超聲波在水利工程質(zhì)量檢測(cè)的作用

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摘要：超聲法作為檢測(cè)質(zhì)量的一種關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛。水利工程施工過(guò)程中使用的機(jī)械設(shè)備、原材料和施工人員技術(shù)水平，都會(huì)影響到施工質(zhì)量。因此，在超聲法無(wú)損檢測(cè)的原理基礎(chǔ)上，提出了檢測(cè)鋼焊縫及檢測(cè)混凝土質(zhì)量的方法及需要注意的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：水利工程；超聲波應(yīng)用；焊縫；質(zhì)量檢測(cè)

超聲波是一種人類(lèi)聽(tīng)不到的機(jī)械波，人類(lèi)能聽(tīng)到的聲波頻率在20Hz~20kHz之間，超過(guò)20kHz的聲波稱(chēng)之為超聲波。目前，超聲波已運(yùn)用到工作和生活的方方面面，如醫(yī)學(xué)B超檢查、通信、超聲波缺陷檢測(cè)等。這些運(yùn)用正是利用了超聲波的穿透性、指向性好、能量集中、對(duì)周?chē)h(huán)境影響小等特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)被超聲波穿透的物體沒(méi)有物理性損傷，可做到“隔空透視”。

1超聲波檢測(cè)原理及方法

超聲檢測(cè)是利用超聲波在被檢測(cè)物體內(nèi)部傳播時(shí)，遇到材料密度發(fā)生變化的界面（如空洞、其他雜質(zhì)）發(fā)生反射或透射接收的聲波訊號(hào)特征變化，來(lái)檢測(cè)物體內(nèi)部的缺陷情況。超聲波檢測(cè)，依據(jù)發(fā)射和接收方式及時(shí)間的不同可分為脈沖反射法、脈沖透射法、共振法和衍射時(shí)差法。1.1脈沖反射法脈沖反射法是利用超聲探頭產(chǎn)生的超聲脈沖波，入射到兩種不同密度或材質(zhì)的界面上發(fā)生反射的原理進(jìn)行檢測(cè)，這種檢測(cè)方法常采用同一超聲探頭（一般使用壓電陶瓷轉(zhuǎn)換器）作為發(fā)射和接收裝置。1.2脈沖透射法脈沖透射法的原理與X射線的原理基本相似，即利用兩個(gè)超聲探頭置于被檢測(cè)物體的兩側(cè)，分別作為發(fā)射和接收裝置，通過(guò)緩慢移動(dòng)兩個(gè)超聲探頭，觀察接收能量的變化，來(lái)判定被檢測(cè)物體內(nèi)部的缺陷情況。1.3共振法利用可調(diào)頻率的超聲波檢測(cè)物體內(nèi)部情況，當(dāng)超聲波的半波長(zhǎng)與被測(cè)物體的厚度成整數(shù)倍關(guān)系時(shí)，會(huì)引起共振現(xiàn)象，儀器會(huì)顯示出共振頻率。當(dāng)被檢測(cè)物體厚度發(fā)生變化，共振頻率也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，通過(guò)儀器顯示的不同頻率，可以判定被檢測(cè)物體的厚度變化，來(lái)確定質(zhì)量情況，稱(chēng)為共振法。1.4衍射時(shí)差法利用一對(duì)或多對(duì)縱波斜探頭在被檢測(cè)區(qū)域?qū)ΨQ(chēng)放置，接收信號(hào)的探頭同時(shí)接收反身波和衍射波，當(dāng)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)部有缺陷時(shí)，反射波和衍射波會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量反射波發(fā)生變化時(shí)衍射波在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)傳播時(shí)間，利用三角關(guān)系方程式計(jì)算，確定檢測(cè)區(qū)域內(nèi)部缺陷的位置和尺寸。

