抽水蓄能電站錨桿支護(hù)質(zhì)量無損檢測應(yīng)用

2021-09-22 01:23:52董瑞靖周黎明鄧良超耿文浩張光亮

西北水電 2021年4期

董瑞靖,周黎明,鄧良超,耿文浩,張光亮

(1.新疆阜康抽水蓄能有限公司,烏魯木齊 830000；2.長江水利委員會長江科學(xué)院,武漢 430000)

0 前言

抽水蓄能作為中國電力系統(tǒng)最可靠、最經(jīng)濟(jì)、壽命最長、容量最大的儲能裝置，承擔(dān)著重要的調(diào)峰調(diào)荷功能，對保障電源端大型火電或核電機(jī)最優(yōu)狀態(tài)運(yùn)行作用較大。近年來得到了大力發(fā)展[1-2]，相關(guān)工程技術(shù)不斷進(jìn)步，特別是隨著碳達(dá)峰和碳達(dá)標(biāo)目標(biāo)的提出，越來越多的抽水蓄能項(xiàng)目將相繼開工建設(shè)，我國核工業(yè)企業(yè)主導(dǎo)的第一個抽水蓄能項(xiàng)目也已經(jīng)上馬。錨桿支護(hù)工程作為抽水蓄能電站的重要安全措施，其支護(hù)質(zhì)量直接關(guān)乎人員、設(shè)備安全及電站持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，其質(zhì)量檢測技術(shù)也得到了相應(yīng)長足的發(fā)展。

錨桿無損檢測技術(shù)由于其快速、準(zhǔn)確且沒有損傷的特點(diǎn)，在水電行業(yè)得到大量應(yīng)用推廣[3-6]，在新版水電行業(yè)單元工程質(zhì)量驗(yàn)評標(biāo)準(zhǔn)[7]中已經(jīng)將錨桿長度及注漿密實(shí)度加入到主控項(xiàng)，并明確其應(yīng)進(jìn)行錨桿無損檢測。本文結(jié)合阜康抽水蓄能電站交通洞模型錨桿無損檢測實(shí)例，從錨桿無損檢測工作原理、模型錨桿試驗(yàn)、檢測成果分析及結(jié)論4部分進(jìn)行總結(jié)歸納及分析，為同類工程提供借鑒。

1 工作原理

錨桿無損檢測主要采用聲波反射法，由錨桿端部瞬態(tài)激發(fā)產(chǎn)生經(jīng)桿體向錨桿內(nèi)傳播的應(yīng)力波，同時在錨桿端部安裝接收探頭采集直達(dá)波和反射波信號。由于錨桿鋼筋直徑都要遠(yuǎn)小于錨桿鋼筋長度，因此，在錨桿錨固后，可以將桿體和注漿體以及圍巖組成的組合體簡化為一維桿件[6]，同時依據(jù)小應(yīng)變測樁方法[8]，應(yīng)力波在沿桿體向下傳播過程中，當(dāng)遇到砂漿和圍巖界面時會發(fā)生反射和透射。如果錨桿注漿密實(shí)，波阻抗差較小，反射回來的反射波能量較弱，接收信號則主要是由直達(dá)波組成，信號總體反應(yīng)衰減較快。反之，則反射波能量較強(qiáng)，接收信號有明顯的波形畸變，此時則主要是由直達(dá)波和反射波疊加組成，總體反應(yīng)信號能量變強(qiáng)，衰減較慢。孔底在注漿密實(shí)的情況下，其波阻抗界面為鋼筋與砂漿圍巖組成。因此，可以依據(jù)接收信號判別錨桿、錨固系統(tǒng)的錨固質(zhì)量。

當(dāng)錨桿錨固質(zhì)量有缺陷時，接收信號波形圖振幅發(fā)生變化，在錨桿錨固質(zhì)量缺陷處同時產(chǎn)生相位畸變。因此，通過分析接收信號的相位畸變的位置可以判斷出錨固缺陷位置，同時依據(jù)孔底反射信號可以計算出錨桿長度。

依據(jù)現(xiàn)行水電行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[9]，錨桿注漿的飽滿度有兩種評判方法：一種是有效長度法；一種是反射能量法。由于反射能量法受錨桿外露長度的影響較大，其是錨固質(zhì)量的一種綜合表現(xiàn)形式，本文主要采用有效長度法。有效長度法是將錨桿孔中有效粘結(jié)長度計算密實(shí)度，即孔中無缺陷段的總長度占設(shè)計孔中粘結(jié)長度的百分比[9]。密實(shí)度是檢測錨桿注漿工藝是否達(dá)標(biāo)、注漿效果是否良好的重要指標(biāo)。判別錨桿錨固密實(shí)度方法主要有波形綜合判別法、能量法、時域判別法和頻譜分析判別法等。

