基于微波反射法的输变电钢筋混凝土腐蚀检测

2022-04-26王旭杰王申华陈建斌蒋建红

浙江电力 2022年4期

王旭杰，王申华，陈建斌，蒋建红，黎鹏，吴田

（1.国网浙江省电力有限公司武义供电公司，浙江金华 321200；2.三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌 443002）

0 引言

随着我国电网的快速发展［1］，许多输变电工程不可避免地会经过盐渍土等强腐蚀地区，而输变电工程的基础多为钢筋混凝土结构，长期受到环境的腐蚀作用，会使钢筋的力学性能逐渐退化［2］，从而威胁电网安全，甚至诱发重大事故［3］，带来不可估量的经济损失。因此，提出有效的输变电钢筋混凝土结构腐蚀检测方法具有重要的实际意义。

现有的钢筋混凝土腐蚀检测技术和方法主要包括：CT（计算机断层扫描）检测技术、超声波法、半电池法和红外感应加热法。文献［4］试验发现，根据超声波波速损失率能灵敏反映钢筋腐蚀率；文献［5］利用半电池法对码头承台钢筋混凝土腐蚀情况进行检测，并实际取样验证了检测的准确性；文献［6］利用三维CT 检测技术实现了混凝土中钢筋腐蚀情况的精确检测；文献［7］利用不同腐蚀程度钢筋在红外感应加热情况下感应温度不同的特点，通过红外观测实现了钢筋混凝土腐蚀程度的区分。综合来看，超声波检测具有速度快、现场使用方便等优点，但存在漏检、误检和缺陷定性困难等问题，同时检测时需要耦合剂；半电池法虽然可对钢筋腐蚀程度进行评估，但检测时受水灰比、环境温度和相对湿度等影响较大［8］，且插入参比电极时会破坏钢筋混凝土结构；CT法和红外加热检测虽然可实现钢筋腐蚀的有效检测，但均存在检测仪器体积较大、操作复杂等问题。

微波无损技术始于20世纪60年代，作为一种新的检测技术日益受到国内外的重视［9］。目前，微波检测已在材料和电力等领域得到广泛应用。文献［9］利用6 mm 波长的微波在复合材料中成功检出2 mm 空隙缺陷，证明了M.Rockwitz 理论公式适用于复合材料的无损检测；文献［10］利用微波辐射探测技术对绝缘子污秽进行检测，并与相应绝缘子盐密度和灰密度进行对比，验证了绝缘子污秽度微波带电检测的可行性；文献［11-13］基于微波透射法和反射法实现了绝缘子内部缺陷的检测。相比于其他无损检测方法，微波检测有其自身特点：微波在非金属材料中穿透能力强，无需表面接触，无需耦合剂，大大提高了检测的便捷性［14］。

虽然国内外关于微波无损检测方面已取得了较多成果，但将微波无损检测应用于钢筋混凝土结构的腐蚀检测却鲜有报道。本文提出了基于微波反射原理的输变电钢筋混凝土结构腐蚀检测方法，并通过仿真验证了该方法的有效性。本文方法可为输变电钢筋混凝土基础的腐蚀管理和状态评估提供指导，对提高输变电设备的运行可靠性具有重要的理论意义和工程实用价值。

1 基于微波反射理论的腐蚀检测原理

图1为钢筋发生腐蚀时，微波垂直入射钢筋混凝土的结构示意图，设2个分界面均为无限大的相互平行平面。图1 中，d为混凝土的厚度；k为传播方向；E为电场强度；H为磁场强度；下标i、r、t分别表示入射、反射和透射。

图1 微波垂直入射三层不同介质

微波从空气垂直入射时，分界面z=0 和z=d处均会发生反射和透射，因此，空气和混凝土中都存在沿+z和-z方向传播的入射波和反射波。假定腐蚀层为无限大体，则腐蚀层中只存在沿+z方向传播的透射波［15］。

假设波动均为沿x方向极化的线极化波，根据电磁场和电磁波理论可知［15］，界面2 的反射系数Γ2为：

式中：η2和η3为混凝土和腐蚀层的波阻抗，可以由介电常数ε和磁导率μ来计算：

设混凝土中的入射波和反射波电场的x分量分别为：

当分界面位于界面2时，作坐标变换，则在分界面1 上得到的入射波2 和反射波2 场强的复有效值为：

可见在z=0 时，得到分界面2 的反射系数不再是Γ2，而是：

已知分界面1 右侧的反射系数，可反推得到该端面的等效阻抗：

式（8）的意义为将混凝土和腐蚀层等效为一种新的介质，消去界面2，进而得到界面1的有效反射系数Γ1：

式中：η1为空气波阻抗。

由式（9）可知：反射系数与各层介质的介电常数、磁导率和混凝土的厚度等参数有关。当钢筋发生腐蚀缺陷时，改变了原有的等效介电常数，即改变了有效反射系数值Γ1，因此，可根据反射系数幅值的变化来实现钢筋混凝土结构腐蚀缺陷的检测。