2超聲波質(zhì)量檢測(cè)影響因素

超聲波檢測(cè)精確度的影響因素眾多，從主、客觀兩方面分析：①主觀方面主要是人的影響因素，如現(xiàn)場(chǎng)超聲波檢測(cè)人員的熟練程度、檢測(cè)人員的培訓(xùn)教育情況及專(zhuān)業(yè)技術(shù)水平等；②客觀影響因素主要是設(shè)備、耦合劑選擇、方法、環(huán)境等。2.1設(shè)備影響因素設(shè)備的影響因素主要是掃查速度及探頭選定的頻率。2.1.1掃查速度所謂掃查，即在進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，探頭與被檢測(cè)工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于混凝土檢測(cè)而言，掃查應(yīng)滿足兩個(gè)條件：①掃查過(guò)程中聲束入射方向始終與混凝土面保持垂直；②保證混凝土檢測(cè)區(qū)域有足夠的聲束覆蓋，以避免漏檢。聲束入射方向保持垂直是為了保證被測(cè)混凝土內(nèi)部缺陷大小正確的判定，而保證混凝土檢測(cè)區(qū)域足夠的聲束覆蓋、不漏檢，要求在檢測(cè)探頭的有效輻射面積內(nèi)必須有脈沖重復(fù)頻率，即檢測(cè)探頭在檢測(cè)面的掃查速度或移動(dòng)速度不能過(guò)快。如果設(shè)待檢測(cè)物體厚度為H，超聲波在檢測(cè)物體內(nèi)的傳播速度為C1，檢測(cè)探頭的掃查速度為V，檢測(cè)探頭的有效輻射直徑為ψ，超聲波在檢測(cè)物體內(nèi)的傳播時(shí)間T1=2H/C2，檢測(cè)探頭的掃查時(shí)間T2=ψ/V。要使掃查檢測(cè)物體內(nèi)部達(dá)到不漏檢，必須滿足T1≤T2。則檢測(cè)探頭的掃查速度V應(yīng)滿足V≤C2ψ/2H，即相同的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)探頭移動(dòng)距離應(yīng)遠(yuǎn)小于檢測(cè)探頭掃查的有效距離。2.1.2檢測(cè)探頭頻率的選擇理論上，超聲波能夠發(fā)現(xiàn)檢測(cè)物體區(qū)域內(nèi)部的最小缺陷為超聲波發(fā)射波長(zhǎng)的1/2，在能夠保證超聲波穿透檢測(cè)物體內(nèi)部的前提下，盡量先用頻率高，發(fā)射功率大的探頭。2.2耦合劑超聲波檢測(cè)時(shí)，由于被檢測(cè)表面不完全規(guī)則，檢測(cè)探頭與之不能良好的貼合，存在著或大或小的空隙，為了能夠消除空隙，使超聲波能夠順利被導(dǎo)入檢測(cè)物體內(nèi)部，必須使用一種能夠消除空隙的液體，這種液體就是耦合劑。能夠作為耦合劑使用的材料很多，常用的材料有甘油、水玻璃、合成機(jī)油、化學(xué)漿糊等。耦合劑的涂層厚度稱(chēng)為耦合層，耦合層的厚度越薄對(duì)檢測(cè)的影響越小，因此當(dāng)檢測(cè)物體的表面過(guò)于粗燥或涂刷耦合劑過(guò)厚時(shí)，應(yīng)對(duì)檢測(cè)物體的表面拋光處理后再涂刷耦合劑進(jìn)行檢測(cè)。2.3環(huán)境環(huán)境的影響因素主要是溫度、濕度及被測(cè)工件所處的地理位置的影響。如在過(guò)高、過(guò)低的濕度及溫度的環(huán)境或高氯環(huán)境下，檢測(cè)結(jié)果有微小差異。特別是易被環(huán)境影響而產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)或物理變化的檢測(cè)工件，檢測(cè)環(huán)境更為嚴(yán)格。

