沖擊回波波動(dòng)能量法在某水電站鋼管脫空缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用

李平宏，常興兵，沈建民， 李 洪

(1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司工程實(shí)驗(yàn)檢測(cè)分院,西安 710043;2.中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院,武漢 430070)

文章編號(hào)：1006—2610(2015)04—0031—04

沖擊回波波動(dòng)能量法在某水電站鋼管脫空缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用

李平宏1，常興兵1，沈建民2， 李 洪1

(1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司工程實(shí)驗(yàn)檢測(cè)分院,西安 710043;2.中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院,武漢 430070)

水工地下壓力管道在施工過程中，鋼管與外包混凝土之間容易形成脫空缺陷。以往通常采用沖擊回波法對(duì)信號(hào)時(shí)域及頻域進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)鋼管與混凝土的脫空缺陷。由于壓力鋼管較薄，信號(hào)識(shí)別與分析較為困難，影響該方法的應(yīng)用。文章介紹了采用檢測(cè)沖擊回波波動(dòng)能量的方法進(jìn)行鋼管缺陷評(píng)價(jià)的原理、方法及應(yīng)用實(shí)例，彌補(bǔ)了沖擊回波法采用時(shí)域及頻域信號(hào)進(jìn)行缺陷判定方法中的不足。

沖擊回波;鋼管;波動(dòng)能量;脫空缺陷

0 前 言

沖擊回波法是基于瞬態(tài)應(yīng)力波的反射原理，也稱脈沖回波法。沖擊回波波動(dòng)是利用瞬時(shí)的機(jī)械沖擊(用一個(gè)小鋼球或小錘輕敲)產(chǎn)生低頻應(yīng)力波，被導(dǎo)入到混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的低頻應(yīng)力波會(huì)被缺陷或構(gòu)件的界面反射回來(lái)。應(yīng)力波在由構(gòu)件和內(nèi)部缺陷所構(gòu)成的多重界面之間來(lái)回反射就能引起結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)共振，通過分析沖擊回波信號(hào)的時(shí)域和頻域信號(hào)，確定混凝土內(nèi)部缺陷的深度和混凝土構(gòu)件的厚度。沖擊回波法的檢測(cè)結(jié)果能反映測(cè)點(diǎn)處混凝土內(nèi)部的質(zhì)量情況，并且該方法只需單面檢測(cè)，測(cè)試過程簡(jiǎn)便、快捷，克服了超聲波法兩面布設(shè)傳感器的弱點(diǎn)。行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，沖擊回波法是“非常有發(fā)展前途的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法之一”。

以往對(duì)沖擊回波法的研究與應(yīng)用主要是通過分析沖擊回波中時(shí)域內(nèi)的反射信號(hào)，結(jié)合信號(hào)頻率分析進(jìn)行混凝土板厚度、裂縫等方面的判定。然而對(duì)于鋼管混凝土襯砌的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，高壓管道的鋼板一般較薄，厚度在20～60 mm之間，沖擊回波信號(hào)難以有效識(shí)別，無(wú)法用沖擊回波的時(shí)域和頻域分析判斷鋼管的脫空缺陷，使該方法的應(yīng)用受到了一定的限制。

目前，通過沖擊回波法的波動(dòng)能量計(jì)算與分析，可以快速判定鋼管混凝土的脫空缺陷，為沖擊回波法的應(yīng)用開辟了一條新的途徑。本文通過應(yīng)用實(shí)例，說(shuō)明波動(dòng)能量分析法在水電工程鋼管脫空缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用效果。

1 檢測(cè)基本原理

鋼管表面在沖擊作用下激發(fā)的應(yīng)力波，一部分應(yīng)力波將沿鋼管表面擴(kuò)散傳播，另一部分將穿透鋼板向混凝土內(nèi)部傳播。由于鋼管與空氣(或水)的波阻抗差遠(yuǎn)大于鋼管與混凝土的波阻抗差，因此在鋼管與混凝土緊密接觸的脫空區(qū)域，應(yīng)力波將產(chǎn)生不同強(qiáng)度的反射波，使鋼管表面的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)能量有所改變，因此可判斷鋼管與混凝土是否存在脫空缺陷以及脫空缺陷的嚴(yán)重程度。

鋼管表面在沖擊作用下將產(chǎn)生多次諧振波信號(hào)，對(duì)于單一頻率的平面諧波，鋼管表面激振點(diǎn)附近的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為：

