三維超聲成像技術在水電站壓力管道灌漿檢測中的應用

王 凡

(中國電建集團 貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

在水電站現場施工過程中，壓力鋼管背后的回填混凝土由于泵送壓力不足、澆筑過程中發生間斷、鋼襯背后加徑環的影響、混凝土干縮影響、振搗不均勻等原因，在混凝土同基巖接觸面、鋼管同混凝土接觸面可能出現脫空或不密實等現象，進行灌漿后，此類缺陷依然可能存在，從而不同程度地影響壓力鋼管的受力結構，使工程的安全運行存在隱患。由于壓力鋼管對電磁波的屏蔽特征，其回填灌漿質量檢測一般難以采用以地質雷達法為主的電磁類方法。要利用超聲波對壓力鋼管灌漿質量進行無損檢測，較好的思路便是增強異常區域或介質分界面所引起的異常反射信號。為增強反射信號的能量，最簡單的辦法便是進行信號疊加，增強激勵源的功率，相控陣震源技術恰好可以做到這一點[1-2]。

1 超聲相控陣方法原理

超聲相控陣技術主要采用一致性較好的換能器組成激發或接收單元陣列，通過控制換能器陣列中激發或接收脈沖信號的時間延遲，從而改變發射或接收聲波到達被測目標體中某點位的相位關系，以實現聚焦點和聲束方位的變化，最終達到在某部位同相疊加的目的，這樣就實現了對異常部位的反射超聲波信號的聚焦接收，因此，檢測目標區域的超聲波反射信號的振幅能量將顯著增強，基本原理如圖1所示[3]。

采用超聲相控陣進行缺陷體的檢測，主要要解決換能器延遲激發時間與聚焦深度和波束偏轉角度的空間幾何關系，如圖2所示。

假設換能器陣列由N個換能器陣元按線性并列組成，其中，各換能器陣元中心點間距為d，以陣列中心點為原點，則第n個換能器陣元的位置計算如下：

(1)

因此，對于空間某位置P點，原點和陣元n到P點的距離差可表示為r-rn。以原點作為延遲時間的參考點，則陣元n的延遲時間計算為：

(2)

式中：v為超聲波速度。

由余弦定理可得：

(3)

式中：θ為偏轉角度，即波束與換能器陣列法線方向的夾角。

將式(3)代入式(2)中，得：

(4)

(5)

式(5)計算出來的是在均勻介質中形成的波束傳播角度。

(6)

因此，對所有的換能器陣元每次由一個換能器陣元發射，其余所有換能器陣元接收，依次滾動發射和接收，便可實現對空間某部位的信號加強。

2 數值模擬

依據水電站壓力鋼管設計理念建立如圖3所示的鋼管混凝土模型[9]，模型大小為90 cm×90 cm。其中：第一層為鋼管，厚度為33 mm，第二層為混凝土，厚度45 cm，第三層為圍巖，厚度41.7 cm，其中混凝土同圍巖接觸面設置一空腔，無充填?；炷翆又须S機分布著大量的骨料，以白色的橢圓表示，骨料最大粒徑dmax=25 mm，最小粒徑為2 mm，按連續級配置，骨料占混凝土的體積比PK=0.5。數值模擬時在模型上表面布置20個主頻為100 kHz的超聲換能器，數值模擬所用的各種材料的聲學參數見表1。

表1 數值模擬所用的各種材料的聲學參數

數值模擬的波場記錄見圖4所示，對所有換能器的波場數據進行合成成像結果如圖5所示，由數值模擬結果可知：

1)壓力鋼管由于厚度較薄，無明顯反射干擾信號。在實際檢測工作中，由于壓力鋼管表面存在一層防腐涂層，反射干擾信號要比模擬結果嚴重。

2)在混凝土層中，骨料顆粒的散射信號較明顯。對多道數據進行合成孔徑聚焦成像后，能一定程度的壓制散射波。

3)混凝土同基巖分界面的反射信號較強，空腔處存在明顯的反射信號。該結果表明，可以利用相控陣方法對開挖厚度進行檢測。并且，理論分析認為，基巖同混凝土的聲學參數差異越明顯，探測效果越好。

3 工程檢測實例

3.1 回填灌漿脫空檢測

對某水電站壓力鋼管回填灌漿脫空檢測進行超聲相控陣掃描，測線布置如圖6所示。檢測測線沿壓力鋼管軸線方向布置3條掃描測線(即分別布置于頂拱中線、左頂拱線及右頂拱線，測線間隔約300)，掃描線測點間距為20 cm。本次檢測使用儀器為MIRA-超聲波混凝土檢測儀，采集系統由4×12點陣列換能器陣元組成，換能器中心頻率為50 kHz，數據處理采用合成孔徑聚焦技術(SAFT)方式。

工程區鋼管厚36 mm，鋼管同圍巖間的開挖高度約60 cm，回填C25微膨脹混凝土，圍巖為弱風化板巖和變質砂巖，局部有地下水活動。

對該段壓力鋼管回填灌漿進行超聲相控陣檢測，結果如圖7所示，樁號管0+130.5～管0+131.4 m段混凝土與基巖存在脫空，脫空長度約0.6 m。同時，檢測成果圖中也能較好地識別出開挖輪廓線。

3.2 接觸灌漿脫空檢測

采用超聲相控陣技術對某電站接觸灌漿脫空異常進行檢測，結果見圖8所示。

圖8中，左圖為缺陷體三維空間分布情況，右圖為中線部位切片。紅色區域即為缺陷位置。相較于傳統的脈沖回波法，超聲相控陣檢測結果圖中能明顯識別缺陷體的空間分布范圍。

4 結論

通過對壓力鋼管灌漿脫空模型的相控陣模擬實驗及檢測實踐成果表明：1)超聲相控陣法可以較為準確地檢測壓力鋼管灌漿脫空缺陷，同時，能有效地分辨出開挖輪廓線。2)對壓力鋼管灌漿進行檢測時，首先根據振幅信息定性判斷灌漿密實與否，當出現出現強反射波，則可進行多方向的測量，以精確定義脫空范圍。3)與脈沖回波法相比，利用相控陣超聲檢測時可以明顯提高異常目標體的檢測準確度及檢測效率。