超声波检测技术在水利工程质量检测中的应用

薛翔骏

(辽宁省桓仁世元工程质量检测有限公司，辽宁 本溪 117200)

1 检测原理及方法

超声波法是综合应用智能化计算机、远程探测等技术的检测方法，该方法确保了被检测物体的原有状态打破了传统技术破坏性检测的局限性和约束。同时，可以实现网络通讯、数字信息、精准探测等智能化技术的有效融合，在工程领域中具有广泛的应用前景。超声波投射接受或发生反射的声波讯号在被检测材料密度发生改变或被存在杂质、空洞等质量缺陷处发生变化，根据讯号变化特征描述物体内部的质量状况，该过程为超声波检测的基本原理和流程[1-4]。按照传播时间、接受方式及发射的不同，将超声波检测技术分为共振法、脉冲透射法、脉冲反射法及衍射时差法，各方法的检测流程如下：

1.1 脉冲反射法

超声波反射的重要条件为两种介质的密度存在差异，超声探头产生的脉冲波进入两种同材质或密度界面时发生反射。脉冲反射法的接受与发射装置通常选用同一探头，而压电陶瓷转换器为实际工况较为常用的设备。

1.2 脉冲透射法

脉冲透射法与X射线工作原理大致相同，通过在两侧放置2个探头作为被检测物体的发射端与接收端，匀速缓慢移动探头观察接收端的变化状况，从而反映被检测对象的密度变化和质量状况。

1.3 共振法

通过改变超声波特性反映物体内部缺陷的方法即为共振法，当半波长与被检测物体厚度之间出现整数倍关系时就会出现共振，对共振频率利用仪器输出显示。若被检测物体厚度发生改变则共振频率也会出现相应的变化，根据该频率变化特征可获取被检测物体的内部缺陷、厚度变化等质量状况[5]。

1.4 衍射时差法

超声波的特性为共振法和衍射时差法检测的基本依据，两者的主要差异为衍射时差法将一对或多对纵坡斜探头对称安放于被检测区域，衍射波、接受信号及反射波可以被探头接受，反射信号在被检测物体内部存在质量缺陷时发生改变，根据反射波发生变化的传播时间和三角关系方程式，可以合理判定存在质量缺陷的大小和位置，其工作流程如图1。

图1 衍射时差法工作原理

2 超声波质量检测影响因素

从主观与客观的角度，环境、方法、设备、耦合剂和人为等因素均可对超声波法检测精度产生影响，具体包括检测环境、设备状况、耦合剂选择、检测人员技术水平及其培训教育情况等。

2.1 设备因素

结合水利工程质量检测要求和工程实践经验，选择探头的频率和扫差速度作为仪器性能主要影响因素[6]。

2.1.1 扫查速度

较被检测物体而言，超声波扫查速度与探头的移动保持同步，混凝土质量超声波检测应注意以下问题：①超声波束入射方向与被检测表面保持垂直；②为避免出现漏检的情况，检测区域应确保声束具有足够的覆盖面积。

实现混凝土检测区不漏检、超声波束全覆盖及内部缺陷大小准确判断的重要条件为：检测探头覆盖范围内有效匹配脉冲重复频率、确保入射声束的始终垂直、探头移动速度或扫描速度不能过快。

设C1、H为被检测物体中超声波的传播速度与待监测物体的厚度，探头覆盖区的辐射直径和扫查移动速度为ψ、V，则检测物体中超声波的传播时间T1和探头的扫查时间T2计算式为：T1=2H/C2、T2=ψ/V。为了确保检测区的全覆盖，扫描和传播时间应满足关系式T1≤T2。

根据以上方法，扫查速度V应符合关系式为V≤C2ψ/2H，则一定时间内超声波探头扫查的有效距离应明显大于探头的移动距离。

2.1.2 检测探头频率的选择

从原理的角度，发射波长的1/2为所能检测到的物体内部的缺陷最小尺寸，因此在满足待检测物体被超声波频率穿透的情况下应尽可能的选用大功率、高频率的发射探头。

2.2 耦合剂因素

实际工程中被检测物体通常为不完全规则的表面，从而使得超声波检测作业时探头与接触面之间未能紧密贴合而存在一定的空隙。为了能够消除空隙影响及确保被检测物体顺利贯入超声波，通常选用一种液体耦合剂来消除空隙。当前，合成机油、化学浆糊、甘油和水玻璃等为最为常见的耦合剂。

在被检测物体表面涂抹一层耦合剂形成耦合层，超声波检测受影响程度和耦合层的厚度直接相关，厚度越小其影响程度越低。所以，针对耦合剂涂刷过厚或被检测表面过于粗糙的情况，为改善检测环境及减少涂抹层厚度应预先抛光整平待测物体表面[7]。

2.3 环境因素

混凝土检测受被测物体的地理位置、空气中的湿度及外界温度等因素影响，如检测结果在高氯、温度及湿度过低或过高的情况下均可发生较大的差异，尤其是受环境影响较为显著的物理变化或化学反应的检测构件，对检测环境的要求更高。

