冲击回波法在水电站压力管道钢衬脱空检测中的应用研究

2017-12-01姚德兀舒联刚

水电站设计 2017年4期

关键词：钢衬水电站灌浆

姚德兀，舒联刚

(四川中水成勘院工程物探检测有限公司，四川成都 610072)

冲击回波法在水电站压力管道钢衬脱空检测中的应用研究

姚德兀，舒联刚

(四川中水成勘院工程物探检测有限公司，四川成都 610072)

本文介绍了冲击回波法基本概念、工程运用的领域范围、冲击回波在水电站钢衬脱空检测中的原理及方法，重点对灌浆前后及灌后脱空与密实分别进行对比研究，并归纳、总结各种方法的相互关系及各种应用参数。运用该方法分析了国内外各典型工程实例，并证实取得了较好的研究效果。

冲击回波法；钢衬；振幅能量；频率；波形振荡时间；脱空；比值差

0 前言

冲击回波法(Impact-Echo method,简称IE法)是20世纪80年代中期发展起来的一种声波检测技术。它是基于弹性波和物体内部结构相互作用产生共振,由共振频率来计算混凝土结构厚度、缺陷位置和表面开口裂纹深度的无损检测方法，主要应用于混凝土裂缝检测，在国内最早具代表性的为南京水科院研究的IES-A型冲击回波检测设备。近年来由美国Olson公司经过多年研究，在一般的单点冲击回波测试系统的基础上，研制出一种可以连续进行冲击回波测试的装置，即：扫描式冲击回波系统(IES系统)。主要应用于公路、桥梁混凝土质量缺陷冲击回波检测，该检测仪器一般应用于混凝土结构面厚度相对较小，所需冲击回波激发振源能量较小。冲击回波法缺陷检测在公路、桥梁混凝土检测运用相对较为成熟，而对于水电站工程建设项目使用较少。主要因水电站工程项目混凝土结构面一般较大，所需激发振源能量不够，冲击回波检测仪激发源不能满足要求。

本文在以往的研究基础上，主要针对冲击回波在钢衬脱空检测中运用能量域、频率域及波长振荡时长三种分析方法进一步深入研究。通过对比分析灌浆前全脱空与灌浆后全密实及灌浆后脱空段与密实段交织时相互的差异，进而通过差值比来半定量分析钢衬脱空与密实之间的差异关系，为判断钢衬是否脱空提供重要依据。

1 原理及方法

1.1 能量域法

在检测的过程中，信号激发采用具有固定能量的激发源，信号拾取一般采用速度传感器或加速度传感器。

由于钢衬较薄(一般钢衬厚度为20～60 mm)，钢衬与混凝土界面的反射应力波(冲击回波)旅行时间仅为10～20 μs，而冲击应力波信号的主频一般为2～10 kHz，信号周期为500～100 μs。在垂直反射的情况下，直达波与反射波信号的相位差仅为10 μs左右，为应力波主信号周期的1/50～1/10,回波旅行时间在时域曲线上是难以有效识别,因此不能直接按冲击回波时域计算公式(1)和频域计算公式(2)来判断或计算结构厚度或缺陷深度，而必须采用独立的钢衬混凝土检测原理。

钢衬混凝土检测的基本原理为：钢衬表面在冲击作用下产生多次谐波信号，对于单一频率的平面谐波，钢衬表面激振点附近的质点振动速度为：

(1)

式中v——质点振动速度；

V0——质点振动峰值；

ω——角频率。

单一频率谐波的波动动能为：

(2)

单一频率谐波信号在T时间内的波动总动能为：

(3)

在钢衬表面激发应力波，一部分应力波沿钢衬表面扩散传播，另一部分能量穿透钢衬向混凝土传播，在钢衬与混凝土界面，或钢衬与空气(或水)界面，应力波将产生不同程度的反射，反射波叠加在直达波之上，使质点的波动能量有所改变。假定接收点的直达波能量为E1，反射波能量为E2，则该点的波动总能量为：

E=E1+E2

(4)

在同样的激发能量与激发条件下，距激发点相同距离的各接收点的直达波能量基本一致，从(4)式可知，接收点波动总能量的差异反映了反射能量的差异，而应力波反射能量的大小主要与钢衬的结构及是否存在脱空等缺陷有关，因此可以通过检测钢衬的冲击回波波动能量来判定钢衬的脱空缺陷情况。