2 数值仿真模型的建立

2.1 仿真模型

实际输变电基础结构复杂，为了验证本文所提方法的有效性，建立了未腐蚀和腐蚀的钢筋混凝土结构简化模型，分别如图2、图3 所示。其中，混凝土结构尺寸为：350 mm×150 mm×150 mm，钢筋位于正中央，长度和直径分别为350 mm和22 mm。图3中，腐蚀层设置于钢筋的中间位置，通过改变腐蚀层的深度和长度来分析微波对不同腐蚀程度钢筋混凝土结构的检测效果。当研究腐蚀长度对检测效果的影响时，腐蚀深度设置为3 mm，长度分别为20 mm、60 mm 和100 mm；而当研究腐蚀深度对检测效果的影响时，腐蚀长度固定为20 mm，深度分别设置为3 mm 和6 mm。波导位于钢筋所在正中间位置，其距混凝土模型表面的垂直距离（提离距离）可根据需要进行调整；利用波导探头发射和接收微波信号，通过比较信号幅值差异来获取钢筋腐蚀的相关信息。

图2 未腐蚀模型

图3 腐蚀模型

2.2 波导选择

微波检测精度受波导工作频率的影响［16］，在实际检测中，为满足灵敏度的要求，常用X（8.2～10.9 GHz）波段、Ku（10.9～18 GHz）波段和K（18～36 GHz）波段，甚至扩展到W（56～100 GHz）波段［17］，但是频率越高，微波能量衰减越大。文献［9］理论给出了检测波长和缺陷直径的关系：Ka≈1，其中K=2π/λ，λ为波长；a为缺陷直径。根据该公式，当钢筋腐蚀缺陷直径为20 mm 时，检测波长应为62.8 mm，即对应的微波检测频率为4.77 GHz。由国际电工委员会标准IEC 153-2-1974 可知：上述检测频率应采用R48 型波导，该波导工作频率范围为3.94～5.99 GHz。当存在更大的腐蚀缺陷（大于20 mm）时，R48 也能满足检测要求。

3 仿真结果及分析

3.1 波导放置方式的影响

由于R48 矩形波导的尺寸为50.8 mm×25.4 mm，当采用水平和竖直的放置方式时，将造成与钢筋的正对面积不同，从而影响腐蚀钢筋检测效果。因此，有必要对波导的放置方式开展研究。

利用波导对如图2所示模型进行扫频，固定提离距离为2 mm，得到不同放置方式下的回波损耗S11随频率的变化规律，如图4 所示。由图4 可知：波导水平和竖直放置下得到的曲线振荡特性基本一致，且整体随频率的增加呈衰减振荡，虽在5.58 GHz 附近波导水平放置条件下衰减峰值小于竖直放置，但波导竖直放置时的整体衰减程度明显更大。因此，确定后续仿真中，波导的放置方式为竖直放置。

图4 不同放置方式下的扫频结果

3.2 提离距离的影响

因采用非接触式检测，在波导探头和混凝土表面之间存在空气层，因此，检测时需保持波导探头与混凝土表面的距离不变。当提离距离太小时，会造成电磁波的多次折反射，影响检测效果；而当提离距离过大时，电磁波的能量会发生较大的衰减，从而影响检测结果的准确性［8］，且不同频率的微波存在不同程度的衰减，考虑其对检测效果可能造成的影响，有必要就提离距离的影响进行分析。

在钢筋中心位置设置腐蚀深度为3 mm和腐蚀长度为20 mm的缺陷，假设提离距离在1～20 mm均匀变化，设置20 组进行仿真对比分析。经仿真计算发现：当提离距离为1～7 mm 和13～20 mm时，腐蚀前后S11幅值的变化远小于8～12 mm，因此，此处仅分析提离距离为8～12 mm的结果。不同提离距离下腐蚀前后的S11幅值与频率的关系如图5所示。