(1)

式中：v為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度；A為質(zhì)點(diǎn)位移峰值；ω為角頻率；t為信號(hào)采樣時(shí)間；x為接收點(diǎn)與振源的距離；u為應(yīng)力波傳播速度。

單一頻率諧波單位體積的動(dòng)能為：

(2)

式中：ρ為介質(zhì)密度。

單一頻率諧波在T時(shí)間內(nèi)通過單位體積的總動(dòng)能為：

(3)

假定接收點(diǎn)的直達(dá)波能量為E1，反射波能量為E2，則該點(diǎn)波動(dòng)總能量為：

E=E1+E2

(4)

對(duì)于相同結(jié)構(gòu)的鋼管混凝土管，在相同的激發(fā)能量和激發(fā)條件下，距激發(fā)點(diǎn)相同距離的各接收點(diǎn)的直達(dá)波能量應(yīng)基本一致。由式(4)可知，接收點(diǎn)波動(dòng)總能量的差異主要反映了反射波能量的差異，而反射波能量與是否存在脫空缺陷有關(guān)，因此通過檢測(cè)鋼管的沖擊回波波動(dòng)能量可以判定鋼管的脫空缺陷情況。

2 資料整理與分析

對(duì)鋼管沖擊回波檢測(cè)資料進(jìn)行整理分析。

(1) 將測(cè)線上全部各測(cè)點(diǎn)的沖擊回波波形逐點(diǎn)按順序排列，形成波列圖，根據(jù)波幅的差異程度定性判斷鋼管混凝土的脫空異常。

(2) 計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的沖擊回波能量，計(jì)算公式見式(3)，本過程采用專業(yè)軟件完成。

(3) 確定基準(zhǔn)測(cè)段的波動(dòng)能量平均值、均方差與臨界值。

波動(dòng)能量平均值：

(5)

均方差：

(6)

脫空異常臨界值：

(7)

脫空缺陷指標(biāo)：

(8)

(4) 繪制波動(dòng)能量曲線圖。

(5) 根據(jù)脫空缺陷指標(biāo)，結(jié)合沖擊回波波列圖綜合判定脫空缺陷及嚴(yán)重程度。依據(jù)極限誤差理論，波動(dòng)能量臨界值為各基準(zhǔn)測(cè)區(qū)所有測(cè)點(diǎn)波動(dòng)能量的平均值加3倍均方差。將各測(cè)點(diǎn)的波動(dòng)能量與波動(dòng)能量臨界值相比較，根據(jù)比較結(jié)果判定鋼管是否存在脫空缺陷及其脫空程度。評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 鋼管沖擊回波檢測(cè)脫空缺陷定性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)表

3 應(yīng)用實(shí)例

某大型引水式水電站廠區(qū)樞紐工程主要由上游調(diào)壓室、高壓管道、地下廠房系統(tǒng)、尾水隧洞、尾閘室以及尾水出口等建筑物組成。其中高壓管道由鋼筋混凝土管道和壓力鋼管2部分組成，高壓管道采用單機(jī)單管布置方式。壓力鋼管段斷面為圓形，內(nèi)徑為6.50m，混凝土襯砌回填厚度為0.60～1.05m，與機(jī)組蝸殼延伸段相接。其中，8條鋼管等長(zhǎng)布置，長(zhǎng)度為118m。

按照一般施工經(jīng)驗(yàn)，高壓管道在襯砌接觸灌漿之后，在水泥干縮及重力作用下，其下斷面120°范圍內(nèi)，容易在鋼管管壁與混凝土之間產(chǎn)生脫空，根據(jù)業(yè)主方的要求，在高壓管道下平鋼管段采用沖擊回波法進(jìn)行脫空缺陷檢測(cè)，以確保施工質(zhì)量。針對(duì)沖擊回波法在本水電工程的2號(hào)高壓管道中的應(yīng)用效果進(jìn)行一些探討。

3.1 工作布置

依據(jù)合同文件及業(yè)主方的檢測(cè)要求，在高壓管道下半斷面90°范圍內(nèi)布置了3條測(cè)線，即左拱腳、右拱腳各1條、底板1條。測(cè)線位置見圖1所示。

圖1 高壓管道下平段鋼管混凝土沖擊回波檢測(cè)工作布置示意圖 單位：mm

3.2 外業(yè)檢測(cè)

