沖擊回波法在水電站壓力管道鋼襯脫空檢測中的應用研究

姚德兀， 舒聯剛

(四川中水成勘院工程物探檢測有限公司， 四川 成都 610072)

沖擊回波法在水電站壓力管道鋼襯脫空檢測中的應用研究

姚德兀， 舒聯剛

(四川中水成勘院工程物探檢測有限公司， 四川 成都 610072)

本文介紹了沖擊回波法基本概念、工程運用的領域范圍、沖擊回波在水電站鋼襯脫空檢測中的原理及方法，重點對灌漿前后及灌后脫空與密實分別進行對比研究，并歸納、總結各種方法的相互關系及各種應用參數。運用該方法分析了國內外各典型工程實例，并證實取得了較好的研究效果。

沖擊回波法； 鋼襯； 振幅能量； 頻率； 波形振蕩時間； 脫空； 比值差

0 前 言

沖擊回波法(Impact-Echo method,簡稱IE法)是20世紀80年代中期發展起來的一種聲波檢測技術。它是基于彈性波和物體內部結構相互作用產生共振,由共振頻率來計算混凝土結構厚度、缺陷位置和表面開口裂紋深度的無損檢測方法，主要應用于混凝土裂縫檢測，在國內最早具代表性的為南京水科院研究的IES-A型沖擊回波檢測設備。近年來由美國Olson公司經過多年研究，在一般的單點沖擊回波測試系統的基礎上，研制出一種可以連續進行沖擊回波測試的裝置，即：掃描式沖擊回波系統(IES系統)。主要應用于公路、橋梁混凝土質量缺陷沖擊回波檢測，該檢測儀器一般應用于混凝土結構面厚度相對較小，所需沖擊回波激發振源能量較小。沖擊回波法缺陷檢測在公路、橋梁混凝土檢測運用相對較為成熟，而對于水電站工程建設項目使用較少。主要因水電站工程項目混凝土結構面一般較大，所需激發振源能量不夠，沖擊回波檢測儀激發源不能滿足要求。

本文在以往的研究基礎上，主要針對沖擊回波在鋼襯脫空檢測中運用能量域、頻率域及波長振蕩時長三種分析方法進一步深入研究。通過對比分析灌漿前全脫空與灌漿后全密實及灌漿后脫空段與密實段交織時相互的差異，進而通過差值比來半定量分析鋼襯脫空與密實之間的差異關系，為判斷鋼襯是否脫空提供重要依據。

1 原理及方法

1.1 能量域法

在檢測的過程中，信號激發采用具有固定能量的激發源，信號拾取一般采用速度傳感器或加速度傳感器。

由于鋼襯較薄(一般鋼襯厚度為20～60 mm)，鋼襯與混凝土界面的反射應力波(沖擊回波)旅行時間僅為10～20 μs，而沖擊應力波信號的主頻一般為2～10 kHz，信號周期為500～100 μs。在垂直反射的情況下，直達波與反射波信號的相位差僅為10 μs左右，為應力波主信號周期的1/50～1/10,回波旅行時間在時域曲線上是難以有效識別,因此不能直接按沖擊回波時域計算公式(1)和頻域計算公式(2)來判斷或計算結構厚度或缺陷深度，而必須采用獨立的鋼襯混凝土檢測原理。

鋼襯混凝土檢測的基本原理為：鋼襯表面在沖擊作用下產生多次諧波信號，對于單一頻率的平面諧波，鋼襯表面激振點附近的質點振動速度為：

(1)

式中v——質點振動速度；

V0——質點振動峰值；

ω——角頻率。

單一頻率諧波的波動動能為：

(2)

單一頻率諧波信號在T時間內的波動總動能為：

(3)

在鋼襯表面激發應力波，一部分應力波沿鋼襯表面擴散傳播，另一部分能量穿透鋼襯向混凝土傳播，在鋼襯與混凝土界面，或鋼襯與空氣(或水)界面，應力波將產生不同程度的反射，反射波疊加在直達波之上，使質點的波動能量有所改變。假定接收點的直達波能量為E1，反射波能量為E2，則該點的波動總能量為：

