¿Cómo detectar y monitorear daños en los sistemas de cable?
El sistema de estructura de cables es el principal componente de carga de puentes de grandes luces. Su seguridad y durabilidad son extremadamente importantes para el uso normal y la seguridad general del puente. Dado que el sistema estructural de cables es el sustento de los puentes de carga de cables, una vez que se producen enfermedades y deterioro debido a una durabilidad y seguridad insuficientes, la pérdida de su capacidad de carga conducirá a un accidente cruel de colapso del puente de la carretera, causando un impacto social severo. y enormes pérdidas económicas. En la actualidad, muchos puentes que se han construido y puesto en funcionamiento han experimentado vibraciones excesivas, corrosión severa o accidentes por rotura de cables, como la rotura del cable del Puente Haiyin en Guangzhou, el colapso general del Puente Arco Iris en Qijiang, Sichuan, y la rotura de la varilla de suspensión del puente Xiaonanmen en Yibin, Sichuan. También hay algunos puentes que han sido reemplazados o están a punto de ser reemplazados, como el puente del río Amarillo de Jinan, el puente Qianwei de Sichuan, el puente atirantado de Shanghai Hengfeng Road, el puente Jiujiang de Guangdong, los tres puentes terrestres de Yunnan, etc. Los problemas de durabilidad y seguridad insuficientes de los sistemas de cables de puentes han atraído gran atención por parte de la comunidad de ingenieros de puentes y están siendo explorados y resueltos activamente. Cómo monitorear y evaluar la seguridad y durabilidad de los cables y eslingas (varillas) de puentes atirantados se ha convertido en un tema de gran preocupación para las autoridades competentes y el personal técnico y de ingeniería.
Los daños al sistema de cables incluyen principalmente corrosión, rotura de cables por fatiga, cables deslizantes y fracturas. Su tecnología de detección y monitoreo también está dirigida principalmente a las formas de daño anteriores. La siguiente es una breve introducción a varios métodos de detección comúnmente utilizados.
1 Tecnología de detección de daños en el cuerpo del cable
1.1 Método de detección manual
Durante mucho tiempo, la gente ha utilizado principalmente la inspección manual para la detección del cuerpo del cable en tramos largos. puentes, principalmente Verifique si el cuerpo del cable está corroído y si los sujetadores están flojos. Aplique pintura protectora a todas las partes del cuerpo del cable con regularidad. Elimine el óxido de los alambres de acero corroídos de manera oportuna. grado de corrosión. En la actualidad, la mayoría de los sistemas de cables de tercera generación (cables protegidos con PE) utilizan inspección visual. Primero observe la superficie de la funda y luego decida si es necesario abrir las áreas de anclaje o cortar la funda en algunas partes de acuerdo con las condiciones de la superficie para exponer los alambres de acero para comprender la corrosión y la rotura de los cables. Si es necesario, tome muestras de algunos alambres de acero y realice pruebas físicas y mecánicas relevantes para determinar el estado del cable. En la Figura 1 se muestra el funcionamiento real de la inspección de rutina de las estructuras de cables de puentes.
Los métodos de detección convencionales sugieren si es necesario reemplazar el cable en función del grado y grado de corrosión del cable. De acuerdo con la Tabla 1 de la norma industrial CJJ99-2003 del Ministerio de la Construcción, se propone un índice cuantitativo para la seguridad del cable: se utiliza como índice el 2% del área del alambre roto o el 10% del área total perdida del alambre de acero. umbral para determinar si es necesario reemplazar el cable; para puentes grúa colgantes. Para el reemplazo de varillas, solo aquellas que necesitan ser reemplazadas deben someterse a un análisis mecánico y formular un plan de reemplazo.
a. Cortar la funda para observar el cable B, el cable principal C del puente colgante encajado en la cuña de madera, e inspeccionar visualmente la corrosión del extremo de anclaje del cable.
