高壓電塔錨桿的腐蝕檢測研究

國網山東鄒城市供電公司 呂 峰

淄博市建筑設計研究院 張 振

高壓電塔錨桿的腐蝕檢測研究

國網山東鄒城市供電公司 呂 峰

淄博市建筑設計研究院 張 振

在實際工程中，高壓電塔錨桿的腐蝕引起電塔結構嚴重破壞的屢見不鮮，對電塔錨桿定期進行腐蝕檢測非常有必要。本文論述了一種方法，利用激振錘（力錘）敲擊錨頭或者露出錨桿，通過粘貼在錨頭上的傳感器拾取錨頭的振動響應，從而能夠快速、簡單地測試錨桿的現有工作載荷，實現錨桿的無損檢測。使用壓電加速度傳感器適用于測量非電物理量，特別是在振動與沖擊測量中有很好的效果。

錨桿；無損檢測；壓電式加速度傳感器；載荷

1 引言

巖土錨固技術起源于一百多年前的英國，其利用預應力鋼材的高抗拉強度，并依托巖土體自身強度和自穩性，增強了施工過程中的安全性。該技術解決施工中復雜巖土工程問題成本低效果好。

在施工過程中，錨桿的耐久性與施工中埋放的巖層和土體有直接關系，環境的腐蝕是導致錨桿使用壽命縮短的最大因素。錨桿的使用壽命與其腐蝕破壞程度有直接的關系。錨桿錨固具有高度的隱蔽性，常用檢測方法破壞性強，操作復雜。因此，錨桿無損腐蝕檢測工作是整個錨固工程中不可缺少的環節。

高壓電塔的錨桿需要具備以下三個因素，才能起到穩固電塔的作用。（1）錨桿桿體的抗拉強度高于施工中埋入的巖土體。（2）錨桿桿體一端施工時埋入巖土體，形成摩擦（或粘結）阻力。（3）巖土體外部錨桿桿體一端對巖土體形成徑向阻力。

高壓電塔錨桿由于深埋在潮濕土壤中，形成原電池產生電化學作用，導致錨桿的腐蝕。腐蝕后的錨桿工作載荷會有些松弛，通過沖擊錘多次敲擊錨桿的同一位置，引起錨桿縱向振動，通過傳感器將收集來的響應數據放入已經建立好的數學模型中，進而可以得到錨桿的現有工作載荷。

2 錨桿無損檢測研究概況

錨桿無損檢測方法近年來發展迅速，主要有聲波發射檢測法、超聲波檢測法和應力波檢測法。M.D.Beard通過超聲波來檢測錨桿，采集到能量速率、信號相速率和衰減系數繪制出對應頻散曲線進行分析，結合固有因素如土質結構模量、環氧曾模量、錨固的質量等因素對測試結果的影響，基于高頻、低頻時最理想的激振頻率設計出專門的激振傳感器[1]。通過超聲波原理、人工神經網絡實現對錨桿完整性的預測和無損檢測，將非線性動力學系統在灰色系統的質量預測中得以運用。在模型試驗中利用聲頻應力波來快速檢測高壓鐵塔錨桿錨固質量和無損拉拔實驗，將相應模型結合到實際的電力工程運用中[2]。本文利用激振錘（力錘）敲擊錨頭或者露出錨桿，通過粘貼在錨頭上的傳感器拾取錨頭的振動響應，從而能夠快速、簡單地測試錨桿的現有工作載荷，實現錨桿的無損檢測。

3 壓電式加速度傳感器

3.1 晶體的正壓電效應

某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內部會產生極化現象，同時在它的兩個相對表面上出現正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會恢復到不帶電的狀態，這種現象稱為正壓電效應。并通過這種效應設計出該實驗中所用的壓電式傳感器[3]。

3.2 壓電加速度傳感器的工作原理

壓電式加速度傳感器是一種發電式傳感器，結合某些物質特有的壓電效應設計出，具有使用簡單、體積小、量程大、工作可靠、靈敏度高等優點，廣泛的應用在各種振動與沖擊測量試驗[4]。

圖3-1 壓電加速度傳感器工作原理示意圖

壓電式加速度傳感器由三部分組成，分別是質量塊、壓電元件和支座。支座與待測量物體緊密結合在一起。當物體產生運動時，支座與物體產生相同的加速度沿同一方向運動，此時壓電元件收到質量塊的慣性力作用，方向與支座加速度方向相反。不同的作用力使晶體表面電荷運動，產生交變電荷（電壓）。在物體振動頻率低時（遠遠小于固有頻率），傳感器的輸出電荷（電壓）與收到的作用力成正相關。