E=E1+E2

(4)

在同樣的激發能量與激發條件下，距激發點相同距離的各接收點的直達波能量基本一致，從(4)式可知，接收點波動總能量的差異反映了反射能量的差異，而應力波反射能量的大小主要與鋼襯的結構及是否存在脫空等缺陷有關，因此可以通過檢測鋼襯的沖擊回波波動能量來判定鋼襯的脫空缺陷情況。

1.2 頻率域法

由激發振源在一定頻率范圍內激發的沖擊回波，在傳播的過程中，因介質的密度物性發生改變，其頻率也將隨之發生改變。一般情況下，傳播介質的波阻抗越大，波的高頻率部分越容易衰減，低頻部分被保留。

因此，波動的振幅隨著波陣面離開面源距離的擴散衰減、振幅變化規律為：

(5)

式中A——波陣面波的振幅；

A0——面源的振幅；

r——波陣面的半徑；

r0——面源的半徑；

f0——波的頻率；

ξ——與面源狀態有關的系數；

a——介質的吸收系數。

根據(5)式，經推導可以得出[28]：

(6)

由(6)式可知，在鋼襯厚度、弧度大小一定，激發振源頻率及能量一定，波形振幅基本一致，然而波的頻率f0與介質吸收系數a成反比，即通常所說的波阻抗與頻率成反比。

當由激發振源激發一定頻率范圍的沖擊回波沿鋼襯傳播，如果鋼襯與混凝土結合密實時，其吸收系數a較小(即波阻抗較小)，則頻率值較大，即高頻部分信號丟失相對較小；反之，若鋼襯與混凝土存在一定的脫空時，其吸收系數a較大(即波阻抗較大)，則頻率值較小，即高頻率部分信號丟失較大。

因此，在數據分析過程中，通過計算主頻信號的頻率范圍，標定脫空與密實情況下主頻的差異，即可作為判斷鋼襯是否脫空的依據。

1.3 波形振蕩時長法

波在物質中傳播時，認為其能量值的衰減隨著傳播的距離變化而變化，一般情況傳播距離越遠，其衰減越嚴重，該現象稱為波的能量衰減。不同的物性有不同的傳播條件及各種波形有著不同的衰減規律。

一般情況下，以實測結果情況來評價其衰減程度。波的傳播過程，其能量的衰減有幾種形式。

(1)散射衰減。平面波在介質傳播過程中，若平面波在傳播方向上遇到障礙物，如果障礙物的尺寸大于傳播波的波長，就將產生反射與折射現象；如果障礙物的尺寸與波的波長可比時，將發生顯著的繞射的現象；如果障礙物的尺寸小于波長，波將繞過障礙物而繼續傳播，同時也有一部分能量被這些障礙物所散射掉。

(2)吸收衰減。因介質存在非完全彈性和不均勻性兩種狀況，波在傳播過程中會出現波的吸收現象，此時，介質的振動粒子之間將產生摩擦，波的一部分能量轉換成熱能，使得波攜帶的能量減少，這種現象稱為吸收衰減。這樣就比較容易理解在頻率較高時，能量的吸收衰減比較大的原因，即形成高頻部分往往容易吸收，低頻部分則保留下來。

(3)波的擴散衰減(幾何衰減)。因不同振源在介質中的波形存在著多樣性，它的傳播狀態也各不相同。就有限面積的振源來分析，波的能量擴散，隨著傳播距離變化，擴散程度也將會變化，一般而言距離增大，其擴散程度也將會加大。因此，能量單位面積上隨著傳播距離的增加而減小，這種隨著波陣面的擴散而引起的波的能量的減小，稱為擴散衰減，也可稱為幾何衰減。

2 對比研究分析

運用能量域、頻率域及波形振蕩時長三種分析方法，對以往典型工程測線進行研究，主要針對灌漿前全脫空與灌漿后全密實對比分析及灌漿后測線上脫空與密實段對比分析。本次試驗過程中，主機采用重慶奔騰數控技術研究所生產的WSD-1A型數字聲波儀，換能器采用揚州電子設備儀器廠生產的SY2型加速度傳感器。

