲波施加在相控陣探頭的不同晶片組，被激活晶片組將產(chǎn)生特定角度的超聲波束，通過(guò)改變被激活晶片組的位置，使該超聲波束沿晶片陣列方向前后移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)類似常規(guī)手動(dòng)超聲波檢測(cè)探頭前后移動(dòng)的檢測(cè)效果。圖 3 為扇形掃描原理示意圖。圖中：d 為陣元間距；A 為激勵(lì)孔徑（激發(fā)晶片組）；N 為探頭陣元數(shù)目；f 為焦距；α 為扇掃角度范圍；θ 為角度步進(jìn)。扇形掃描又稱變角度掃描，用具有特定聚集法則的超聲波激發(fā)相控陣探頭中的部分或全部晶片，使被激發(fā)晶片組形成的超聲波束在設(shè)定的角度范圍內(nèi)以一定的步進(jìn)值變換角度掃過(guò)扇形區(qū)域。

圖2 線形掃描示意圖

 

圖3 扇形掃描示意圖

 

超聲 C 掃描成像可實(shí)現(xiàn)對(duì)掃描區(qū)域缺陷的可視化。常規(guī)的單晶探頭掃描成像通常采用鋸齒形的掃查方式；采用相控陣電子掃描不需要移動(dòng)探頭就可以實(shí)現(xiàn)工件一定寬度的斷面掃查，因此，只需單軸直線掃查便可獲得工件的 C 掃描圖像。常規(guī)掃查方式與相控陣掃查方式的對(duì)比見(jiàn)圖 4，由于相控陣掃查方式僅需在一個(gè)方向移動(dòng)即可實(shí)現(xiàn) C 掃描成像，因此其效率明顯提高。

圖4 常規(guī)掃查方式與相控陣掃查方式對(duì)比

 

1.2相控陣導(dǎo)波B掃描成像方法

 

超聲相控陣縱波 C 掃描成像技術(shù)可簡(jiǎn)單直觀地反應(yīng)腐蝕缺陷的特性，但遇到相控陣探頭無(wú)法直接掃描的區(qū)域時(shí)，如鐵道車輛車體或罐車等的缺陷，超聲縱波 C 掃描檢測(cè)技術(shù)將無(wú)法有效檢測(cè)缺陷。因此為了實(shí)現(xiàn)板材腐蝕缺陷的全面有效檢測(cè)，有必要發(fā)展新的相控陣掃描檢測(cè)技術(shù)。超聲導(dǎo)波可在板材內(nèi)部傳播，該檢測(cè)方法無(wú)需探頭位于缺陷上方，因此可配合超聲縱波C掃描檢測(cè)方式實(shí)現(xiàn)被檢測(cè)工件的全方位掃描。

圖5 單晶片導(dǎo)波檢測(cè)原理示意圖

 

圖 5 為單晶片導(dǎo)波檢測(cè)原理示意圖。單晶片超聲導(dǎo)波探頭發(fā)出的超聲波可在工件中激勵(lì)出沿工件傳播的導(dǎo)波，當(dāng)該導(dǎo)波遇到缺陷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射，反射回波被探頭接收，然后通過(guò)分析回波的信號(hào)特征和傳播時(shí)間即可實(shí)現(xiàn)缺陷大小和位置的判別。通過(guò)直線移動(dòng)探頭，則可形成掃描區(qū)域?qū)Р?B 的掃描圖像。當(dāng)采用相控陣導(dǎo)波探頭時(shí)，根據(jù)相控陣電子掃描原理，相控陣超聲檢測(cè)儀每發(fā)射接收一次就可形成一條合成超聲波束，因此通過(guò)電子掃描獲得的所有導(dǎo)波聲束就可構(gòu)成導(dǎo)波 B 掃描圖像。導(dǎo)波 B 掃描圖像是指超聲導(dǎo)波數(shù)據(jù)的二維顯示，由掃查過(guò)程中采集的 A 掃描信號(hào)連續(xù)拼接而成，一個(gè)軸代表探頭的移動(dòng)距離，另一個(gè)軸代表水平方向的有效檢測(cè)長(zhǎng)度。采用相控陣線形掃描方式形成的相控陣導(dǎo)波B掃描圖像，圖 6 為其構(gòu)成原理示意圖。