Figura 1 Inspección de rutina de la estructura del cable del puente (inspección visual)
Tabla 1 Clasificación del grado de corrosión del cable
1.2 Método de detección de fugas magnéticas
La Inspección No Destructiva está cada vez más madura en la detección de defectos como corrosión y grietas en componentes. Entre muchos métodos de prueba no destructivos, el principio de detección magnética es uno de los mejores métodos de prueba no destructivos. El método de fuga de flujo magnético es el principal método de prueba no destructiva. Determina el tamaño de los defectos midiendo la intensidad del campo magnético que se escapa de la superficie de los cables magnetizados. Una vez que la superficie del cable está dañada o rota, una parte del campo magnético se escapará del cable y el sensor podrá detectar este campo magnético filtrado. Cuando un cable encuentra discontinuidades del material causadas por defectos internos o internos, las líneas del campo magnético pueden converger (distorsionarse), provocando fugas de flujo detectables o cambios en el campo magnético.
En la actualidad, este método se utiliza ampliamente en la detección del posicionamiento de barras de acero y en la detección de cables metálicos en estructuras de hormigón armado. La Figura 2 muestra un instrumento comercial de prueba de fugas de flujo magnético utilizado para probar cables metálicos. Porque el diámetro exterior de los tirantes (incluidas las vainas) de los puentes atirantados y puentes colgantes puede alcanzar o incluso superar los 200 mm. Por lo tanto, si se utiliza el instrumento de detección de fugas de flujo magnético que se muestra en la Figura 2, su enorme tamaño y peso harán necesario utilizar un robot especializado para la detección. En los últimos años, nuestro país también está explorando el uso de robots trepadores para detectar los cables de puentes atirantados.
Figura 2 Detector de fugas de flujo magnético de cable comercial.
En mi país, la tecnología de fuga de flujo magnético se ha utilizado durante muchos años para detectar corrosión, roturas de cables y desgaste de tirantes. A juzgar por los resultados, en comparación con las pruebas de cables metálicos, tiene las siguientes características:
1) Los cables generalmente están envueltos con materiales anticorrosivos y los extremos están anclados con materiales de fundición. Por lo tanto, incluso el hilo roto más externo del cable estará lejos del sensor magnético, y la intensidad del campo magnético de fuga que se difunde hacia afuera desde el hilo roto disminuirá exponencialmente desde la rotura hacia los alrededores, por lo que la intensidad del campo magnético que el sensor magnético que puede detectar será muy débil; el campo magnético medible generado por el cable interno roto se debilita por el efecto de blindaje del cable de acero externo, lo que dificulta su detección.
2) Dado que la capa exterior del cable está cubierta con material de PE opaco, la detección de cables rotos (capa interior o capa exterior) no se puede observar directamente, solo se puede analizar cuantitativa y cualitativamente mediante instrumentos. para determinar los defectos, posición y pendiente a lo largo del eje del cable y distribución en sección transversal.
De acuerdo con las características de la tecnología de detección de fugas de flujo magnético, es factible detectar la corrosión del alambre de acero y los alambres rotos fuera del área de anclaje de puentes atirantados y puentes colgantes, pero la detección dentro del área de anclaje será más difícil.
1.3 Método de detección de radiación
El método de radiación puede detectar diversos daños en el cuerpo del cable, incluidos rayos X y rayos γ, y puede detectar daños internos y defectos del cuerpo del cable. El principio de la detección de rayos X es que cuando los rayos atraviesan el objeto a inspeccionar, las capacidades de absorción de las piezas defectuosas y no defectuosas son diferentes. Generalmente, la intensidad de los rayos que atraviesan las piezas defectuosas es mayor que la de las piezas no defectuosas. Por lo tanto, es posible determinar si existe un defecto en el objeto que se inspecciona detectando la diferencia en la intensidad de los rayos que atraviesan el objeto que se está inspeccionando. inspeccionado. Los métodos de radiación no sólo detectan la presencia de daños sino que también localizan los daños en coordenadas espaciales tridimensionales. El dispositivo de detección de rayos X consta principalmente de una fuente de rayos, una película y una cámara. Los dispositivos de rayos X tienden a ser más grandes para proteger al cuerpo humano de la radiación, pero se pueden usar dispositivos de rayos X portátiles para detectar daños en los cables in situ.
Los defectos de la superficie también afectarán la imagen de la película negativa, pero al observar los defectos de la superficie en el sitio, se pueden eliminar los defectos de la superficie de la imagen y los cables rotos y los daños de los cables deslizantes dentro del cuerpo del cable y La cabeza del ancla se puede obtener con mayor precisión.