2.1 灌前全脫空與灌后全密實對比分析

在灌前、灌后對比分析中，鋼板脫空與密實接觸范圍均較大，該分析方法運用物理條件相對簡單。將鋼襯灌漿前全脫空、灌漿后全密實同一測試位置均使用同樣的儀器設備裝置、參數及相同的處理方法，分別繪制出波形與頻率、能量對應變化曲線。測線灌前、灌后能量、波形振蕩時間及頻率曲線對比關系見圖1～2。

通過對灌前完全脫空狀況下，能量、波形振蕩時間及頻率對比分析可見，三者曲線起伏趨勢一致性較好，除個別焊接處外，頻率值變化較大。在完全脫空情況下，頻率域與能量域及時長兩者相關性成反比，而能量域與時長相關性成正比，總體三者相關性都較好。

圖1 灌前能量、波形振蕩時間及頻率曲線對比關系

圖2 灌后能量、波形振蕩時間及頻率曲線對比

通過對灌后試驗，能量、波形振蕩時間及頻率對比分析可見，波形振蕩衰減時間曲線與能量域曲線起伏一致，與頻率域曲線恰好相反，而三者變化關聯性較好。即：波形振蕩時間越長其能量值越大，而其頻率值則越低。反之，能量值越小的點，振蕩時長越小，而頻率值則越高。

通過對7個不同工程，合計21條測線的灌前、灌后統計分析，得出鋼襯完全脫空與灌漿后全密實各參數平均值范圍。各值詳見表1。

根據表1對比可知，在能量域與時長分析中，灌前、灌后兩者差異較為明顯，而在頻率域，灌前、灌后頻率值有一定的差異，但其平均值具有一定的重疊部分。

研究認為，沖擊回波在傳播過程中，若鋼板全脫空或全密實情況下，其頻率值均高于灌完漿后半脫空狀態。鑒于此分析認為，混凝土與鋼板半脫空狀態更易于高頻部分的吸收。其原因結合頻率衰減理論分析，鋼板全脫空時諧波未能通過空氣及時衰減，而是隨鋼板諧振多次被傳感器接收。當處于半脫空狀況時，波形經鋼襯在脫空帶四周向混凝土傳播，而脫空四周通常都是波阻抗最大，易造成頻率丟失。因此，在低頻部分信號突然出現可作為鋼襯是否脫空判斷依據。

2.2 灌后密實段與脫空段對比分析

通過收集4個水電站工程鋼襯脫空檢測相關資料，其檢測使用設備一致，其他參數設置基本相同。根據12條不同典型測線，從能量域、頻率域及波形振蕩衰減時長分類統計分析其脫空段與密實段之間的差異性(脫空段根據現場敲擊或開孔證實)。統計對比成果見表2。

表1 沖擊回波鋼襯脫空研究灌漿前、灌漿后時頻分析頻率統計值

表2 沖擊回波鋼襯脫空研究能量域、頻率域及時長關系統計

據上表，通過統計4個工程合計586個有效點，其密實段能量域值為5.2，脫空段為18.8，平均值為9.6，密實與脫空段差值比為261.5%。

頻率域分析利用Garbor變換變化，計算其主頻。通過統計4個工程合計581個有效點，其密實段主頻值為3 591 Hz，脫空段為2 318 Hz，平均值為3 191 Hz，密實與脫空段差值比為54.9%。

波形振蕩衰減時長分析，通過統計3個工程合計368個有效點，其密實段波形振蕩時長值為1.6 ms，脫空段為5.6 ms，平均值為2.0 ms，密實與脫空段差值比為255.0%。

3 工程實例

運用能量域法、頻率域法及波形振蕩時長法分別對金沙江、雅礱江、國外大型及特大型水電站鋼襯脫空檢測資料進行分析，對比研究典型測線各種方法相互關系及脫空與密實的差異比。