3超聲波檢測(cè)應(yīng)用

3.1超聲波用于鋼焊縫質(zhì)量檢測(cè)在鋼焊縫質(zhì)量檢測(cè)過(guò)程中，通常使用的方法是超聲波法和X射線法，由于在工程施工過(guò)程中鋼焊縫的數(shù)量一般較大，而且需要檢測(cè)分析的長(zhǎng)度也非常長(zhǎng)，檢測(cè)工件所處的環(huán)境也較為復(fù)雜。因此用超聲波方法對(duì)于鋼焊縫的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，就會(huì)凸顯出檢測(cè)過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)：如設(shè)備尺寸小、操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)過(guò)程中無(wú)輻射外泄隱患等。鋼焊縫質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，由于金屬的晶粒尺寸較小，鋼焊縫所受的影響較大，為探測(cè)存在的缺陷。通常通過(guò)超聲脈沖波變化情況來(lái)進(jìn)行比較。當(dāng)檢測(cè)焊縫質(zhì)量良好時(shí)，檢測(cè)超聲波可順利傳播到達(dá)檢測(cè)物體底面，超聲波檢測(cè)儀器中只有表示發(fā)射脈沖及底面回波兩個(gè)信號(hào)，如果被檢測(cè)焊縫中存在缺陷，在超聲波檢測(cè)儀器中底面回波前會(huì)有缺陷回波信號(hào)。由此可以判定存在缺陷。3.2混凝土強(qiáng)度檢測(cè)混凝土是水泥、石子、砂、外加劑摻合料組成由多相復(fù)合材料，其組成成份復(fù)雜。一般的混凝土強(qiáng)度檢測(cè)是預(yù)留混凝土試塊、現(xiàn)場(chǎng)取蕊樣等方法。如果預(yù)留的混凝土試塊質(zhì)量存疑，現(xiàn)場(chǎng)又不允許取芯樣，需要運(yùn)用超聲波等無(wú)損檢測(cè)手段。混凝土本身不是一種均質(zhì)材料，相同標(biāo)號(hào)的混凝土由于組成材料變化，超聲波在混凝土內(nèi)傳播速度也不同，并且在混凝土內(nèi)部存在著石子—水泥、水泥—砂等各種界面，超聲波遇到這些界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射、衍射等多種傳播方式。因此簡(jiǎn)單的將混凝土與超聲波之間建立直線性數(shù)學(xué)關(guān)系模型是困難的，需要將混凝土看作均質(zhì)的彈塑性材料。建立起混凝土強(qiáng)度與超聲波聲速的關(guān)系曲線和經(jīng)驗(yàn)公式，作為超聲波檢測(cè)混凝土強(qiáng)度的依據(jù)。縱波的傳播速度公式為vp=姨E（1-V）/d（1+V）（1-2V），可以看出超聲波速度和固體介質(zhì)的材料性質(zhì)、密實(shí)度、彈性模量及泊松比有關(guān)。超聲波在不同介質(zhì)中有著不同的傳播速度，根據(jù)聲時(shí)值T，距離L，由公式V=L/T可先計(jì)算出聲速值。再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式fcuc=AVB和fcuc=Aebv（A，B為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)）兩種非線性的數(shù)學(xué)公式，計(jì)算出混凝土強(qiáng)度。由于混凝土組成材料的復(fù)雜性，利用超聲波檢測(cè)混凝土強(qiáng)度存在著一定誤差，不同的混凝土原材料使超聲聲速值各有差異，即使同樣的原材料，也因混凝土配合比不同，產(chǎn)生不同的速度值。水泥的硅酸三鈣含量越高，細(xì)度越大，礦物細(xì)摻料的細(xì)度越大，相應(yīng)的超聲的傳播速度也會(huì)越高，反映出的混凝土強(qiáng)度就會(huì)增大、相反混凝土強(qiáng)度顯示值就會(huì)降低。