基于改进电磁检测技术的变电站混凝土构架钢筋锈蚀检测系统设计.pdf

全面腐蚀控制第37卷第10期 2023年10月107腐蚀研究Corrosion Research技术基于改进电磁检测技术的变电站混凝土构架钢筋锈蚀检测系统设计刘云飞杨 友章小彬刘飞扬刘婧珂罗晨瑀刘 军刘 闯（国网湖北省电力有限公司荆门供电公司，湖北 荆门 448000）摘 要：针对变电站混凝土构架中钢筋锈蚀检测问题，考虑到传统电磁检测技术存在的局限性，本文设计了一种基于改进电磁检测技术的钢筋锈蚀检测系统。本系统根据LC振荡电路的原理，在变电站的钢筋混凝土结构中预埋入粗细不同的多根钢丝，电路的谐振频率会随着这些钢丝依次断裂而逐渐变大，通过测量其谐振频率的变化即可判断各钢丝的通断情况，进而判断混凝土结构中钢筋的锈蚀程度。同时本文采用直接测量读取电感两端电压幅频特性的方法判断钢丝通断状态，简化了系统电路且便于测量。关键词：变电站电磁检测技术钢筋锈蚀传感器中图分类号：TP274 文献标识码：A DOI：10.13726/ki.11-2706/tq.2023.10.107.05Design of Rebar Corrosion Detection System for Substation Concrete Frame Based on Improved Electromagnetic Detection TechnologyLIU Yun-fei,YANG You,ZHANG Xiao-bin,LIU Fei-yang,LiIU Jing-ke,LUO Chen-yu,LIU Jun,LIU Chuang(Jingmen Power Supply Company,State Grid Hubei Electric Power Co.,Ltd.Jingmen 448000,China)Abstract:Aiming at the problem of rebar corrosion detection in concrete frame of the substation,considering the limitations of traditional electromagnetic detection technology,a rebar corrosion detection system based on improved electromagnetic detection technology is designed in this paper.In this system,according to the principle of LC oscillation circuit,multiple steel wires whichs thickness is different are embedded in rebar concrete frame of the substation in advance,and the resonant frequency of the circuit will gradually increase with these steel wires fracture in turn.The on-off situation of steel wires can be judged by measuring the change of the resonant frequency,and then the corrosion degree of rebar in the concrete structure can be judged.At the same time,the method of measuring the voltage amplitude-frequency characteristics at both ends of the reading inductor is used to judge the on-off state of the steel wires,which simplifies the system circuit and is easy to measure.Key words:substation;electromagnetic detection technology;rebar corrosion;sensor作者简介：刘云飞(1994)，男，湖北荆门人，工程师，硕士，主要研究方向为电力系统自动化、控制科学与工程等。0 引言变电站是电力系统的“心脏”和枢纽，承担着电能输送和分配的功能，一旦发生故障会导致大范围停电，因此维持变电站安全稳定运行至关重要。TOTAL CORROSION CONTROLVOL.37 No.10 OCT.2023108腐蚀研究Corrosion Research技术变电站内有很多钢筋混凝土构架，包括设备混凝土基础、母线（管）混凝土横梁和混凝土杆（砼）等1。在钢筋混凝土浇筑过程中，建设者通常太过于追求混凝土结构的强度，对其耐久性并不重视。钢筋混凝土的耐久性就是其暴露在恶劣的环境中以及承受本身结构作用的过程中，在规定的时间内仍能维持其自身性能的能力2。