沿每條測(cè)線，在鋼管表面布置激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)采用單發(fā)單收的共偏移觀測(cè)方式進(jìn)行逐點(diǎn)檢測(cè)，檢測(cè)偏移距與測(cè)點(diǎn)間距相同，取0.2m。每完成一個(gè)測(cè)點(diǎn)的信號(hào)采集后，同步移動(dòng)激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)，進(jìn)行下一個(gè)測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)，直至完成整條測(cè)線的測(cè)試工作。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法見圖2所示。

圖2 鋼管沖擊回波法檢測(cè)工作示意圖

在正式檢測(cè)前，必須選擇接觸灌漿質(zhì)量好、鋼管與混凝土接觸緊密的區(qū)域作為基準(zhǔn)測(cè)試區(qū)，通過基準(zhǔn)測(cè)試區(qū)確定脫空缺陷臨界值。本次檢測(cè)確定的試驗(yàn)基準(zhǔn)測(cè)區(qū)：① 管(2)0+141.2m～0+146.0m底板；② 管(2)0+116.2m～0+121.0m底板；③ 管(2)0+111.2m～0+116.0m底板。基準(zhǔn)試驗(yàn)區(qū)沖擊回波檢測(cè)典型波列見圖3所示。

圖3 基準(zhǔn)試驗(yàn)區(qū)沖擊回波檢測(cè)典型波列圖

3.3 檢測(cè)成果

3.3.1 波列圖

將各條測(cè)線上所有測(cè)點(diǎn)的沖擊回波波形逐點(diǎn)按順序排列，形成波列圖。圖4為2號(hào)高壓管道下平段右拱腳測(cè)線(169.6～161.0m)沖擊回波檢測(cè)典型波列圖，從圖中看出，圓圈區(qū)域內(nèi)的波幅與基準(zhǔn)區(qū)域的波幅值有明顯的差異，從而可以初步定性判斷鋼管混凝土存在脫空缺陷。

圖4 2號(hào)高壓管道下平段右拱腳測(cè)線沖擊回波檢測(cè)典型波列圖

3.3.2 波動(dòng)能量曲線

采用專業(yè)軟件，對(duì)測(cè)線上的每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)計(jì)算波動(dòng)能量，并將左拱腳、底板、右拱腳3條測(cè)線上各測(cè)點(diǎn)的能量繪成波動(dòng)能量變化曲線圖。圖5為2號(hào)高壓管道管(2)0+160m～0+170m段鋼管混凝土沖擊回波檢測(cè)波動(dòng)能量變化曲線圖。

圖5管(2)0+170 m～0+160 m沖擊回波波動(dòng)能量變化曲線圖

圖5中，橫向虛直線為通過基準(zhǔn)試驗(yàn)區(qū)測(cè)試取得的波動(dòng)能量臨界值Er；豎向虛直線為每節(jié)高壓管道的焊縫位置。從圖5中看出，對(duì)于大于波動(dòng)能量臨界值的測(cè)點(diǎn)，可以確定鋼管脫空缺陷的位置，結(jié)合表1脫空缺陷定性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，可以判斷出其脫空的嚴(yán)重程度。

對(duì)比圖4與圖5中的結(jié)果，可以看出，在管(2)0+170m～0+160m之間，圖4波列圖反映的異常與圖5中的波動(dòng)能量變化非常統(tǒng)一，脫空異常較為明顯。經(jīng)了解，當(dāng)時(shí)此處回填，但未進(jìn)行接觸灌漿。

特別指出，圖5中，在每個(gè)焊縫處，3條測(cè)線的波動(dòng)能量均超出了臨界值Er，即δ>1。此為鋼管焊縫引起的直達(dá)波能量突然增大，而非脫空缺陷，在資料解釋時(shí)應(yīng)預(yù)以區(qū)分。

3.3.3 脫空缺陷統(tǒng)計(jì)

根據(jù)測(cè)線上各點(diǎn)的波動(dòng)能量，按表1的脫空缺陷評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，2號(hào)高壓管道3條測(cè)線上所檢測(cè)出的缺陷位置見表2所示。

