超声阵列法检测预应力波纹管压浆密实度试验研究

廖辉红

【摘要】基于超声波无损检测的优势，进行了超声波阵列法检测预应力波纹管压浆密实度的研究。以试验模型为基础，研究了超声阵列检测的换能器分布形式、超声换能器数量及波纹管材质对超声阵列检测结果的影响。结果显示超声阵列检测方法能够对预应力波纹管压浆不密实区域进行定性和定量的判断。超声阵列检测金属波纹管效果较塑料波纹管好，检测换能器分布形式对检测结果影响较小，换能器数量越多，检测效果越好，换能器间距减少，检测图像越清晰。

【关键词】超声阵列；压浆密实度；换能器

1.引言

超声波检测混凝土结构缺陷是目前比较有效的无损检测方法。但是超声波检测方法也具有一定的局限性，当测试孔道压浆饱满程度时，由于混凝土结构组分的复杂性，也无法实现孔道缺陷的定量分析。大量的学者对超声波检测预应力管道压浆质量进行了研究，提出了多种检查方法和理论。朱自强、密士文等以超声回波法为基础研究了T梁的压浆质量超声检测，进行了超声阵列检测试验研究，集合了多条超声波，因而超声波灵敏度和能量衰减均得到改善。

本文也以超声阵列方法为基础，进行了超声阵列法的预应力波纹管压浆密实度试验研究，研究了超声阵列法的分布形式、超声阵列换能器数量及波纹管材质对超声阵列检测结果的影响。以期更好的对波纹管压浆密实度进行定性和定量判断。

2.超声阵列检测原理和步骤

2.1超声阵列检测原理

超声波检测压浆密实度时，能量衰减较大。如何提取超声波能量衰减的弱信号成为当前研究的主题。超声阵列法正好解决了这个问题，该技术的核心思想是通过设置不同的延时时间，使波束的能量同时聚焦在指定位置来增强超声波的能量。基本原理如图1所示。

超声阵列法中各个换能器的延时时间设置是超声阵列法是否成功的关键点。目的是使多个换能器同时聚焦增强超声波能量。一般的计算超声延时以离聚焦点最远的换能器为初始激发点，离聚焦点最近的换能器为末端激发点，依次延时激发，因而各个换能器的激发时间为：

2.2超声阵列法检测的基本步骤

超声阵列法是通过多个换能器不同方位达到聚焦的实现缺陷定性和定量分析的目的。因而超声阵列法检测步骤可以分为2个部分：（1）缺陷位置大致确定；（2）缺陷位置具体确定。流程如下：

3.超声阵列法室内模型试验研究

本文采用的波纹管模型为预制缺陷灌浆混凝土试件。混凝土构件长60cm，厚16cm。试件中布置2个波纹管管道，波纹管直径均为85mm，采用金属波纹管和塑料波纹管，比较超声阵列法进行测试。

空洞率最左侧是100%，模拟空管情况；最右侧为0%，模拟灌浆密实情况；中间有9个递减尺寸泡沫，模拟缺陷的大小。

4.超声阵列检测及结果分析

（1）模型试件整体波速确定

超声阵列法换能器聚焦时需要对换能器延时时间进行设置，故而需要确定模型试件的整体波速。通过一组发射和接收换能器不同位置探测，取平均值为4231m/s。

（2）波纹管缺陷位置的确定

波纹管浆液缺陷为预制缺陷，故而通过超声阵列检测进行验证检验。取塑料波纹管空洞率为50%段和空洞为0段进行波纹管缺陷位置确定。在目标段上布置15个换能器同時发射超声波，换能器延长时间为0。两种空洞率下的不同时间的波场图如下：

图5可知，当存在波纹管空洞时，波场展现出一定强反射区域，通过波速和反射时间可以求得空洞缺陷波纹管大致位置，即78.3mm。与预制空洞的位置深度符合。故而该方法可以用来确定波纹管内空洞位置。

（3）超声阵列精确探测

求得了波纹管内空洞大致位置后，就可以将阵列超声波聚焦检测波纹管缺陷位置。即使多组超声波同时达到指定区域。以表1中检测3为基本对象，求得各个换能器延迟时间，根据延迟时间依次激发换能器，进行波纹管空洞定量检测。模型不同方位检测结果集合如下：

图5（a）中能量最大的区域为钢绞线区域，由于超声波能量达到钢绞线时发生了强反射造成。在钢绞线左侧，出现了能量异常的区域，由于存在的空洞引起，该区域与预制的空洞区域较为一致。图5（b）中强反射区域为钢绞线所在位置，强反射区域较集中，没有显示空洞区域。可见，超声阵列检测波纹管空洞能够较好的实现空洞位置的定性和定量分析。

（4）超声阵列法的不同检测工况分析

以波纹管缺陷空洞率为50%的缺陷位置为检测对象，按照表1工况形式进行对比检测，具体的检测结果如表2所示。

由表2可知，不同材质的波纹管影响了空洞区域反射强度，超声波穿透金属波纹管能力较塑料波纹管强，检测空洞区域面积大。塑料波纹管中，超声波穿射区域受换能器数量、换能器间距影响，换能器数量越多，超声波聚焦能力越强，检测区域就越大，换能器间距越大削弱了超声波聚焦的能力，减少了检测的区域。换能器分布形式对检测结果影响不大。

表2中的检测均未完全检测出空洞面积，表明单一布置检测不能有效的检测所有的空洞区域，超声阵列法需要从多个方位进行检测，集中检测的结果方能得到完整的缺陷图像。

5.结论

根据本文的试验和分析结果可以得到以下结论：

（1）超声阵列法通过设置延时时间后，能够使多个换能器在指定区域进行聚焦，从而做到了定量和定性分析不同材质的波纹管内缺陷。

（2）超声阵列法使用的换能器数量越多，超声波聚焦能力越强，检测区域越大。换能器间距越大，检测能力越弱。单一的改变换能器分布形式对检测结果影响不大。

（3）单一分布形式的超声阵列检测不能检测出所有的波纹管内缺陷，需要多方位的进行超声阵列的检测，才能检测出所有缺陷区域。

参考文献

[1]杨忠，梁俊辉，张升彪.超声成像法在桥梁预应力管道注浆质量检测中的应用[J].公路工程，2012， 37（5）： 168-171.

[2]黄建新.冲击回波法在混凝土结构无损检测中的应用[D].南京：河海大学， 2006.

[3]杨天春，易伟建，鲁光银等.预应力T梁束孔管道压浆质量的无损检测试验研究[J].振动工程学报， 2006， 19（3）： 411-415.

[4]密士文，朱自强，彭凌星等.T梁预应力管道压浆密实度超声检测试验研究[J].中南大学学报（自然科学版）， 2013， 44（6）： 2378-2384.