1.4 Detección Ultrasónica
A finales del siglo pasado, Estados Unidos, Japón y otros países estudiaron la tecnología de detección ultrasónica de rotura de cables en la zona de anclaje atirantado y la aplicaron. hasta el Puente Cochrane en Estados Unidos. La Figura 3 muestra la detección ultrasónica de la rotura de alambre de acero en la zona de anclaje atirantado del puente real. Se informa que cuando la frecuencia es de 5~10MHz, las ondas ultrasónicas pueden detectar cables rotos dentro de una longitud de 2~5m en el área de anclaje. Obviamente, esta técnica de medición es una opción, pero al probar los tirantes y los sistemas de anclaje de puentes atirantados y los sistemas de cables de suspensión de puentes colgantes, se debe realizar una calibración estricta de antemano para lograr resultados ideales. Aunque en teoría es posible medir la irregularidad del cable y la pérdida de sección transversal, en la práctica sigue siendo difícil. Por otro lado, todavía existen dificultades en el uso de la tecnología de detección ultrasónica para detectar cables de anclaje fuera del área de anclaje.
Figura 3 Detección ultrasónica de rotura de alambre de acero en la zona de anclaje de cables del Puente Cochrane.
1.5 Método de detección de la tecnología de detección magnetoestrictiva
La tecnología de extensómetro magnético utiliza dos extensómetros magnéticos para realizar pruebas, uno de los cuales se utiliza como transmisor y el otro como receptor, ambos compuestos por bobinas. y campos magnéticos polarizados, como se muestra en la Figura 4.
La tecnología de alargamiento magnético se puede utilizar para detectar la pérdida de sección transversal del cable causada por cables rotos, corrosión, etc. El cable de 49 hilos ha sido probado y estudiado en el extranjero y se ha confirmado su eficacia. Las pruebas realizadas en cordones de acero con una longitud de 100 m y un diámetro de F15 mm demostraron que el sensor de alargamiento magnético puede detectar una pérdida de sección transversal superior al 2 %. Sin embargo, la detección de la zona de anclaje similar a la tecnología de detección de fugas de flujo magnético sigue siendo difícil.
Figura 4 Diagrama esquemático de la tecnología de detección de alargamiento magnético para la detección de cables
1.6 Tecnología de reflexión eléctrica
Tecnología de reflexión eléctrica (incluida la reflexión eléctrica en el dominio del tiempo/ETDR y la Tecnología de reflexión en el dominio de frecuencia/EFDR): El sistema de reflectometría eléctrica en el dominio del tiempo, también conocido como radar de "bucle cerrado", se usa ampliamente en la detección de líneas eléctricas y también se usa en ingeniería geotécnica. El principio de funcionamiento del sistema de reflexión eléctrica en el dominio del tiempo es que el sistema envía pulsos eléctricos de alta frecuencia al cable. La impedancia discontinua y no coincidente a lo largo del cable reflejará algunos pulsos. El sistema puede registrar los pulsos reflejados y analizar las propiedades físicas de. los materiales a lo largo del cable en función de los cambios de impedancia. La tecnología de reflexión en el dominio de la frecuencia eléctrica procesa señales de reflexión en el dominio de la frecuencia. Su análisis será más simple y claro que en el dominio del tiempo, y es más fácil eliminar la influencia del ruido. Al inspeccionar los cables de puentes atirantados y puentes colgantes, el sistema de reflexión eléctrica puede utilizar el hilo de acero del cable o el cable de acero paralelo como cable y, al mismo tiempo, disponer otro cable auxiliar en paralelo como cable de conexión a tierra, como se muestra en Figura 5.