如果混凝土中粗骨料偏多超聲波的傳播速度就要比粗骨料偏少的快，顯示出的強(qiáng)度就要高。因此超聲波檢測(cè)混凝土強(qiáng)度應(yīng)采用多參數(shù)法綜合提高測(cè)試精度，如混凝土成熟度—超聲聲速、聲速—衰減系數(shù)、聲速—振幅、聲速—含水率、聲速—混凝土齡期等。3.3混凝土裂縫檢測(cè)3.3.1混凝土裂縫的分類(lèi)混凝土由水泥、石子、砂、摻合料、外加劑等組成的復(fù)合材料。由于混凝土本身的特性及使用條件的不同，產(chǎn)生的裂縫原因也不盡相同：有混凝土養(yǎng)護(hù)條件不善、內(nèi)部水水泥水化熱過(guò)快，造成內(nèi)外溫差過(guò)大，在混凝土內(nèi)部形成拉應(yīng)力集中區(qū)，超過(guò)混凝土本身的耐受拉力而產(chǎn)生的貫穿裂縫；有混凝土拌制過(guò)程中質(zhì)量控制不佳，造成水膠比過(guò)大或水泥用量過(guò)多，混凝土凝固過(guò)程當(dāng)中表面收縮引起的表面裂縫；有混凝土成型后受力條件改變，如基礎(chǔ)持力層條件改變、混凝土受力載荷變化超出混凝土本身所受拉應(yīng)力的極限而發(fā)生的結(jié)構(gòu)裂縫。3.3.2混凝土裂縫檢測(cè)混凝土裂縫檢測(cè)時(shí)，常采用透射法或平行反射法，具體選用哪種方法跟裂縫的位置、混凝土結(jié)構(gòu)型式有直接關(guān)系。3.3.2.1透射法適用于發(fā)生裂縫的面積較小，混凝土結(jié)構(gòu)尺寸規(guī)距、厚度不大的情況。運(yùn)用透射法檢測(cè)時(shí)，發(fā)射探頭與接收探頭分別在裂縫的兩側(cè)移動(dòng)，當(dāng)探頭與裂縫沒(méi)有相交時(shí)，檢測(cè)超聲波不會(huì)發(fā)生明顯變化，當(dāng)探頭與裂縫相交時(shí)，檢測(cè)超聲波會(huì)在裂縫處發(fā)生衍射，從而使接收探頭的接收時(shí)間和接收強(qiáng)度發(fā)生變化，根據(jù)時(shí)間和強(qiáng)度的變化確定裂縫的位置及深度。3.3.2.2平行反射法當(dāng)混凝土的裂縫面積較大或結(jié)構(gòu)尺寸復(fù)雜，不宜采用透射法檢測(cè)時(shí)，可采用平行反射法。運(yùn)用平行反射法檢測(cè)時(shí)，應(yīng)先檢測(cè)裂縫周邊混凝土的聲波速度，由于混凝土是一種復(fù)雜的混合材料，聲波速度受原材、配合比、齡期的影響因素較大，應(yīng)在裂縫周邊進(jìn)行多次的聲波速度檢測(cè)，取平均值。然后使用一對(duì)探頭在裂縫的兩側(cè)平行移動(dòng)。移動(dòng)時(shí)探頭之間的距離應(yīng)與裂縫的估測(cè)深度相近。如果探頭之間的距離過(guò)遠(yuǎn)檢測(cè)出的數(shù)據(jù)較實(shí)際的裂縫深度要小。

4結(jié)語(yǔ)

（1）超聲波法檢測(cè)，能對(duì)相對(duì)干燥環(huán)境下的鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。不但方便，而且還經(jīng)濟(jì)、可靠性高。（2）超聲波法不僅可對(duì)混凝土和鋼結(jié)構(gòu)的缺陷進(jìn)行精確檢測(cè)，還可對(duì)混凝土的強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，可做為工程質(zhì)量驗(yàn)收時(shí)的參考依據(jù)。（3）隨著超聲波檢測(cè)設(shè)備制造水平的提高和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，超聲波法檢測(cè)還在不斷完善，會(huì)在日后的水利工程質(zhì)量檢測(cè)當(dāng)中，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。

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作者:胡春濤 單位:河北省水利工程局