由于抽水蓄能電站工程的錨桿數(shù)量大，建設(shè)施工周期長，依據(jù)現(xiàn)行水電行業(yè)規(guī)范要求宜進(jìn)行錨桿模擬試驗(yàn)[9]，下面將先介紹模型錨桿部分。

2 模擬錨桿試驗(yàn)

阜康抽水蓄能電站交通洞模型錨桿采用武漢長盛工程檢測技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的JL-MG(D)型錨桿質(zhì)量檢測儀進(jìn)行檢測，該儀器由超磁致發(fā)射震源、采集儀、接收信號探頭等部分組成。采用超磁致發(fā)射震源可以減少人為敲擊差異的影響，檢測信號波形一致性好、現(xiàn)場檢測效率高。

圖1為模型錨桿示意圖，其均為全長粘結(jié)型錨桿，模擬材料采用PVC塑料管，錨桿先注漿后插桿，模型錨桿規(guī)格見表1。在進(jìn)行模擬注漿前將PVC塑料管一端用封閉塞封堵密實(shí)，內(nèi)徑不大于90 mm，PVC長度比錨桿長1 m以上，水平固定在排架上，待在室內(nèi)現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)3天以后用JL-MG(D)型錨桿質(zhì)量檢測儀進(jìn)行檢測。

圖1 模擬錨桿示意圖

表1 模擬錨桿規(guī)格

結(jié)合現(xiàn)場剖管，選取典型檢測波形圖進(jìn)行對比。

圖2～5為典型模擬錨桿實(shí)測波形圖，這4根錨桿底部均與PVC管形成的反射界面，其波阻抗較大，反射波能量很強(qiáng)，通過剖管發(fā)現(xiàn)與實(shí)際相符，桿底無砂漿。其中圖2和5中應(yīng)力波波形規(guī)則，呈指數(shù)快速衰減，且持續(xù)時間短，桿體無明顯缺陷，錨桿注漿密實(shí)。同時根據(jù)實(shí)測錨桿長度反算出桿系波速為4 300 m/s，其余錨桿均按照此速度解釋。而圖3及4中，其局部注漿不密實(shí)，反射波較為明顯，波形持續(xù)時間變長，能量衰減較慢。因此注漿密實(shí)的錨桿波形規(guī)則，呈指數(shù)型衰減，波形持續(xù)時間短，桿中反射波微弱,然而對于注漿局部不密實(shí)的錨桿，波形不規(guī)則，波形持續(xù)時間變長，剖管結(jié)果也與實(shí)際相對應(yīng)。

圖2 注漿密實(shí)模擬錨桿實(shí)測波形圖

圖3 注漿不密實(shí)模擬錨桿實(shí)測波形圖

圖4 注漿不密實(shí)模擬錨桿實(shí)測波形圖

圖5 注漿密實(shí)模擬錨桿實(shí)測波形圖

通過分析模擬錨桿，本次注漿工藝采取水平注漿，局部仍有缺陷，實(shí)際施工中拱頂采取垂直注漿，出現(xiàn)桿底無漿或者少漿，施工時應(yīng)加強(qiáng)注漿壓力，做好孔口漿液封堵工作。同時得出以下經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：

(1) 錨固質(zhì)量較好的錨桿，反射波波形規(guī)則，振幅衰減快，波形最終回歸基線，底端反射微弱或無反射，頻譜曲線也只有一個主頻；錨固質(zhì)量差的錨桿，不密實(shí)段往往表現(xiàn)為相位輕微變化或產(chǎn)生正反相疊加現(xiàn)象，在其頻譜曲線中會出現(xiàn)多個主頻，多個主頻之間的差值越小，需進(jìn)行濾波處理[7-8]。

(2) 通過模型錨桿試驗(yàn)表明，錨桿缺陷能夠在錨桿的波形曲線形態(tài)和相位分析圖上有效地反映出來，當(dāng)錨桿中出現(xiàn)缺陷時，在相應(yīng)的位置會發(fā)生波形缺陷形態(tài)突變，缺陷程度越嚴(yán)重，波形變形越嚴(yán)重。

(3) 桿底反射是判斷錨桿長度的有效手段，但由于模型錨桿孔底與實(shí)際工程中差異較大，應(yīng)采用弱信號提取方法提取孔底反射波，從而計算錨桿長度。

通過模擬錨桿獲取檢測及資料處理經(jīng)驗(yàn)后，下面進(jìn)行現(xiàn)場工程錨桿實(shí)測。

3 檢測成果分析

選取交通洞6個單元錨桿進(jìn)行無損檢測，按照10%的比例進(jìn)行抽檢，共抽檢253根。按照現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行操作[8]。采集前先去除錨桿端部的砂漿并進(jìn)行磨平，以確保得到干擾較弱或者沒有干擾的有效檢測數(shù)據(jù)，采集后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，可以定量分析注漿飽滿度與錨桿長度。依據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用過程中錨桿孔底段無砂漿情況反算，以及類似工程經(jīng)驗(yàn)，錨桿桿系波速取值5 120 m/s，結(jié)合模型錨桿試驗(yàn)缺陷拾取規(guī)律方法，對錨桿進(jìn)行缺陷拾取，以下是常見波形信號。

