淺談超聲脈沖法在水利工程質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

【摘要】介紹了超聲脈沖法無(wú)損檢測(cè)原理及其在鋼焊縫質(zhì)量及引水鋼管壁厚檢測(cè)、混凝土強(qiáng)度及缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用，提出了應(yīng)用此技術(shù)檢測(cè)引水鋼管壁厚、對(duì)接鋼焊縫及混凝土質(zhì)量切實(shí)可行的方法，并根據(jù)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)指出檢測(cè)過(guò)程中必須注意的問(wèn)題，以期對(duì)類似工程提供借鑒指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】超聲脈沖法，水利工程，質(zhì)量檢測(cè)

1、超聲脈沖法

超聲波作為機(jī)械波具有較高頻率和較大的傳播能量，其可以采用透射、反射、散射及干涉等方式在介質(zhì)中傳播，其在傳播過(guò)程中直接反映出的包括聲速、頻率和振幅等在內(nèi)的聲學(xué)參數(shù)可以間接反映介質(zhì)的結(jié)構(gòu)及本質(zhì)，這也為超聲波技術(shù)被用于金屬、混凝土等非金屬介質(zhì)的質(zhì)量檢測(cè)提供了科學(xué)依據(jù)。

超聲脈沖法被用于材料內(nèi)部缺陷的探測(cè)始于二十世紀(jì)二十年代末期，當(dāng)時(shí)該技術(shù)首先被用來(lái)探測(cè)金屬材料及其零部件內(nèi)部缺陷的探傷，但是由于技術(shù)所限，當(dāng)時(shí)只能用于探測(cè)被檢測(cè)材料內(nèi)部是否存在缺陷，而無(wú)法準(zhǔn)確切丁缺陷面積的大小及準(zhǔn)確位置。當(dāng)前伴隨著雷達(dá)技術(shù)的迅速發(fā)展，超聲脈沖技術(shù)及相應(yīng)儀器在金屬材料探測(cè)方面的運(yùn)用越來(lái)越普遍。而采用超聲脈沖法對(duì)混凝土的探傷技術(shù)要比金屬材料探傷發(fā)展更晚一些，在國(guó)內(nèi)理論界也是直到上世紀(jì)六十年代才開始受到重視。

2、超聲脈沖法在鋼焊縫質(zhì)量及引水鋼管壁厚檢測(cè)中的應(yīng)用

2.1 鋼焊縫質(zhì)量檢測(cè)

進(jìn)行鋼焊縫質(zhì)量及引水鋼管壁厚檢測(cè)時(shí)，常用的方法便是超聲脈沖法，這種方法適用于鋼焊縫數(shù)量多、焊縫長(zhǎng)度較長(zhǎng)且尺寸較大、所處環(huán)境復(fù)雜的建筑物，這種方法在此惡劣的條件下便顯示出優(yōu)越性與實(shí)用性。在被檢測(cè)金屬晶粒粒徑尺寸小、聲阻抗力大的情況下，為了將極其微小的缺陷也探測(cè)準(zhǔn)確，可以采用主頻率為2.5MHz的超聲脈沖波，通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)的角度入射，當(dāng)通過(guò)有缺陷的孔洞或未焊透的焊縫時(shí)，超聲脈沖波便會(huì)變反射回超生探頭，將此電信號(hào)傳遞給探傷儀，將反射波的波幅與聲程反映在示波屏上，并根據(jù)聲程確定鋼焊縫的具體位置、缺陷大小及性質(zhì)。

水利水電工程中引水管鋼焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需注意并做到以下幾方面：

（1）為了保證鋼焊縫的全部區(qū)域都能被超聲波回波探測(cè)到，超聲波探頭的選擇必須與所檢測(cè)鋼管壁厚相符，并且最大探測(cè)位置的回波必須接近滿幅。