電信號通過放大器進行放大，由測量儀器測得電壓大小，計算出該物體的加速度。

壓電傳感器的頻響特性：

圖3-2 壓電加速度傳感器二階系統物理模型

壓電加速度傳感器靈敏度與頻率的關系式為：

其中： 為相對阻尼系數， 為傳感器固有角頻率， 為壓電元件的彈性系數， 為壓電系數， 為加速度振幅， 為振動體振動角頻率。

上式表明了壓電加速度傳感器靈敏度與頻率的關系。如果想要使傳感器的電荷靈敏度近似為一個常數，令振動體的角振動頻率遠遠小于傳感器的固有頻率。測量回路的時間常數與傳感器的低頻相應密切相關，時間常數越大，低頻相應效果越好。我們想要減少傳感器中檢測的參考量，盡可能的減少相關參數，使傳感器自身的機械參數只與傳感器自身的高頻相應相關，即只需傳感器的固有頻率遠遠低于放大器的高頻截止頻率[5]。由此可知，壓電式傳感器的高頻響應不需要考慮其他參數，只與本身機械參數決定的固有頻率相關。

4 錨桿腐蝕的檢測方法

4.1 錨桿腐蝕的形成

金屬腐蝕是指金屬物體與周圍環境產生物理或者化學作用，使物體的金屬性能發生變化，金屬物體原有的功能退化。而金屬腐蝕按照機理分類，包括化學腐蝕和電化學腐蝕兩類。

金屬表面在高溫氣體或非電解質溶液發生化學作用引起化學腐蝕，其本質是金屬發生氧化，沒有電流產生，如鋼鐵在高溫下的氧化現象。

金屬表面在介質如潮濕空氣、電解質溶液中，因形成原電池而發生的電化學作用引起的腐蝕稱為電化學腐蝕，這是金屬腐蝕中最普遍的現象，其本質是較活潑金屬被氧化，一般意義上的金屬腐蝕指的就是金屬的電化學腐蝕。本文研究的高壓電塔錨桿的腐蝕為電化學腐蝕。

4.2 檢測基本原理

在施工過程中，錨固介質和周圍巖土也影響錨固的錨桿。錨桿—錨固介質協同工作時，周圍環境對其產生的影響非常復雜。我們對其作如下假設，來簡化該模型的計算：（1）在彈性限度內錨桿所受激振動，桿體內各質點的位移、應力和應變之間的關系都服從彈性胡克定律。（2）在低應變情況下，錨桿材料近似滿足均勻或分段均勻且各向同性。（3）在錨桿受激振動時，其截面保持為平面，假設同一截面上所有質點位移的方向和大小都是一致的，則不存在相位的差別或振動的超前或滯后現象[6]。

錨桿的工作荷載與周圍地質結構、溫度、錨桿布置參數等諸多因素有關，它是影響錨固質量的關鍵參數。結合理論數據，錨桿的工作荷載F可以用其在激發載荷作用下系統的振動頻率f的冪函數來表示，即：

其中：L為錨桿的長度，f為錨桿的振動頻率，Vc為激發應力波在錨桿桿體中的傳播速度，用超聲波測得Vc=5070m/s，E為錨桿桿體彈性模量，A為錨桿的橫截面面積。

所以，主要測量參數為，在沖擊錘的作用下，錨桿受激振動的頻率。但是，從壓電式加速度傳感器輸出電信號太弱，并且存在阻抗匹配問題，需要將信號輸入測量儀器前，通過一個前置放大器放大微弱信號，如圖4-1，是壓電傳感器的測量系統：

圖4-1 測量系統圖

圖4-2 等效檢測電路

4.3 檢測電路—電荷放大電路

本文中使用的檢測電路為電荷放大電路，等效電路圖如圖4-2所示。

圖4-2中物理量分別表示：Ca—等效電容，Cc—電纜電容，Ci—電荷放大器的輸入電容，Ra—絕緣漏電阻，Ri—輸入阻抗，Rf—并聯在反饋電容兩端的漏電阻。

電荷放大器的輸出電壓與輸入電荷成正比，它具有深度電容負反饋的高輸入阻抗的高增益運算放大器。在電荷放大器中利用電容通交阻直的特性作為負反饋，對電纜噪聲比較敏感，防止其零漂較大而產生誤差。并且在反饋電容的兩端并聯一個大電阻Rf（約1010一1014Ω），提供直流反饋減小零漂，使放大器工作穩定。