但是钢筋混凝土结构一般在未达到预期的服役年限之前就已不再可靠，其结构强度已无法承受自身的重量和外部因素的影响，因此频频引发安全事故。对混凝土结构耐久性产生危害的因素有很多，包括钢筋锈蚀、恶劣环境影响等，据统计钢筋锈蚀是危害最严重的因素之一。钢筋锈蚀会生成铁锈使其横截面积减少，造成混凝土表面和内部产生裂缝。另外，混凝土结构表面产生裂缝，将进一步加快钢筋锈蚀，这两种影响因素会产生恶性循环3。钢筋锈蚀对变电站混凝土构架的耐久性和可靠性产生不良影响，大大降低了使用年限，严重威胁变电站的安全稳定运行4。因此，实现混凝土结构中钢筋锈蚀情况的实时检测成为了当下的重点课题。钢筋位于混凝土结构的内部，目前常用的有源、有线检测方式在施工时会损坏混凝土结构，考虑到变电站的重要性和特殊性，在检测过程中应避免破坏其钢筋混凝土架构的完整性和耐久性，因此需采用无损检测技术5。无损检测技术是利用声、电和磁等对混凝土缺陷结构产生物理反应，通过对相关数据进行统计，分析其与各项性能指标的关系，来判定混凝土的各项性能指标是否达标6。无损检测方法有很多种，如电磁法、宏电流法、交流阻抗法等，据统计电磁检测法适用场合最多。电磁检测法具有无引线、无源的特点，避免了实际操作事对混凝土结构的损害。传统的电磁检测系统只能判断钢筋是否已锈蚀断裂，无法实时检测钢筋的锈蚀程度，存在一定的局限性。因此，本文在传统电磁检测系统的基础上进行了改进和优化，实现了对变电站混凝土构架里钢筋锈蚀的实时无引线检测。本系统操作方便、测量准确，满足对变电站混凝土构架进行实时无损检测的要求。1 电磁检测系统原理电磁检测系统以LC振荡电路为基础，由四个模块组成，包括埋入式传感器、外部检测电路、数据处理及人机交互系统和无线收发器7。在运行过程中由埋入式传感器来检测混凝土结构里钢筋锈蚀状态，再利用电磁耦合的方式将采集到的模拟信号传送到外部检测电路，然后把模拟信号变换为数字信号并通过无线收发器发送给终端并显示。钢筋锈蚀检测系统的组成图如图1所示。图1 钢筋锈蚀检测系统的组成图本文主要设计电磁检测系统最关键的两个模块：传感器电路和外部检测电路。传感器电路的感应电感L2经过密封处理后提前放入混凝土结构里，外部检测电路的读取电感L1放在表面，位置与感应电感正对，如图2所示。传感器电路由L2、电容与钢筋等效物组成，外部检测电路由L1与信号发生电路组成。信号发生电路生成信号传送到L1，会让其产生变化的磁场，若传感器电路谐振频率与该磁场频率一样，则L1阻抗全面腐蚀控制第37卷第10期 2023年10月109腐蚀研究Corrosion Research技术最小，可据此性质来确定传感器电路的频率，原理图如图3所示。L1L2CMI1I2U1U2Z图3 电磁耦合电路由图3可知，在L1上施加交变电流I1会产生交变磁场，当交变磁场穿过L2就会产生感应电压U2，如此就实现了对L2无源供电的目的8。但此电路的效率较低，改进方法是在L2两端并联电容C，该电路的公式可由汤姆逊公式推出：12fL C=（1）综上可得如下的公式：11122 1/0jwLjwMIUjwMjwLjwCI=+（2）化简得：221121121/LUw MZjwLjwLjwCIjwLZ=+=+（3）其中，Z表示L1的等效阻抗，ZL2表示L2对L1的耦合阻抗9。根据式（3）能推导出以下的特殊频率点：（1）当0=时，20LZ，此时1Zj L；（2）当LC振荡电路发生并联谐振时，此时21/0j Lj C+=，可得：2222211/01/opj Lj CL CMZj Lj C+=+（3）当LC振荡电路发生串联谐振时，此时221201/Mj Lj Lj C+=+，可得：221222221201/11111/1osososososMLCLL CL CML Lk+=其中，k为耦合系数，此时Z=0；（4）当时，212j MZj LL 根据以上分析可以得出如下规律：0op时，Z显感性，|Z|随的增大而增大；op=时，Z显纯阻性，|Z|为极大值；opos时，Z显感性，|Z|随的增大而增大。根据以上规律得出阻抗Z的角频率响应曲线，如图4所示。?Arg(Z)zoposo图4 阻抗Z的角频率响应曲线读取电感信号采集电路部分钢筋混凝土结构感应电感图2 电磁传感器的安装图TOTAL CORROSION CONTROLVOL.37 No.10 OCT.2023110腐蚀研究Corrosion Research技术2 改进电磁检测系统设计在实际情况中，传感器电路要预先做好封装并埋入混凝土中。传统的电磁检测系统把钢筋等效物钢丝两端并联一个电容，再根据电磁耦合电路的原理，即能实现对钢筋的锈蚀情况的检测，电路原理图如图5所示。传感器封装K钢丝混凝土L1L2C1C2读取器图5 电路原理图图5中右边电路为提前埋入混凝土中的传感器电路，传感器应采取封装措施，而钢丝要置于钢筋旁边，因此不必封装，左边电路为外部检测电路。钢丝和钢筋处于相同的环境中，因此两者将同步锈蚀，随着锈蚀程度加深，钢丝发生断裂，则其所在的回路断开，传感器电路的总电容减少，而谐振频率增大。钢丝没有断开，此时的谐振频率偏低，若钢丝已经断开，则谐振频率会变高，这样就实现了对变电站混凝土构架中钢筋锈蚀情况的无线检测10。