圖6 相控陣導(dǎo)波B掃描圖像構(gòu)成原理示意圖

 

圖 6 中，保留圖像是指探頭移動(dòng)之后屏幕應(yīng)繪制的圖像，當(dāng)前圖像是指相控陣探頭實(shí)時(shí)的電子掃描圖像。設(shè)編碼器移動(dòng)的掃查步進(jìn)為 s，超聲波束間距為 d。設(shè)當(dāng)前實(shí)時(shí)導(dǎo)波掃描圖像的刷新重復(fù)頻率為 F，在 1/F 時(shí)間內(nèi)，探頭移動(dòng)距離小于等于導(dǎo)波探頭超聲波束覆蓋的寬度，若編碼器移動(dòng)的距離為M 倍掃查步進(jìn)，探頭移動(dòng)的電子掃描超聲波束數(shù)為 N，則有M*s=N*d。當(dāng) s=d 時(shí)，則保留圖像為 M 條電子掃描超聲波束。當(dāng) s ≠ d 時(shí)，需將 N*d 寬度內(nèi)的超聲波束總數(shù)插值或壓縮為M 條：當(dāng) s ＜ d 時(shí)，需要進(jìn)行超聲波束插值；當(dāng) s ＞ d 時(shí)，需要進(jìn)行超聲波束壓縮，然后再進(jìn)行圖像繪制。例如：M=20，s=0.5mm，N=10，d=1.0mm，因此需要將電子掃描的 10 條超聲波束插值為 20 條超聲波束。

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，一般要求 s 與 d 的關(guān)系是整數(shù)倍的關(guān)系，這樣實(shí)現(xiàn)插值和壓縮較為方便。進(jìn)行相控陣B掃描成像檢測(cè)時(shí)，為了提高掃查速度，可增大相控陣導(dǎo)波探頭的陣元數(shù)目來(lái)獲得更大的有效覆蓋寬度。

2 腐蝕檢測(cè)實(shí)驗(yàn)及分析

 

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

 

圖7 腐蝕坑缺陷板材試塊本文試驗(yàn)檢測(cè)對(duì)象為具有腐蝕坑缺陷的板材試塊（見(jiàn)圖7），試塊規(guī)格為 300mm×120mm×4mm，腐蝕坑缺陷采用數(shù)字編號(hào)進(jìn)行編排，其中數(shù)字 1，2，3，…7 的位置的位置為密集腐蝕坑缺陷。板材另一側(cè)為未出現(xiàn)腐蝕的光滑平面，試驗(yàn)時(shí)以板材試塊未腐蝕的一側(cè)作為檢測(cè)面進(jìn)行。

圖7 腐蝕坑缺陷板材試塊

 

根據(jù)相控陣檢測(cè)原理，為實(shí)現(xiàn)板材的腐蝕相控陣 C 掃描檢測(cè)，采用相控陣輪式探頭掃查器進(jìn)行檢測(cè)。輪式探頭采用頻率為 7.5Hz，陣元數(shù)為 64 個(gè)，陣元晶片尺寸為 10mm×1mm的相控陣探頭，陣元間距為 0.8m，輪式探頭掃查器見(jiàn)圖 8。

 

腐蝕檢測(cè)相控陣導(dǎo)波探頭掃查器見(jiàn)圖 9。為實(shí)現(xiàn)板材腐蝕的導(dǎo)波掃描檢測(cè)，相控陣導(dǎo)波探頭掃查器的導(dǎo)波探頭位于掃查器腹部，探頭規(guī)格為 2.5L64-1.0×10，探頭頻率為 2.5MHz，陣元數(shù)為 64 個(gè)，陣元晶片的尺寸為 10mm×1mm，陣元間距為 1.0mm。

圖8 腐蝕檢測(cè)相控陣輪式探頭掃查器  圖9 腐蝕檢測(cè)相控陣導(dǎo)波探頭掃查器

 

2.2 超聲測(cè)厚實(shí)驗(yàn)

 

