陣列式超聲波技術在水工結構檢測中的應用研究

金澤 竇寶松 陳新

（1.北京市城市河湖管理處，北京 100089；2.北京市水科學技術研究院，北京 100048）

一、引言

為及時掌握水利工程的運行狀態，保證工程的正常安全運行，需要定期進行人工巡視檢查，但人工巡視檢查主要依靠目測或簡單工具進行外表檢查，對工程內部隱患難以發現，為此在不影響結構安全運行的前提下要進行現場無損檢測，以探明水利工程結構內部的情況，為工程安全評估與處理提供科學依據。

隨著科學技術的前進，無損檢測技術得到快速的發展，可以通過采用射線、超聲、紅外、電磁等原理技術并結合儀器對混凝土結構或土層內部進行缺陷檢測，在今后的水利工程檢測中會有更廣泛的應用場景。本次，對一種新型超聲波檢測技術進行應用研究，為今后無損檢測技術在水利工程中的推廣應用積累經驗。

二、陣列式超聲波檢測系統簡介

（一）原理

陣列式超聲波檢測技術是基于傳統的超聲波檢測原理，利用超聲波在不同的介質中傳播時將發生反射、繞射及聲能的反常衰減，檢測得到這些聲學參數的變化，根據這些聲學參數的大小和變化情況來判斷缺陷是否存在或估計其大致尺寸。

（二）陣列式超聲波檢測技術的技術特點

陣列式超聲波檢測技術相較于傳統的超聲波檢測技術有以下創新：

1.陣列式系統

由傳統超聲波“單發單收”的檢測模式轉變為“多發多收”的檢測模式，主要通過陣列式控制系統實現多模塊協同發射超聲橫波信號，多模塊協同接收到信號并進行處理，使檢測的缺陷特征更加準確。陣列式系統工作方法見圖2-1

圖2-1 陣列式系統工作示意圖

2.合成孔徑聚焦超聲成像（SAFT）

傳感器以一定步長沿線性孔徑軌跡移動，在軌跡上的孔徑位置向成像區域發射脈沖信號，并接收和儲存檢測信號，然后下一孔徑位置進行相同的發射、接收和儲存，直到掃描完成；接著按照重建點對相應孔徑檢測號的回波做延時調整、信號疊加和平均等處理，實現逐點聚焦，最終重建整個成像區域的信號反射圖。物體內部的每個點經過數字聚焦處理（DFA），產生若干波形數據用于超聲成像，如圖2-2。

圖2-2 DFA 數據重建示意圖

3.橫波探測

傳統超聲波檢測采用超聲縱波，是質點的振動方向與波的傳播方向平行的波。陣列式超聲波檢測技術采用超聲橫波，是質點的振動方向與波的傳播方向垂直的波，即平行于被測物體表面。橫波與縱波示意見圖2-3。

圖2-3 橫波與縱波傳播示意圖

相較于超聲縱波探測，超聲橫波探測的優勢主要在于：

①在混凝土中橫波的散射比縱波弱，接收信號更強；

②分辨力與超聲波波長有關，波長越短，分辨力越高。橫波波長約等于60%縱波波長（波速C=波長×頻率），分辨率更高；

③橫波只能在固體中傳播，當遇到空氣層或空洞、裂縫時幾乎全反射，探測空洞，裂縫效果更明顯。

4.干點式接觸傳感器（DPC）

傳統的傳感器需要使用耦合劑才能與被測物體表面緊密接觸，干耦合不使用耦合劑，通過彈簧彈力實現耦合。彈簧加載的天線陣單元可以在粗糙度曲率8mm 的表面上工作，在粗糙和不平整的表面也有穩定的超聲接觸，使用更加簡便快捷。干點式接觸傳感器如圖2-4 所示。

圖2-4 干點式接觸傳感器（DPC）

三、模型及實體工程試驗

（一）模型試驗

某混凝土模型尺寸為2.5m×0.8m×0.7m，為鋼筋混凝土結構，內部澆筑時摻入大量磚塊。在模型側邊進行陣列式超聲橫波檢測，如圖3-1。結果成像圖如圖3-2，圖3-3，紅色回波區較不規律且連接成片，由此可以明確判斷出，該模型內部存在大量鋼筋、異物或缺陷，與實際模型內部情況一致。

圖3-1 混凝土模型檢測圖

圖3-2 檢測成像圖

圖3-3 檢測成像3D 圖

由于該模型內部鋼筋及異物較多，造成紅色回波區連接成片，通過圖像可判斷形狀不規律的紅色回波區存在鋼筋、異物或缺陷；較為規律的圓形紅色回波區為鋼筋。大面積不規律的紅色回波區無法明顯區分鋼筋和異物，同時由于該模型內部異物較多，使得超聲橫波衰減較多，0.8m 處的空氣底波較不明顯。但實體工程中此種極端情況較為少見，通常鋼筋的回波圖形也較為規律。由此可見，陣列式超聲波檢測可以探明混凝土結構物內部是否存在鋼筋、異物或缺陷，效果較為明顯。

（二）實體PCCP 管道檢測試驗

在南水北調中線工程中，大量使用PCCP 管道用于輸水。保障PCCP 管道安全運行是當前重點工作，由于輸水管道的特殊性，普通檢測方法不易發現PCCP 管道內部缺陷及外部土層脫空，需要應用無損檢測技術進行缺陷探測。探地雷達發射電磁波，由于技術原理的制約無法穿透PCCP 管道內部鋼筒，無法應用于PCCP 管道缺陷檢測。故使用陣列式超聲波檢測技術對地表上實體PCCP 管道備件進行檢測試驗，如圖3-4。

圖3-4 PCCP 檢測

已知中線工程中應用的PCCP 管每節標準管道長5m、內徑4m、外徑約4.8m，管壁厚0.4m，內徑0.1m 處是鋼筒。檢測結果如圖3-5，圖3-6。由圖像結合PCCP 管實際情況，可以明顯看0.1m處的綠色區域為PCCP內部鋼筒，PCCP管厚0.4m，圖像中0.4m處的紅色區域為PCCP 管外部空氣。由此可以驗證陣列式超聲橫波檢測技術可以穿透PCCP 內部鋼筒探測PCCP 管內部及外部是否存在缺陷。在南水北調PCCP 實際工程中，可以應用陣列式超聲波技術檢測測PCCP 管內部缺陷及外部土層縫隙、脫空等情況。

圖3-5 檢測成像圖

圖3-6 檢測成像3D 圖

四、結論及展望

（一）結論

陣列式超聲波檢測技術可以應用于混凝土結構內部缺陷檢測，可以明顯探測出混凝土內部鋼筋、異物及缺陷的存在，效果較好。

陣列式超聲波檢測技術可以應用于PCCP 管道內部缺陷及外部土層空洞、脫空等缺陷檢測。

在面對鋼筋、缺陷及異物較為集中的混凝土結構檢測中，陣列式超聲波檢測技術可以探明有結構物中無鋼筋、缺陷或異物的存在，但并不能區分缺陷和異物，需要結合工程實際進一步探明。

（二）展望

陣列式超聲波檢測技術運用較為簡便，成像不用復雜的軟件操作，可以直接形成3D 效果圖，便于缺陷分析，是當前較為前沿的無損檢測技術。隨著水利工程運行標準的不斷提高，此項技術會有更加廣泛的應用前景。