传统的电磁检测系统存在一定的局限性，只能判断钢筋是否已锈蚀断裂，无法实时检测钢筋的锈蚀程度，难以满足变电站的生产运维要求，因此本文在传统系统的基础上进行了改进，如图6所示。改进后的系统以直径不同的多根钢丝代替传统系统中的单根钢丝，这些钢丝会随着锈蚀情况加重由细到粗依次断裂。为方便实验，本文以开关的通断来模拟钢丝断裂的情况。LC振荡电路的谐振频率会随着钢丝依次断裂而逐渐变大，因此通过测量其谐振频率的变化即可判断各钢丝的通断情况，进而判断混凝土结构中钢筋的锈蚀状态。图6 改进的电路原理图由于直接测量L1阻抗的流程繁琐，且性价比较低，因此本文采用测定L1两端的电压幅频特性的方法。根据物理公式可得如下关系：111/SUUR Z=+（4）由式（4）可知1Ui随着Z的成正比例关系，这样可以得出以下规律：0op时，1Ui随的增大而增大；=op时，1Ui为极大值；opos时，1Ui随的增大而增大。根据以上规律能画出L1两端电压1Ui与频率关系的曲线图（幅频特性曲线），具体如图7所示。电压感性容性感性频率opUosUoposu图7 L1两端的电压幅频特性曲线图综上所述，采用直接测量L1的幅频特性的方法实现钢丝通断状态的判断。此方法方便测量，并且全面腐蚀控制第37卷第10期 2023年10月111腐蚀研究Corrosion Research技术简化了系统电路。3 仿真实验与分析本文应用NI Multisim软件模拟搭建改进电磁检测系统的电路，如图8所示。左边电感为L1，右边电感为L2，C0C3为电容，M为互感，R2为L2的自阻，R3、R4和R5为粗细不同、阻值相同的钢丝。R150R20.5C010pFC110pFC210pFC310pFMV1R51R41R312.5V图8 模拟电路图运用图8所示的电路模拟实际中钢筋的锈蚀过程，随着钢筋腐蚀程度加深，钢丝由细到粗依次断裂，其所在回路也相应断开，然后根据钢丝的断裂情况对这些状态分别进行仿真，得到各状态下L1两端电压的幅频特性曲线。通过分析这些谐振频率的差异，就可确定钢筋的锈蚀程度，电压下降到极小值时所对应的频率越大，钢筋锈蚀程度就越深。在这里设置L1和L2的电感值都为150 uH，线圈之间的耦合系数M为0.6，仿真结果如下（图9）：具体的实验数据如表1所示。根据以上仿真数据，不难发现随着腐蚀程度加重，电路的谐振频率随之变大，结果和上文理论分（下转第115页）（a）没有电阻断开（基本无腐蚀）（b）电阻R5断开（腐蚀情况较轻微）（c）电阻R5、R4断开（腐蚀情况较严重）（d）电阻R5、R4、R3都断开（腐蚀情况很严重）图9 不同腐蚀程度的仿真图全面腐蚀控制第37卷第10期 2023年10月115腐蚀研究Corrosion Research技术储罐存放的介质中有含氯的成分，是腐蚀发生的点蚀剂；由于下封头的内表面焊缝热影响区存在的碳化物沉积，是易发生腐蚀的点蚀源；同时，下封头处存在明显的冷变形，冷变形也会对点蚀有促进作用；这些因素共同导致了储罐下封头点腐蚀失效的发生。建议选用对氯元素敏感性较低的其他奥氏体不锈钢材料，如316L；储罐的下封头焊接时，适当调整焊接工艺，如降低焊接电流等，控制在危险温度区的停留时间，尽量减少碳化铬化合物的生成；条件允许的情况下，可对储罐进行固溶处理，奥氏体不锈钢经固熔处理后具有最佳的耐点蚀性能。参考文献1 陈立宗,时军波,徐娜等.地下不锈钢供水管道腐蚀渗漏失效分析J.腐蚀与防护,2018,39(6):5.2 李长岭.氯离子对不锈钢材料点蚀的影响J.中国氯碱,2021.3 侯帅帅,曾现琛,付春霞等.304不锈钢管泄漏失效分析J.材料保护,2021,54(8):183-186.4 覃明,李言涛,徐玮辰等.储罐用钢在3.5%NaCl溶液中的腐蚀行为研究J.装备环境工程,2018,15(10):5.5 王亮添,胡文钰,黄国斌等.残余应力存在时Cl-对304不锈钢管道点蚀行为的影响J.西安交通大学学报,2022,56(11):11.析一致，说明本文所做改进是合理的和可行的。接下来可以通过改变系统的相关参数进行仿真实验，如耦合系数，L1和L2的电感等，以此来选取对系统性能影响最优的数值。经过分析大量仿真测试的结果，并综合考虑实际应用中的需求，本设计最后选定了传感器电路的参数：L1的电感为20 uH，L1的电感为100 uH，耦合系数M为0.05，C0C1分别为10、20、50和100pF，其它数据与图8保持一致。4 结语传针对统的电磁检测系统的不足，本文设计了一种基于改进电磁检测技术的变电站混凝土构架钢筋锈蚀检测系统。此系统不仅能判断钢筋是否已锈蚀断裂，还可以实时检测钢筋的锈蚀程度，满足变电站运维的要求。参考文献1 王斌,于金山,吴东,贺春,赵鹏,张俊喜.输变电系统中钢筋混凝土结构的劣化及其危害J.锈蚀与防护,2022,43(11):60-67+100.2 苏丽丽.建筑钢筋混凝土结构耐久性改善措施及质量监督之我见J.民营科技,2013,(02):154.3 Peter Kung,Maria I.Comanici.Monitoring corrosion in 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