圖6為某根錨桿無損檢測原始記錄圖及其解釋。由圖可見，6道記錄一致性很好，且波形規(guī)則，呈指數(shù)衰減，持續(xù)時間短，桿底反射不明顯，未見不規(guī)則反射波。該原始資料信噪比高，可不經(jīng)過處理，分析計算其注漿密實(shí)，長度合格，綜合評定為Ⅰ級錨桿。

圖6 錨桿無損檢測原始記錄及其解釋圖

圖7為某單根具有缺陷錨桿無損檢測原始記錄圖及其解釋圖，從圖上可以看出，6道波形一致性很好，波形較規(guī)則，呈指數(shù)衰減，可見1處缺陷，經(jīng)過處理分析，注漿局部不密實(shí)，長度合格，依據(jù)有效長度法計算其錨桿注漿飽滿度為87.5%，綜合評定為Ⅱ級錨桿。

圖7 錨桿無損檢測原始記錄及其解釋圖

圖8為某單根具有多個缺陷錨桿無損檢測原始記錄圖及其解釋圖，該錨桿所在區(qū)域地質(zhì)條件較差，從圖上看出，6道波形一致性很好，波形欠規(guī)則，呈逐步衰減，持續(xù)時間較長。經(jīng)過分析處理，得出3個缺陷，長度合格，其中孔底段反射波明顯，反射波能量強(qiáng)，依據(jù)有效長度法計算其錨桿注漿飽滿度為76.6%，綜合評定為Ⅲ級錨桿，在常規(guī)永久性錨桿中其屬于不合格錨桿，已下發(fā)不合格通知單。

圖8 錨桿無損檢測原始記錄及其解釋圖

圖9為2根不同外露段長度錨桿無損檢測原始記錄及其傅氏變換圖，圖9(a)和(c)中單根原始記錄中波形六道記錄一致性很好，且波形規(guī)則，呈指數(shù)衰減，圖9(a)比(c)持續(xù)時間短，桿底反射均不明顯，未見不規(guī)則反射波。由圖9(b)及(d)可以得出，外露段長度對其原始信號影響較大，外露段長度過長，其低頻信號成為優(yōu)勢信號，壓制高頻信號，從而導(dǎo)致淺部錨桿注漿信息被掩蓋，而深部錨桿注漿信息則被放大。經(jīng)過多個實(shí)測錨桿數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，外露段長度大于20 cm時影響較為明顯。

圖9 不同錨桿外露長度錨桿無損檢測原始記錄及其傅氏變換圖

通過大量數(shù)據(jù)分析處理，得到影響錨桿錨固質(zhì)量的重要因素如下：

(1) 采用超磁致發(fā)射震源獲取的原始信號一致性好，可為真實(shí)錨固質(zhì)量評價提供有力保證；

(2) 外露長度大于20 cm影響采集錨桿數(shù)據(jù)質(zhì)量；

(3) 根據(jù)單元錨桿質(zhì)量統(tǒng)計分析，上傾角度大于45°的錨桿底部易出現(xiàn)注漿不密實(shí)；

(4) 錨桿周圍圍巖地質(zhì)條件較差時，采用常規(guī)注漿方式會導(dǎo)致注漿不密實(shí)。

4 結(jié) 論

抽水蓄能電站錨桿支護(hù)點(diǎn)多面廣，特別是對于一些重要部位，需要采取精細(xì)處理，內(nèi)業(yè)顯得尤為重要。本文將模型試驗(yàn)缺陷拾取與現(xiàn)場剖管發(fā)現(xiàn)缺陷的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行總結(jié)，提高了檢測及資料處理效率，也為類似工程提供了依據(jù)。得出以下結(jié)論：

(1) 將模型試驗(yàn)與工程實(shí)際相結(jié)合，得出反射波波形曲線的形狀、頻譜曲線的特征、相位特征和能量變化，可以很好地反映錨桿中的具體信息。錨固質(zhì)量優(yōu)的錨桿信號波形規(guī)律，振幅呈指數(shù)衰減，主頻唯一，反之則會有多個主頻，錨固質(zhì)量越差，主頻差越小。當(dāng)出現(xiàn)缺陷時，相應(yīng)的位置會出現(xiàn)在波形曲線形態(tài)和相位圖上。

(2) 將錨桿端頭砂漿去除及端頭抹平等準(zhǔn)備工作完成后，采集的原始資料不應(yīng)濾波處理，以免丟失有效信號。