為了準(zhǔn)確地了解腐蝕坑的腐蝕減薄情況，采用單點(diǎn)測(cè)量法利用 CTS-400+ 型超聲波測(cè)厚儀對(duì)編號(hào) 1 ～ 7 位置的腐蝕坑缺陷進(jìn)行腐蝕減薄測(cè)厚，即對(duì)腐蝕坑缺陷的某一點(diǎn)用探頭進(jìn)行兩次測(cè)厚，兩次測(cè)量探頭的分割面夾角為 90°，取較小值為被測(cè)工件厚度值。

對(duì)位置 8 采用連續(xù)測(cè)量法，即用單點(diǎn)測(cè)量法沿指定路線連續(xù)測(cè)量，間隔為 5mm，取最小值作為被測(cè)工件厚度。對(duì)位置 9采用 30mm 區(qū)域多點(diǎn)測(cè)量法，即以一個(gè)測(cè)定點(diǎn)為中心，在直徑約為30mm的圓內(nèi)進(jìn)行多次測(cè)量，取最小值為被測(cè)工件厚度值。超聲測(cè)厚法的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表 1。從表 1 可以看出腐蝕坑的減薄情況，但該檢測(cè)結(jié)果并不能直觀地反應(yīng)缺陷的位置以及大小。

 

2.3 相控陣縱波C掃描

 

實(shí)驗(yàn)為了確定腐蝕坑的腐蝕面積和缺陷分布情況，通過(guò)CTS-2018PA 相控陣超聲檢測(cè)儀和輪式探頭掃查器對(duì)腐蝕坑缺陷進(jìn)行相控陣 C 掃描成像檢測(cè)。采用線形掃查方式，掃描聚集法則參數(shù)如下：激勵(lì)孔徑為 8mm，焦距為 5mm，檢測(cè)范圍為 10mm，C 掃描成像方式為跟蹤閘門 G 監(jiān)控界面波變化，成像閘門 A 監(jiān)控底波變化，當(dāng)界面波發(fā)生偏移時(shí)，成像閘門 A根據(jù)跟蹤閘門 G 的反饋信息進(jìn)行隨時(shí)調(diào)整。

針對(duì) 1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)腐蝕坑進(jìn)行相控陣 C 掃描檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果選取 2 號(hào)、3 號(hào)腐蝕坑的 A+L+C（A 波信號(hào)，線型掃描成像和C掃描成像）同步顯示圖（見(jiàn)圖10）。從圖10看到，在 A 波數(shù)據(jù)中難以得到有效的檢測(cè)信息。在 L 描圖中，2 號(hào)和3蝕坑的底波完全消失，腐蝕坑表面回波與界面波重疊在一起，可見(jiàn)，試圖通過(guò) L 掃圖像來(lái)測(cè)量腐蝕坑的深度難度較大。但 C中可以清晰地顯示腐蝕區(qū)域的位置和形狀，測(cè)量腐蝕坑的面積則較為容易。

10-a 2號(hào)腐蝕坑 10-b 3號(hào)腐蝕坑

圖10 腐蝕坑相控針A+L+C同步顯示圖

 

由于 C 掃描圖像可以有效實(shí)現(xiàn)腐蝕的檢測(cè)，因此對(duì)所選試塊進(jìn)行整體 C 描成像。由于板材試塊較寬，使用輪式探頭掃查器無(wú)法一次性全覆蓋，故該試驗(yàn)采用多次掃查并將 C 掃圖像進(jìn)行合成，合成后的 C 描圖像見(jiàn)圖 11。從圖 11 以看出，1 和 2 腐蝕坑由于間距比較小，兩個(gè)腐蝕坑的圖像基本挨在一起；3 號(hào)至 7 號(hào)腐蝕坑由于間距比較大，顯示均為獨(dú)立的腐蝕坑圖像；8 號(hào)連續(xù)腐蝕坑缺陷相互之間間隙較小，形成的 C 掃圖像為帶狀圖像；9 號(hào)密集腐蝕坑圖像顯示為 3 個(gè)大腐蝕坑圖像挨在一起。圖 11 的 C 掃描合成圖像可以清晰反映板材腐蝕分布情況，與實(shí)際情況的一致性符合。

圖11 板材腐蝕坑C掃描合成圖像

 

2.4 相控陣導(dǎo)波B掃描成像實(shí)驗(yàn)

 