3 超声波检测应用

3.1 钢焊缝质量检测

目前，最为常用的水利工程钢焊缝质量检测方法有X射线法和超声波法，工程建设过程中钢焊缝数量较多且检测环境条件比较复杂，所以通常需要较长时间完成检测分析。钢焊缝质量状况采用超声波法检测时具有一定的优势，如工艺操作简单、检测无辐射外泄隐患及适用于较小尺寸等[8]。

钢焊缝质量检测的受影响程度随着金属晶粒尺寸的减少而增大，通常采用超声波脉冲变化情况探测钢焊缝存在的缺陷。发射脉冲波和地面回波为超声波检测仪器能够显示的两种信号，超声波在钢焊缝质量良好的情况下能够顺利到达物体底面，所以可根据地面回波前接受到的缺陷回波信号确定被检测裂缝中的缺陷情况，从而实现质量缺陷的准确判断[9]。

3.2 混凝土强度检测

一般情况下，预留混凝土试块和现场取芯样法为最常见的强度检测方式，针对不允许现场取芯样且对预留试块质量存在质疑的情况，比较适宜的检测方法为超声波法。混凝土质量稳定性差且原材料组分多样，即使同标号混凝土其组成材料的变化也会引起超声波传播速度的改变，另外混凝土内部存在水泥与砂、水泥与石子等多种截面，在穿透以上不同界面时超声波将产生衍射、反射等。因此，要在超声波变化与混凝土之间建立简单的线性数学模型存在较大难度，通常将混凝土假定为弹塑性均质材料。

由于混凝土的组成材料比较复杂且类型多样，从而使得超声波获取的检测结果往往存在一定的偏差，超声传递速度与原材料质量状况直接相关，即使在原材料相同的情况下，超声速度也会因混凝土配合比的不同而存在差异。硅酸三钙等矿物掺合料的含量越高则水泥细度越大，超声传播速度随着掺合料细度的增大而提高，由此检测显示的混凝土强度值偏高，这与混凝土实际情况相反；另外，较粗骨料含量较少的混凝土而言超声传播速度在粗骨料偏多时更快，检测出的强度值要偏高[10]。所以，为提高混凝土强度测试精度较为常用的方法为多参数综合法，例如混凝土龄期-声速、含水率-声速、振幅-声速、衰减系数-声速、超声声速-混凝土成熟等方法。

3.3 混凝土裂缝检测

3.3.1 裂缝分类

混凝土的组分材料比较复杂，一般由外加剂、砂、石及水泥等多种混合而成，由于混凝土使用环境及其自身特性的差异使得裂缝形成的原因不尽相同，最常见的裂缝形式有结构缝、贯穿缝和收缩缝等。水泥水化热过快导致温差过大、养护方式不当等使得内部产生应力集中，当集中应力超过抗拉极限时形成贯穿裂缝；混凝土拌制过程质量控制不合理、水泥用量过多或水胶比过大等因素，可能会在表面形成收缩裂缝；受力条件及基础持力层的改变，使得荷载应力超过混凝土极限抗拉应力而形成的结构裂缝等。

3.3.2 裂缝检测

平行反射法和透射法为混凝土裂缝检测的两种常见方法，实际工程中要充分考虑混凝土结构类型、裂缝特点等具体情况选择合适的方法。

1)透射法。实际使用过程中透射法一般适用于结构尺寸规则、面积相对较小的裂缝检测，运用透射法检测裂缝时应在裂缝两侧缓慢移动接受和发射探头，超声波在两者不相交时不发生显著变化；超声波在两者相交时灰在裂缝处形成衍射，从而使得接受探头的接受时间和强度发生改变，按照时间和强度变化程度可以获取裂缝的位置及深度[11]。

2)平行反射法。该方法一般适用于结构尺寸复杂、裂缝面积较大的构件，其中准确获取裂缝周边的声波速度为平行反射检验的重要前提。其中，混凝土龄期、配合比和原材料组成等因素均可对超声速度产生较大影响，因此一般要先获取周边声速值，沿裂缝两侧平行实现裂缝的检测。移动过程中要确保探头和裂缝的距离相近，对于距离较远的情况，检测结果明显小于裂缝实际深度。

4 结 论

文章结合无损检测工程实践经验和超声波法工作原理，提出了超声波法质量检测技术及检测过程中的控制方法。干燥环境下钢结构和混凝土结构的质量检测常用方法为超声波法，该方法原理清晰、操作简便且具有较较好的经济性和较高的可靠性。采用超声波法检测混凝土和钢结构缺陷，可为提升工程质量管理与控制水平提供强有力的保障。随着计算机技术的快速发展及超声检测设备的不断更新，质量检测中超声波法将得到不断的完善和发展，在道路、桥梁、地质等领域中的应用将更加广泛。