（2）偶合劑的選擇必須結(jié)合鋼管管徑、作業(yè)溫度、焊縫方向等參數(shù)，如果所選偶合劑粘度過(guò)大，則檢測(cè)過(guò)程中探頭旋轉(zhuǎn)阻力會(huì)大大增加，相反如果粘度過(guò)低，偶合劑不斷向下流淌，重力和慣性的作用會(huì)使探頭探測(cè)的精度大打折扣。

（3）探測(cè)過(guò)程中注意凸瘤和內(nèi)凹的區(qū)別。焊接過(guò)程中在鋼管焊縫根部會(huì)出現(xiàn)向管內(nèi)溢出的瘤狀凸起，即所謂的焊瘤，若是在仰焊部位，焊縫根部便會(huì)形成內(nèi)凹，凸瘤與內(nèi)凹都屬于焊縫缺陷。采用超聲波進(jìn)行探測(cè)時(shí)，凸瘤和內(nèi)凹的反射回波顯示的聲程完全相同，這就需要利用其三次回波進(jìn)行聲程的區(qū)分，凸瘤的聲程更長(zhǎng)，也可通過(guò)反射波信號(hào)的強(qiáng)弱進(jìn)行區(qū)分，凸瘤的信號(hào)更強(qiáng)。

（4）注意區(qū)分錯(cuò)口與焊縫缺陷。如果鋼管對(duì)口不精確，焊縫根部一側(cè)突出而另一側(cè)凹進(jìn)，就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)口，錯(cuò)口具有與焊縫缺陷相同的聲程變化，若不加注意，則很難區(qū)分。

2.2 鋼管壁厚檢測(cè)

在多泥沙河流中，引水鋼管會(huì)在含沙水流的不斷沖磨下而管壁厚度減小，管理單位必須定期進(jìn)行管壁厚度檢測(cè)，在選擇檢測(cè)方法時(shí)，很難取得引水管橫截面與壁厚的具體數(shù)據(jù)。此時(shí)便可通過(guò)脈沖反射式超聲波金屬測(cè)厚儀迅速獲得引水鋼管壁厚的真實(shí)數(shù)據(jù)。檢測(cè)時(shí)需要預(yù)先埋設(shè)至少兩個(gè)聲測(cè)管，聲測(cè)管的數(shù)量主要根據(jù)構(gòu)件尺寸確定，聲測(cè)管下端須設(shè)置在構(gòu)件底部并采用螺紋套管連接，以防漏水（漿）。檢測(cè)開始前須保證測(cè)管通暢，檢測(cè)時(shí)將發(fā)射探頭及接受探頭均與發(fā)射-接收裝置相連，并將兩個(gè)探頭置于不同的聲測(cè)管并保持相同高度，探測(cè)時(shí)從測(cè)管底部開始，每升高1cm就發(fā)射-接收一次聲波信號(hào)，發(fā)射-接收裝置會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄與波形顯示。將收集到的信號(hào)進(jìn)行匯總便可得到聲測(cè)結(jié)果，在結(jié)果圖上可以進(jìn)行檢測(cè)結(jié)果的直觀分析。

3、超聲脈沖法在混凝土質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

3.1 混凝土強(qiáng)度檢測(cè)

混凝土作為水泥、砂石料、骨料等按比例復(fù)合而成的塑性材料，其性質(zhì)很容易受到組分和施工條件的影響而發(fā)生性變，通過(guò)一種數(shù)學(xué)模型描述和檢測(cè)混凝土強(qiáng)度幾乎是不可能的。由于混凝土的彈性性質(zhì)與超聲脈沖波在混凝土中的傳遞速度存在變量關(guān)系，其彈性模量與其力學(xué)強(qiáng)度之間也存在密切聯(lián)系，基于這些聯(lián)系便可建立超聲波聲速與混凝土抗壓強(qiáng)度之間的變量關(guān)系，即通過(guò)超聲波測(cè)傷儀準(zhǔn)確測(cè)量出某個(gè)波段的聲波經(jīng)過(guò)特定長(zhǎng)度的混凝土所需聲時(shí)，進(jìn)而求得混凝土中超聲波聲速，并推測(cè)出混凝土強(qiáng)度。變量關(guān)系如下：