3.1 金沙江某水電站

該水電站壓力管道鋼襯直徑為10 m，鋼板厚度為3 cm。整個壓力管道鋼襯由每個鋼襯環組成，鋼襯環長2.0 m。每個環中間有一個加強圈，圈厚3 cm，寬3 cm。選取典型曲線進行分析，各道對應的頻率、能量值見表3，對應頻率、能量曲線變化見圖3。

表3 金沙江某水電站鋼襯脫空沖擊回波檢測試驗成果

圖3 金沙江某水電站鋼襯脫空沖擊回波檢測試驗頻率、能量曲線

通過該水電站測線主頻與能量曲線分析，在0.2～6.0 m段，頻率值均表現較小，而能量值表現較大，曲線均相交重疊。通過現場驗證及敲擊，該段多處點脫空，脫空長度在10.0～80.0 cm不等。在6.0～12.0 m段，頻率值均表現較大，而能量值表現較小，據現場證實該處密實。

3.2 國外某水電站

該水電站壓力管道鋼襯直徑為6～8 m不等，鋼板厚度為2.5 cm。整個壓力管道鋼襯由每個鋼襯環組成，鋼襯環長1.5～2.0 m。每個環中間有一個加強圈，圈厚2 cm，寬2.5 cm。選取典型曲線進行分析，各道對應的頻率、能量值見表4，對應頻率、能量曲線變化見圖4。

表4 國外某水電站鋼襯脫空沖擊回波檢測試驗成果

圖4 國外某水電站鋼襯脫空沖擊回波檢測試驗頻率、能量、振蕩時間曲線

通過該波形振蕩時間、頻率與能量曲線分析，在2.0 m、3.0 m、4.0 m、6.0 m、7.0 m等處，總體波形振蕩時間相對較長，能量值表現較大，而頻率值表現較小，曲線相交局部明顯重疊，通過現場驗證及敲擊，該段多處點脫空，脫空長度在10.0～60.0 cm不等。在極少數脫空點，如3.0 m處，其頻率與能量曲線明顯反向。在絕大多數密實處，波形能量與頻率及時間差異明顯，能較好地判斷是否密實或脫空。

4 結 論

(1)通過對灌前、灌后能量、頻率及波形振蕩時長的相互關系研究表明，波形振蕩衰減時間曲線與能量域曲線起伏一致，與頻率域曲線恰好相反，整體三者變化關聯性較好。即波形振蕩時間越長其能量值越大，而其頻率值則越低。反之，能量值越小的點，振蕩時長越小，而頻率值則越高。

(2)在能量域與時長分析中，灌前、灌后兩者差異較為明顯，易于判斷。而在頻率域，灌前、灌后頻率值有一定的差異，但其平均值具有一定的重疊部分。結合灌漿后密實段頻率域分析，鋼襯在完全脫空或完全密實情況下，其頻率值均高于灌漿后鋼襯脫空段頻率值。

(3)通過灌漿后脫空段與密實段的兩種情況對比研究成果表明，能量域、頻率域及振蕩時長均存在較大的差異范圍。脫空與密實的差值比一般在200%～400%范圍，均大于50%。因此，使用能量域、頻率域及波形時長振蕩方法能準確的判斷鋼襯的脫空。

[1] 林維正.土木工程質量無損檢測技術[M].北京：中國電力出版社，2008.

[2] 沙椿.工程物探手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

[3] 何樵登. 地震勘探原理和方法[M]. 北京：地質出版社, 1986.

[4] 顧軼東, 林維正, 蘇勇. 沖擊回波法測量混凝土厚度與缺陷[J]. 聲學技術, 1999, 18(2): 66-69.

[5] 肖國強, 陳華, 王法剛. 用沖擊回波法檢測混凝土質量的結構模型試驗[J]. 巖石力學與工程學報，2001.

2017- 02- 22

姚德兀(1979-)，男，湖南邵陽人，碩士研究生，高級工程師，從事大型和巨型水電站工程施工檢測工作。

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1003-9805(2017)04-0077-06