1.2 频率域法

由激发振源在一定频率范围内激发的冲击回波，在传播的过程中，因介质的密度物性发生改变，其频率也将随之发生改变。一般情况下，传播介质的波阻抗越大，波的高频率部分越容易衰减，低频部分被保留。

因此，波动的振幅随着波阵面离开面源距离的扩散衰减、振幅变化规律为：

(5)

式中A——波阵面波的振幅；

A0——面源的振幅；

r——波阵面的半径；

r0——面源的半径；

f0——波的频率；

ξ——与面源状态有关的系数；

a——介质的吸收系数。

根据(5)式，经推导可以得出[28]：

(6)

由(6)式可知，在钢衬厚度、弧度大小一定，激发振源频率及能量一定，波形振幅基本一致，然而波的频率f0与介质吸收系数a成反比，即通常所说的波阻抗与频率成反比。

当由激发振源激发一定频率范围的冲击回波沿钢衬传播，如果钢衬与混凝土结合密实时，其吸收系数a较小(即波阻抗较小)，则频率值较大，即高频部分信号丢失相对较小；反之，若钢衬与混凝土存在一定的脱空时，其吸收系数a较大(即波阻抗较大)，则频率值较小，即高频率部分信号丢失较大。

因此，在数据分析过程中，通过计算主频信号的频率范围，标定脱空与密实情况下主频的差异，即可作为判断钢衬是否脱空的依据。

1.3 波形振荡时长法

波在物质中传播时，认为其能量值的衰减随着传播的距离变化而变化，一般情况传播距离越远，其衰减越严重，该现象称为波的能量衰减。不同的物性有不同的传播条件及各种波形有着不同的衰减规律。

一般情况下，以实测结果情况来评价其衰减程度。波的传播过程，其能量的衰减有几种形式。

(1)散射衰减。平面波在介质传播过程中，若平面波在传播方向上遇到障碍物，如果障碍物的尺寸大于传播波的波长，就将产生反射与折射现象；如果障碍物的尺寸与波的波长可比时，将发生显著的绕射的现象；如果障碍物的尺寸小于波长，波将绕过障碍物而继续传播，同时也有一部分能量被这些障碍物所散射掉。

(2)吸收衰减。因介质存在非完全弹性和不均匀性两种状况，波在传播过程中会出现波的吸收现象，此时，介质的振动粒子之间将产生摩擦，波的一部分能量转换成热能，使得波携带的能量减少，这种现象称为吸收衰减。这样就比较容易理解在频率较高时，能量的吸收衰减比较大的原因，即形成高频部分往往容易吸收，低频部分则保留下来。

(3)波的扩散衰减(几何衰减)。因不同振源在介质中的波形存在着多样性，它的传播状态也各不相同。就有限面积的振源来分析，波的能量扩散，随着传播距离变化，扩散程度也将会变化，一般而言距离增大，其扩散程度也将会加大。因此，能量单位面积上随着传播距离的增加而减小，这种随着波阵面的扩散而引起的波的能量的减小，称为扩散衰减，也可称为几何衰减。

2 对比研究分析

运用能量域、频率域及波形振荡时长三种分析方法，对以往典型工程测线进行研究，主要针对灌浆前全脱空与灌浆后全密实对比分析及灌浆后测线上脱空与密实段对比分析。本次试验过程中，主机采用重庆奔腾数控技术研究所生产的WSD-1A型数字声波仪，换能器采用扬州电子设备仪器厂生产的SY2型加速度传感器。

2.1 灌前全脱空与灌后全密实对比分析

在灌前、灌后对比分析中，钢板脱空与密实接触范围均较大，该分析方法运用物理条件相对简单。将钢衬灌浆前全脱空、灌浆后全密实同一测试位置均使用同样的仪器设备装置、参数及相同的处理方法，分别绘制出波形与频率、能量对应变化曲线。测线灌前、灌后能量、波形振荡时间及频率曲线对比关系见图1～2。

通过对灌前完全脱空状况下，能量、波形振荡时间及频率对比分析可见，三者曲线起伏趋势一致性较好，除个别焊接处外，频率值变化较大。在完全脱空情况下，频率域与能量域及时长两者相关性成反比，而能量域与时长相关性成正比，总体三者相关性都较好。

图1 灌前能量、波形振荡时间及频率曲线对比关系

图2 灌后能量、波形振荡时间及频率曲线对比

通过对灌后试验，能量、波形振荡时间及频率对比分析可见，波形振荡衰减时间曲线与能量域曲线起伏一致，与频率域曲线恰好相反，而三者变化关联性较好。即：波形振荡时间越长其能量值越大，而其频率值则越低。反之，能量值越小的点，振荡时长越小，而频率值则越高。