3.2 混凝土缺陷檢測(cè)

3.2.1 混凝土裂縫檢測(cè)

（1）檢測(cè)方法及過(guò)程

穿透法及平測(cè)法是兩種常用的用于探測(cè)混凝土裂縫深度的方法，其主要根據(jù)構(gòu)件的形狀及裂縫位置等具體情況進(jìn)行恰當(dāng)選用。

當(dāng)發(fā)生裂縫的構(gòu)件斷面面積較小時(shí)，采用穿透法進(jìn)行裂縫探測(cè)，在探測(cè)過(guò)程中，必須將探頭沿著構(gòu)件側(cè)面按點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)，而當(dāng)探頭間兩兩間隔的連線不予裂縫相交時(shí)聲時(shí)保持不變，相交時(shí)逐漸拉長(zhǎng)。由于裂縫中一般都會(huì)有積水及其他夾雜物，所以采用此法所探測(cè)到的裂縫往往比實(shí)際深度要小。

相反，當(dāng)發(fā)生裂縫的構(gòu)件斷面面積較大，無(wú)法采用穿透法進(jìn)行側(cè)面測(cè)量時(shí)，則必須采用平測(cè)法進(jìn)行裂縫探測(cè)，如圖1所示，先采用平測(cè)法測(cè)出裂縫周圍混凝土的聲速，由于裂縫區(qū)混凝土的配比、濕度、密度等的取值與完好無(wú)損情況下均存在較大差別，求出多次測(cè)量出的C值的平均值，根據(jù)各個(gè)點(diǎn)之間的幾何關(guān)系，可以寫出如下式子：

上式中，D是鋼筋與探頭之間距離的最小值；Cs為鋼筋聲速；C為混凝土聲速，一般情況下，D在1.5h左右時(shí)鋼筋對(duì)裂縫深度探測(cè)過(guò)程的影響程度最小。

進(jìn)行裂縫深度檢測(cè)時(shí)，必須保證檢測(cè)表面平整、密實(shí)，為避免裂縫內(nèi)部可能出現(xiàn)的短接現(xiàn)象，最好在同一裂縫間隔200mm左右距離處設(shè)置兩個(gè)以上測(cè)試點(diǎn)，并采用低頻率探頭，增大探測(cè)距離，增加檢測(cè)儀器發(fā)射電壓，減少探頭連接線促昂度，以確保儀器與探頭接口可靠連接。

3.2.2 表面損傷檢測(cè)

在施工和使用中，混凝土結(jié)構(gòu)表面層會(huì)發(fā)生各種形式的損傷，如火災(zāi)、冰凍、酸堿浮石等，損傷程度除了與混凝土本身情況（如表面積、齡期、水灰比、壓實(shí)度等）有關(guān)外，還與作用時(shí)間及作用次數(shù)有直接關(guān)系。在工程實(shí)例中，表面損傷層與為損傷部分并無(wú)明顯分界，一般都是最外層損傷最嚴(yán)重，越往里層損傷程度越來(lái)越輕。

4、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，超聲脈沖法被廣泛運(yùn)用于鋼焊接縫質(zhì)量、鋼管壁厚及鋼管混凝土密實(shí)度與均勻性等的檢測(cè)，簡(jiǎn)便易行，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，且可用于混凝土強(qiáng)度、混凝土缺陷位置和尺寸的檢測(cè)，雖然鋼焊接缺陷、混凝土構(gòu)件的含水及雜物等情況對(duì)測(cè)試結(jié)果有一定影響，但是相對(duì)誤差均滿足工程測(cè)試要求。隨著混凝土強(qiáng)度等理論的不斷完善，超聲脈沖法在水利水電工程質(zhì)量檢測(cè)方面的能力會(huì)更強(qiáng)大，應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣，在檢測(cè)過(guò)程中必須注意多種方法的結(jié)合運(yùn)用。

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