a. Cable real b. Cable idealizado
Figura 5 Diagrama esquemático de la tecnología de detección de reflexión eléctrica de cables (un modo de detectar cables)
Actualmente, basado en El sistema de prueba de reflexión eléctrica del producto ha podido obtener datos de daños en cables con pérdidas superiores al 7%. Con el desarrollo de la tecnología, la precisión de las pruebas de los sistemas de reflexión eléctrica mejorará gradualmente. Un estudio relacionado financiado por la National Science Foundation muestra que un sistema electrorreflectante puede distinguir con precisión la corrosión superficial y la corrosión por picaduras en los cables y sus ubicaciones. Se puede observar que es completo y factible que el sistema de reflexión eléctrica detecte daños como corrosión, corrosión por picaduras, cables rotos, etc. en la superficie del cable. Después de una calibración previa, el sistema electrorreflectante también puede medir la tensión de los cables (materiales ferromagnéticos). Se puede ver que la tecnología de reflexión eléctrica es una tecnología de detección adecuada para la producción de cables y su implementación debe combinarse con la producción de cables. Sin embargo, existen altos requisitos para la extrusión en caliente de la funda de PE para el cuerpo del cable, y todavía hay muchos problemas técnicos que deben resolverse utilizando la tecnología y los equipos de extrusión existentes.
Además, existen tecnologías de sensores magnetelásticos para pruebas no destructivas; tecnología de corrientes parásitas pulsadas; tecnología de recolección y adquisición de energía acústica no lineal; etc. Pero muchas de estas tecnologías de detección tienen sus propias condiciones y condiciones de trabajo. Según el análisis de las condiciones de trabajo y las condiciones de detección de cables, ninguna de las tecnologías anteriores puede cubrirlo completamente y deben resolverse en combinación.
2 Tecnología de monitoreo de daños en cables
2.1 Método de monitoreo de emisiones acústicas
El monitoreo de emisiones acústicas es un tipo de monitoreo "pasivo". Su principio básico es cuando el. interno Cuando los defectos ocurren y se expanden, la energía se libera en forma de ondas elásticas y se propaga, y los defectos se convierten en fuentes de emisión acústica. La detección del cuerpo del cable significa que cuando el alambre del cable con alta tensión de tracción se agrieta, se corroe o se rompe, la liberación de alta tensión local generará una onda de tensión específica. El sistema de monitoreo de emisiones acústicas puede capturar esta onda de tensión y usarla para analizar. su proceso físico.
Cuando se utiliza, el sistema de monitoreo de emisiones acústicas debe funcionar continuamente. Una vez que se produce una onda de estrés (onda sonora), se registrará. La Figura 6 muestra la instalación de tecnología de emisión acústica en el monitoreo real del estado del cable de un puente. Sin embargo, a juzgar por el efecto de detección, las ondas elásticas en el hormigón se atenúan rápidamente, por lo que el método de emisión acústica no es adecuado para controlar cables conectados.
a, sensor AEM para el cable b, sensor AEM en el tirante c y sensor AEM en la zona de anclaje.
Figura 6 Aplicación de la tecnología de emisión acústica en el monitoreo del estado de cables de puentes
2.2 Método de vibración
El método de vibración se puede utilizar para detectar y monitorear la fuerza interna de el cable. El método de prueba de vibración es actualmente el método de prueba de fuerza de cable más utilizado. El requisito previo para el método de prueba de vibración es que la longitud, la densidad lineal y las condiciones límite del cable sean claras. El cable no debe ser demasiado corto, demasiado largo, demasiado grueso ni tener soportes intermedios. Bajo estos requisitos previos, siempre que se use correctamente y la relación entre la fuerza del cable y la frecuencia se calibre antes de la prueba, el método de vibración puede medir con precisión la tensión estática de la fuerza del cable. Para superar las limitaciones de los métodos de vibración tradicionales, el método de vibración en sí también está en constante evolución. El desarrollo de métodos de vibración también incluye avances en la tecnología de captación de vibraciones (como láser, inducción electromagnética y otras pruebas de vibración sin contacto) y tecnología de procesamiento de señales.
Hay dos tipos principales de sensores utilizados en las pruebas de vibración. Uno es el sensor de aceleración, la Figura 7 muestra la prueba de vibración cuando se instala en el cable atirantado. El otro tipo es un sensor de presión, que se implementa principalmente instalando un sensor de presión de orificio pasante en el extremo del cable. Actualmente existen dos tipos de sensores de presión adecuados para cables: sensores de presión de acero y sensores de tensión. El sensor de presión de acero tiene buena estabilidad a largo plazo, pero solo se puede utilizar para probar la tensión estática del cable. Estabilidad a largo plazo, pero puede probar simultáneamente la tensión estática y la tensión dinámica del cable. Con la fuerte tendencia de la configuración del sistema de monitoreo de salud en la construcción de puentes nuevos, algunos puentes de carga de cables nuevos pueden estar equipados con tales sensores, lo cual es de gran importancia para garantizar la seguridad del puente. Sin embargo, obviamente no es fácil ni económico utilizar el método del sensor de presión para probar las fuerzas de los cables de puentes atirantados y puentes colgantes que se han construido en el pasado. El método del sensor de aceleración se instala en el cable y se puede utilizar tanto en puentes antiguos como nuevos. Obviamente es mucho más realista.