通过对7个不同工程，合计21条测线的灌前、灌后统计分析，得出钢衬完全脱空与灌浆后全密实各参数平均值范围。各值详见表1。

根据表1对比可知，在能量域与时长分析中，灌前、灌后两者差异较为明显，而在频率域，灌前、灌后频率值有一定的差异，但其平均值具有一定的重叠部分。

研究认为，冲击回波在传播过程中，若钢板全脱空或全密实情况下，其频率值均高于灌完浆后半脱空状态。鉴于此分析认为，混凝土与钢板半脱空状态更易于高频部分的吸收。其原因结合频率衰减理论分析，钢板全脱空时谐波未能通过空气及时衰减，而是随钢板谐振多次被传感器接收。当处于半脱空状况时，波形经钢衬在脱空带四周向混凝土传播，而脱空四周通常都是波阻抗最大，易造成频率丢失。因此，在低频部分信号突然出现可作为钢衬是否脱空判断依据。

2.2 灌后密实段与脱空段对比分析

通过收集4个水电站工程钢衬脱空检测相关资料，其检测使用设备一致，其他参数设置基本相同。根据12条不同典型测线，从能量域、频率域及波形振荡衰减时长分类统计分析其脱空段与密实段之间的差异性(脱空段根据现场敲击或开孔证实)。统计对比成果见表2。

表1 冲击回波钢衬脱空研究灌浆前、灌浆后时频分析频率统计值

表2 冲击回波钢衬脱空研究能量域、频率域及时长关系统计

据上表，通过统计4个工程合计586个有效点，其密实段能量域值为5.2，脱空段为18.8，平均值为9.6，密实与脱空段差值比为261.5%。

频率域分析利用Garbor变换变化，计算其主频。通过统计4个工程合计581个有效点，其密实段主频值为3 591 Hz，脱空段为2 318 Hz，平均值为3 191 Hz，密实与脱空段差值比为54.9%。

波形振荡衰减时长分析，通过统计3个工程合计368个有效点，其密实段波形振荡时长值为1.6 ms，脱空段为5.6 ms，平均值为2.0 ms，密实与脱空段差值比为255.0%。

3 工程实例

运用能量域法、频率域法及波形振荡时长法分别对金沙江、雅砻江、国外大型及特大型水电站钢衬脱空检测资料进行分析，对比研究典型测线各种方法相互关系及脱空与密实的差异比。

3.1 金沙江某水电站

该水电站压力管道钢衬直径为10 m，钢板厚度为3 cm。整个压力管道钢衬由每个钢衬环组成，钢衬环长2.0 m。每个环中间有一个加强圈，圈厚3 cm，宽3 cm。选取典型曲线进行分析，各道对应的频率、能量值见表3，对应频率、能量曲线变化见图3。

表3 金沙江某水电站钢衬脱空冲击回波检测试验成果

图3 金沙江某水电站钢衬脱空冲击回波检测试验频率、能量曲线

通过该水电站测线主频与能量曲线分析，在0.2～6.0 m段，频率值均表现较小，而能量值表现较大，曲线均相交重叠。通过现场验证及敲击，该段多处点脱空，脱空长度在10.0～80.0 cm不等。在6.0～12.0 m段，频率值均表现较大，而能量值表现较小，据现场证实该处密实。

3.2 国外某水电站

该水电站压力管道钢衬直径为6～8 m不等，钢板厚度为2.5 cm。整个压力管道钢衬由每个钢衬环组成，钢衬环长1.5～2.0 m。每个环中间有一个加强圈，圈厚2 cm，宽2.5 cm。选取典型曲线进行分析，各道对应的频率、能量值见表4，对应频率、能量曲线变化见图4。

表4 国外某水电站钢衬脱空冲击回波检测试验成果

图4 国外某水电站钢衬脱空冲击回波检测试验频率、能量、振荡时间曲线

通过该波形振荡时间、频率与能量曲线分析，在2.0 m、3.0 m、4.0 m、6.0 m、7.0 m等处，总体波形振荡时间相对较长，能量值表现较大，而频率值表现较小，曲线相交局部明显重叠，通过现场验证及敲击，该段多处点脱空，脱空长度在10.0～60.0 cm不等。在极少数脱空点，如3.0 m处，其频率与能量曲线明显反向。在绝大多数密实处，波形能量与频率及时间差异明显，能较好地判断是否密实或脱空。