設壓電加速度傳感器運算中的供電角頻率為 ，由模擬電路中的“虛短”和“虛斷”理論可推出放大器的輸出電壓：

表達式中的絕緣漏電阻Ra，輸入電阻Ri和漏電阻Rf相當大時，可對輸出電壓表達式化簡得到：

實際電路中，我們在運算放大器開環增益的設定中約為A的104~106數量級，使得（1+A）Cf遠遠大于Ca+Cc+Ci，因此可忽略不計傳感器自身的電容電纜容抗和放大器的輸入容抗，得到放大器的輸出電壓為：

根據以上輸出電壓U0的公式可知，將電荷放大器用于測量系統，輸出電壓U0的大小與電荷Q大小比成正比，與其他的參數無關。因為測量系統與電纜參數（電纜電容）無關，所以測量結果不受電纜相關參數影響，這是使用該放大器的優點[7]。

在電荷放大器的實際電路中，考慮到被測物理量的不同以及后級放大器的輸入信號太大，會使電路飽和，通過可調節電容Cf調節前置級的大小輸出。并且，傳感器與測量儀器之間的距離通過長電纜連接，使得自身噪聲數值變大，降低了信噪比，使低電平振動的測量得到相應程度的限制。

然后將放大后的輸出電壓送入測量儀器中，儀器會根據電壓的變化，繪制出其所對應的頻率，進而可以得到錨桿的工作載荷F。

4.4 標定方案

標定方案選擇靈敏度的比較法標定。比較法標定使用廣泛，原理簡單，操作操作簡便，優點突出，比較法是傳感器校準常用的方法[8]。比較法是將兩只不同的加速度傳感器緊貼在一起，安裝在剛性支架上，一只傳感器為已知傳感器，作為參照標準，靈敏度和各項參數為已知；另一只傳感器為待校準的傳感器。使用相同的加速度激勵兩只傳感器，標準傳感器的輸出為 ，Us、ks分別為標準加速度傳感器的輸出和靈敏度，待校準傳感器的輸出為 ，Ut、kt分別為待校準加速度傳感器的輸出和靈敏度，則有：

4.5 誤差分析

本測試方法是在野外進行作業，一般加速度傳感器在惡劣的環境下，如高溫、潮 濕、電磁場，處在這種場合的加速度計如不采取措施，則會使測試產生很大誤差，高壓電塔周圍也存在強磁場，所以使用時必須注意。

另外，測試電路——電荷運算放大器也會存在些許誤差，具體如下：（1）反饋電容精度不夠產生的誤差。因為精度在0.5%的聚苯乙烯電容性價比較低，我們一般選用精度為1%的普通電容，所以輸出電壓的精度不可避免的受到電容精度的影響。（2）電路的設計與電路板制作工藝不足導致的誤差。電路設計中為了簡易電路板采用單層板，導致元件連線距離變長，并且一些精度要求較高的元件直接焊接在電路板上，沒有采用絕緣柱，這些因素都會給電路帶來一定的噪音干擾，降低輸出精度。（3）電路沒有較好的輸入屏蔽導致一定的誤差。標準電荷放大器的輸入端和其他電路都進行了隔離，而且有良好的屏蔽罩屏蔽整個電路。一般的成品電荷放大器沒有進行這樣的處理。（4）絕緣電纜引起的誤差。我們在使用電荷放大器時，很容易會忽略傳感器到電荷放大器的傳輸導線對輸出的影響。并且在實際測量過程中壓電加速度傳感器的絕緣電纜產生的影響很大，絕緣電纜的長度、固定位置及其固定方式等都會帶來傳感器的測量誤差。

5 結論

本文介紹了高壓電塔錨桿腐蝕檢測的具體方案和設計過程，根據壓電式傳感器工作和測量原理設計腐蝕檢測方案。利用沖擊力使底端固定的錨桿發生振動，通過采集錨桿的振動頻率可得到現有的工作載荷，進而確定錨桿的腐蝕情況，防范于未然。在腐蝕度檢測完成后，進行了相關的誤差分析，為以后改進相關檢測方案提供了改進方向。本文提出的檢測方法對錨桿的設計和錨固機理的研究也有促進作用，更具有直接的社會、經濟效益與廣泛的推廣應用前景。

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[3]汪明武,王鶴齡.錨桿錨固質量無損檢測技術的研究[J].工程地質學報,1999,7(1):126-130.

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[5]孟祥程.基于振動響應的錨桿松弛評判方法[J].地下空間與工程學報,2015,2(11):103-107.

[6]李劍剛.錨桿工作荷載和振動基頻的關系.煤炭科學技術[J].2007,7(35):89-94.

[7]張永興.缺陷錨桿振動問題的數學模型及其求解[J].地下空間與工程學報,2005,2(1):62-66.

[8]陶玉貴.壓電式加速度傳感器測量電路的研究與開發[D].[碩士學位論文].安徽:安徽大學電子科學與技術學院,2007.