Figura 7 Prueba de vibración de tirantes (tensión estática del cable)
Lo anterior presenta algunos métodos comunes para detectar y monitorear sistemas de cables de puentes. Este es un proceso complejo en el que influyen muchos factores. En la actualidad, la gente sólo realiza investigaciones y experimentos con la esperanza de encontrar un método de detección ideal y fiable. Como resultado, estas técnicas de monitoreo y pruebas no destructivas comúnmente utilizadas aún no son lo suficientemente completas para evaluar con precisión los sistemas de cables dañados. Sólo combinándolos para formar un sistema se pueden resolver algunos problemas.
3 Conclusión y perspectivas
Como se puede ver en lo anterior, los principios de medición de la fuerza son diferentes, los instrumentos utilizados son diferentes y los resultados de la medición también son diferentes. El mismo cable se prueba utilizando diferentes métodos y los resultados medidos suelen ser muy diferentes. La estructura del puente es compleja y las fuerzas que soporta también lo son. Después de que el puente haya estado en funcionamiento durante varios años, el estado real, el estado de diseño y el estado del puente terminado han cambiado mucho y la fuerza del cable se redistribuirá. Cómo analizar con precisión la seguridad del cable basándose en los resultados de la prueba de fuerza del cable es una cuestión muy compleja. ¿El aumento de la tensión del cable se debe a una deformación estructural o a una reducción de la sección transversal del alambre de acero? A menudo es difícil determinar si la reducción en la sección transversal del alambre de acero se debe a la fatiga de los alambres cortos o a la corrosión. Es difícil de decir. Especialmente cuando el cable está seriamente corroído pero el alambre no está roto, los resultados de las pruebas a menudo dan a las personas una falsa sensación de seguridad, lo cual es preocupante. Incluso si se conoce un cable roto, la sección transversal efectiva del cable se ha reducido. Para conocer la causa del cable roto, sólo nos queda utilizar el método más primitivo, abriendo la zona de anclaje y observando directamente el cable roto. Aunque el método anterior es directo y fiable, también es muy operable. Sin embargo, se debe abrir la capa protectora del cable (incluido el mortero de cemento o el mortero de azufre; el revestimiento de metal o el revestimiento de PE), lo que requiere mucho tiempo y mano de obra, tiene un largo período de construcción y tiene un gran impacto en el tráfico; También vale la pena considerar la confiabilidad de la posición abierta después de la reparación.
Por lo tanto, la detección y monitorización de cables de puente es un proceso complejo en el que influyen muchos factores. Ninguna de las tecnologías de ensayos no destructivos actuales se puede aplicar a la detección de cables dentro y fuera de la zona de anclaje al mismo tiempo. Esto sólo se puede solucionar combinando un sistema. La tecnología, las condiciones operativas, los requisitos del proceso, el procesamiento y análisis de datos, y la precisión y confiabilidad de los resultados involucrados en este sistema requieren investigaciones y pruebas en profundidad para evaluar con precisión si el cable puede operar de manera segura. Además, cuando se realizan pruebas y monitoreo, no solo se requiere mucha mano de obra y recursos materiales para realizar múltiples demostraciones, sino que los resultados a menudo son insatisfactorios.
Para resolver completamente estos problemas, se llevaron a cabo más investigaciones y experimentos sobre la detección y monitorización de cables. Su propósito es esperar que el cable pueda informarnos de su enfermedad en cualquier momento, para que podamos juzgar la vida útil del cable en cualquier momento y repararlo y reemplazarlo a tiempo. Sólo así se podrá evitar a tiempo el cruel acontecimiento del derrumbe del puente. Se puede ver que la reciente tendencia de desarrollo de cables será la detección en línea y controlable de cables inteligentes.
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