(1) 左拱腳測(cè)線有9處脫空缺陷，其中較嚴(yán)重脫空缺陷1處。

(2) 管底測(cè)線脫空缺陷為最多，為15處，其中較嚴(yán)重脫空缺陷3處。

(3) 右拱腳測(cè)線有7處脫空缺陷,其中較嚴(yán)重脫空缺陷1處。

表2 2號(hào)高壓管道沖擊回波檢測(cè)脫空缺陷位置統(tǒng)計(jì)表

3.4 檢測(cè)成果驗(yàn)證

2號(hào)高壓管道共檢測(cè)出脫空缺陷31處，其中絕大多數(shù)脫空長(zhǎng)度20～60cm，個(gè)別測(cè)點(diǎn)處長(zhǎng)度達(dá)到100cm以上，由于對(duì)檢測(cè)工作量有約定，對(duì)測(cè)線上脫空缺陷區(qū)的寬度未進(jìn)行進(jìn)一步檢測(cè)。

為了解鋼管脫空缺陷的離隙程度，同時(shí)盡量不破壞壓力網(wǎng)管的整體結(jié)構(gòu)，最終只選擇了1個(gè)鉆孔驗(yàn)證，在管底測(cè)線管(2) 0+167m～170m處進(jìn)行開孔，經(jīng)檢查，該處脫空為5mm。此洞段為橫通洞交叉段，在檢測(cè)后進(jìn)行了接觸灌漿。

4 改進(jìn)方向

從檢測(cè)成果看，目前采用沖擊回波波動(dòng)能量方法進(jìn)行鋼管脫空缺陷檢查，主要以定性判斷缺陷為主，缺陷檢測(cè)的準(zhǔn)確性與工程指導(dǎo)的意義受到一定的局限，今后需努力的方向：

(1) 建造實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图安煌笮　⑿螤畹拿摽杖毕荩瑢?duì)本方法檢測(cè)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行更深入研究；

(2) 對(duì)模型中的缺陷進(jìn)行不同介質(zhì)的充填(空氣、水、泥漿等)，并進(jìn)行波動(dòng)能量檢測(cè)，通過實(shí)驗(yàn)建立能量與缺陷介質(zhì)、規(guī)模的相關(guān)關(guān)系曲線，使該方法從定性向定量方向發(fā)展。

(3) 結(jié)合實(shí)際施工工程，通過實(shí)驗(yàn)在檢測(cè)之初建立相關(guān)關(guān)系，提供更有參考價(jià)值的檢測(cè)資料。

5 結(jié) 語(yǔ)

利用檢測(cè)沖擊回波波動(dòng)能量的方法進(jìn)行鋼管脫空缺陷檢查，克服了檢測(cè)信號(hào)中時(shí)域內(nèi)難以識(shí)別有效信號(hào)的缺點(diǎn)，具有無(wú)損、簡(jiǎn)便、快速的特點(diǎn)。為了不破壞鋼管的整體結(jié)構(gòu)，本次檢測(cè)結(jié)果雖然未經(jīng)系統(tǒng)性驗(yàn)證，但本方法檢測(cè)結(jié)果中，管底沿線的脫空比兩側(cè)拱腳處的脫空嚴(yán)重，符合工程施工的一般規(guī)律，其檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的。由于該檢測(cè)方法尚在初步應(yīng)用階段，對(duì)脫空程度僅能提供定性的判定，難以提供定量數(shù)據(jù)。隨著物探技術(shù)的不斷發(fā)展，并通過廣大同仁的共同努力、共同研究，相信該方法在水電工程檢測(cè)中必將發(fā)揮更大的作用。

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Application of Fluctuation Energy Method of Impact Return Wave in Detection of Penstock Cavity

LI Ping-hong1, CHANG Xing-bing2, SHEN Jian-min2, LI Hong1

(1.Engineering Experiment and Detection Branch, Northwest Engineering Co., Ltd., Xi'an 710043,China;2.Central Southern China Electric Power Design Institute of China Power Engineering Consulting Group, Wuhan 430070,China)

Cavity between penstock and external concrete envelopment easily occurs in penstock construction. Conventionally, the impact return wave method is applied for analysis of time and frequency ranges of signals to assess the cavity between penstock and concrete. As the penstock wall is thin, it is difficult to identify and analyze signals. The method application is affected. In this paper, principle, methods and practice of application of the detection of the fluctuation energy of the impact return wave to assess the penstock defect are introduced. It enriches the impact return wave method in terms of time and frequency ranges for defect determination.Key words: impact return wave; penstock; fluctuation energy; cavity defect

2014-08-26

李平宏(1964- )，男，甘肅省寧縣人，高級(jí)工程師，從事工程物探檢測(cè)與測(cè)試工作.

TV698.15；TG115.28

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.008