由于相控陣超聲 C 描檢測(cè)中，可能存在探頭無(wú)法達(dá)到缺陷上方的情況，無(wú)法實(shí)現(xiàn)完整 C 描成像。因此通過(guò) CTS-2108PA 控陣超聲檢測(cè)儀和導(dǎo)波探頭掃查器，對(duì)腐蝕坑缺陷進(jìn)行相控陣導(dǎo)波 B 描成像檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)線形掃描聚集法則參數(shù)如下：激勵(lì)孔徑為 24mm，焦距為300mm，檢測(cè)范圍為 300mm。本文針對(duì)板材試塊的 6 號(hào)、7 號(hào)、8 號(hào)腐蝕坑進(jìn)行相控陣導(dǎo)波線形掃描。

相控陣導(dǎo)波線形 B 掃描圖像見(jiàn)圖 12，圖像中相控陣線形掃描圖像的超聲波束總數(shù)為 34 條，每條超聲波束的間距為 1.0mm。從圖 12-a 中測(cè)得 6 號(hào)腐蝕坑與探頭入射點(diǎn)距離為 70.4mm，從圖 12-b 測(cè)得 7 號(hào)腐蝕坑與探頭入射點(diǎn)距離為 100.5mm，從圖 12-c 中測(cè)得 8 號(hào)腐蝕坑與探頭入射點(diǎn)距離為 124.6mm。由圖 12-a 中的超聲波束 [6 號(hào) ] 與圖 12-b 的超聲波束 [18 號(hào) ] 可以確定 6 號(hào)腐蝕坑與 7 號(hào)腐蝕坑之間的水平距離為 12mm，同理 7 號(hào)腐蝕坑與 8 號(hào)腐蝕坑之間的水平距離為12mm，定位距離與實(shí)際情況符合。

12-a 6號(hào)腐蝕坑 12-b 7號(hào)腐蝕坑 12-C 8號(hào)腐蝕坑

圖12 腐蝕坑相控陣A+L+C掃描

 

3 結(jié)論

 

本文主要通過(guò)相控陣縱波 C 和相控陣導(dǎo)波 B對(duì)具有腐蝕坑缺陷的薄板試塊進(jìn)行掃描檢測(cè)，從試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果得出如下結(jié)論。

1）相控陣 A+L+C 同步顯示圖可有效描述腐蝕坑缺陷的分布情況以及測(cè)量腐蝕坑的面積，通過(guò)監(jiān)控底波消失形成的腐蝕坑面積與實(shí)際腐蝕坑的面積相吻合。

2）相控陣導(dǎo)波線形及扇形 B 掃描圖像均可有效檢測(cè)腐蝕坑，較好表征腐蝕坑的位置和了解腐蝕坑的分布情況，但前面腐蝕坑的存在會(huì)影響到后面腐蝕的回波，因此當(dāng)多個(gè)腐蝕坑在同一檢測(cè)聲超聲波方向時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)處于前面的腐蝕坑，而后面的腐蝕坑容易漏檢。

3）當(dāng)探頭可布置在檢測(cè)對(duì)象的腐蝕缺陷上方時(shí)，利用相控陣 C 掃描檢測(cè)，可以快速測(cè)量腐蝕缺陷信息和了解腐蝕缺陷分布。當(dāng)檢測(cè)對(duì)象無(wú)法在腐蝕缺陷上方放置探頭時(shí)，利用相控陣導(dǎo)波 B 掃描檢測(cè)是一個(gè)比較好的檢測(cè)方式，相控陣導(dǎo)波可以檢測(cè)距離探頭一定水平距離的特定區(qū)域。

 

4）相控陣檢測(cè)的多晶片探頭可以一次性覆蓋較寬的檢測(cè)區(qū)域，通過(guò)導(dǎo)波 B 掃描和縱波 C 掃描檢測(cè)成像技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)板材所有區(qū)域腐蝕缺陷的檢測(cè)。因此利用相控陣檢測(cè)方法對(duì)板材腐蝕缺陷進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估具有較大優(yōu)勢(shì)，是一種值得推廣的檢測(cè)技術(shù)，可以借鑒推廣到貨車車體及油罐車內(nèi)壁腐蝕的檢測(cè)研究。

 

資料來(lái)源：知網(wǎng)