图5 不同提离距离的S11幅值

由图5 可知，腐蚀前后S11曲线的形状基本一致，均存在多个谐振频率。对图5 中腐蚀前后S11幅值的最大值和最小值进行统计，具体如表1 所示。当提离距离在9～12 mm范围内时，腐蚀前后S11幅值的最大值与最小值几乎保持稳定，变化较小；而当提离距离为8 mm时，虽然腐蚀前后最大值同样变化较小，但最小值由原来的-42 dB 减小至-66.96 dB，差异明显。为直观获得不同提离距离下腐蚀前后S11幅值差ΔS11与频率的对应关系，将腐蚀前后的S11幅值作差，得到ΔS11的结果，如图6所示。

表1 S11幅值最大、最小值统计

图6 ΔS11随频率的变化

由图6可知，不同提离距离下ΔS11随频率的变化规律相似，在部分频率附近呈脉冲变化，幅值较大。特别当提离距离为8 mm时，在5.332 GHz附近ΔS11远大于其他频率，约为35.89 dB。说明当提离距离为8 mm时，对腐蚀缺陷的检测效果较好，因此，后续仿真中波导的提离距离确定为8 mm。

3.3 工作频率的影响

为了分析波导工作频率对检测效果的影响，对图3所示模型进行固定位置的扫频，设置钢筋腐蚀深度为3 mm，腐蚀长度分别为20 mm、60 mm和100 mm，得到如图7 所示S11随频率的变化情况。由图7可知，不同腐蚀长度下，S11存在2个主要的谐振频点，分别为5.295 GHz 和5.533 GHz，且在5.295 GHz附近时衰减程度最大。图8为腐蚀长度为20 mm、腐蚀深度为3 mm 和6 mm 的检测结果。由图8可知：当腐蚀长度相同、腐蚀深度不同时，同样在5.295 GHz附近存在明显的衰减；腐蚀深度为3 mm 和6 mm 时，S11的幅值差异达到12.11 dB，远大于5.533 GHz 处的5.28 dB。因此，确定微波的工作频率为5.295 GHz。同时可以发现，在3.94～5.99 GHz 的频率范围内，不同腐蚀程度下S11曲线的幅值差异明显，说明微波可实现钢筋腐蚀程度的检测。

图7 不同腐蚀长度下微波工作频率的影响

图8 不同腐蚀深度下微波工作频率的影响

3.4 腐蚀长度的检测效果

当微波工作频率和提离距离分别为5.295 GHz和8 mm时，研究波导移动扫描条件下对钢筋不同腐蚀长度的检测效果。波导水平移动扫描和检测结果分别如图9、图10 所示。由图10 可知，在模型边缘附近S11幅值波动较大，这主要是由于微波的散射特性造成的，且不同腐蚀长度下S11曲线几乎重合；但在腐蚀区域附近存在较大的差异，特别是在钢筋中间位置，腐蚀前后S11存在明显不同，且随着腐蚀长度的增加，变化区域有所扩大，说明通过微波反射系数的变化能有效鉴别钢筋腐蚀情况。进一步分析发现：腐蚀长度为20 cm 时，腐蚀部位的S11幅值衰减最为明显，变化幅度远大于其他腐蚀长度，这主要与微波工作频率是根据腐蚀缺陷尺寸20 mm 进行选取的有关，因此，腐蚀长度为20 mm时的检测效果最好。

图9 移动扫描示意图

图10 移动扫描条件下不同腐蚀长度检测结果

对不同腐蚀长度下S11曲线腐蚀中间位置附近3 个典型波峰的幅值进行统计，具体如表2 所示。由表2可知，腐蚀长度越长，整体峰值越大，说明钢筋腐蚀后会使腐蚀部位的S11峰值增大。进一步计算S11曲线与坐标轴围成的面积（包络面积），得到腐蚀长度为0、20 mm、60 mm 和100 mm 时，面积分别为10 572、10 480、10 140 和9 943。可见，钢筋腐蚀后S11与坐标轴围成的面积比腐蚀前明显减小，且腐蚀长度越长，减小程度越大。因此，S11幅值和包络面积的变化均可反映腐蚀情况。

表2 S11的峰值

3.5 腐蚀深度的检测效果

波导移动条件下不同腐蚀深度的检测结果如图11 所示。由图11 可知，腐蚀钢筋的S11曲线除了在腐蚀区域附近外，其余区域与未腐蚀钢筋的S11曲线基本重合；腐蚀部位的S11幅值增大，中间出现明显衰减，且与未腐蚀钢筋混凝土结构相比存在明显的差异。同样，计算S11曲线与坐标围成的面积，未腐蚀、3 mm 和6 mm 腐蚀深度对应的包络面积分别为10 572、10 480 和10 443，可见，随着腐蚀深度的增加，包络面积逐渐减小。因此，通过腐蚀位置S11的幅值与包络面积可一定程度表征钢筋的腐蚀深度。