淺談超聲脈沖法在水利工程質量檢測中的應用

【摘要】介紹了超聲脈沖法無損檢測原理及其在鋼焊縫質量及引水鋼管壁厚檢測、混凝土強度及缺陷檢測中的應用，提出了應用此技術檢測引水鋼管壁厚、對接鋼焊縫及混凝土質量切實可行的方法，并根據檢測經驗指出檢測過程中必須注意的問題，以期對類似工程提供借鑒指導。

【關鍵詞】超聲脈沖法，水利工程，質量檢測

1、超聲脈沖法

超聲波作為機械波具有較高頻率和較大的傳播能量，其可以采用透射、反射、散射及干涉等方式在介質中傳播，其在傳播過程中直接反映出的包括聲速、頻率和振幅等在內的聲學參數可以間接反映介質的結構及本質，這也為超聲波技術被用于金屬、混凝土等非金屬介質的質量檢測提供了科學依據。

超聲脈沖法被用于材料內部缺陷的探測始于二十世紀二十年代末期，當時該技術首先被用來探測金屬材料及其零部件內部缺陷的探傷，但是由于技術所限，當時只能用于探測被檢測材料內部是否存在缺陷，而無法準確切丁缺陷面積的大小及準確位置。當前伴隨著雷達技術的迅速發展，超聲脈沖技術及相應儀器在金屬材料探測方面的運用越來越普遍。而采用超聲脈沖法對混凝土的探傷技術要比金屬材料探傷發展更晚一些，在國內理論界也是直到上世紀六十年代才開始受到重視。

2、超聲脈沖法在鋼焊縫質量及引水鋼管壁厚檢測中的應用

2.1 鋼焊縫質量檢測

進行鋼焊縫質量及引水鋼管壁厚檢測時，常用的方法便是超聲脈沖法，這種方法適用于鋼焊縫數量多、焊縫長度較長且尺寸較大、所處環境復雜的建筑物，這種方法在此惡劣的條件下便顯示出優越性與實用性。在被檢測金屬晶粒粒徑尺寸小、聲阻抗力大的情況下，為了將極其微小的缺陷也探測準確，可以采用主頻率為2.5MHz的超聲脈沖波，通過預先設計的角度入射，當通過有缺陷的孔洞或未焊透的焊縫時，超聲脈沖波便會變反射回超生探頭，將此電信號傳遞給探傷儀，將反射波的波幅與聲程反映在示波屏上，并根據聲程確定鋼焊縫的具體位置、缺陷大小及性質。

水利水電工程中引水管鋼焊縫質量進行檢測時，需注意并做到以下幾方面：

（1）為了保證鋼焊縫的全部區域都能被超聲波回波探測到，超聲波探頭的選擇必須與所檢測鋼管壁厚相符，并且最大探測位置的回波必須接近滿幅。

（2）偶合劑的選擇必須結合鋼管管徑、作業溫度、焊縫方向等參數，如果所選偶合劑粘度過大，則檢測過程中探頭旋轉阻力會大大增加，相反如果粘度過低，偶合劑不斷向下流淌，重力和慣性的作用會使探頭探測的精度大打折扣。

（3）探測過程中注意凸瘤和內凹的區別。焊接過程中在鋼管焊縫根部會出現向管內溢出的瘤狀凸起，即所謂的焊瘤，若是在仰焊部位，焊縫根部便會形成內凹，凸瘤與內凹都屬于焊縫缺陷。采用超聲波進行探測時，凸瘤和內凹的反射回波顯示的聲程完全相同，這就需要利用其三次回波進行聲程的區分，凸瘤的聲程更長，也可通過反射波信號的強弱進行區分，凸瘤的信號更強。

（4）注意區分錯口與焊縫缺陷。如果鋼管對口不精確，焊縫根部一側突出而另一側凹進，就會出現錯口，錯口具有與焊縫缺陷相同的聲程變化，若不加注意，則很難區分。

2.2 鋼管壁厚檢測

在多泥沙河流中，引水鋼管會在含沙水流的不斷沖磨下而管壁厚度減小，管理單位必須定期進行管壁厚度檢測，在選擇檢測方法時，很難取得引水管橫截面與壁厚的具體數據。此時便可通過脈沖反射式超聲波金屬測厚儀迅速獲得引水鋼管壁厚的真實數據。檢測時需要預先埋設至少兩個聲測管，聲測管的數量主要根據構件尺寸確定，聲測管下端須設置在構件底部并采用螺紋套管連接，以防漏水（漿）。檢測開始前須保證測管通暢，檢測時將發射探頭及接受探頭均與發射-接收裝置相連，并將兩個探頭置于不同的聲測管并保持相同高度，探測時從測管底部開始，每升高1cm就發射-接收一次聲波信號，發射-接收裝置會進行數據的實時記錄與波形顯示。將收集到的信號進行匯總便可得到聲測結果，在結果圖上可以進行檢測結果的直觀分析。

3、超聲脈沖法在混凝土質量檢測中的應用

3.1 混凝土強度檢測

混凝土作為水泥、砂石料、骨料等按比例復合而成的塑性材料，其性質很容易受到組分和施工條件的影響而發生性變，通過一種數學模型描述和檢測混凝土強度幾乎是不可能的。由于混凝土的彈性性質與超聲脈沖波在混凝土中的傳遞速度存在變量關系，其彈性模量與其力學強度之間也存在密切聯系，基于這些聯系便可建立超聲波聲速與混凝土抗壓強度之間的變量關系，即通過超聲波測傷儀準確測量出某個波段的聲波經過特定長度的混凝土所需聲時，進而求得混凝土中超聲波聲速，并推測出混凝土強度。變量關系如下：

3.2 混凝土缺陷檢測

3.2.1 混凝土裂縫檢測

（1）檢測方法及過程

穿透法及平測法是兩種常用的用于探測混凝土裂縫深度的方法，其主要根據構件的形狀及裂縫位置等具體情況進行恰當選用。

當發生裂縫的構件斷面面積較小時，采用穿透法進行裂縫探測，在探測過程中，必須將探頭沿著構件側面按點進行移動，而當探頭間兩兩間隔的連線不予裂縫相交時聲時保持不變，相交時逐漸拉長。由于裂縫中一般都會有積水及其他夾雜物，所以采用此法所探測到的裂縫往往比實際深度要小。

相反，當發生裂縫的構件斷面面積較大，無法采用穿透法進行側面測量時，則必須采用平測法進行裂縫探測，如圖1所示，先采用平測法測出裂縫周圍混凝土的聲速，由于裂縫區混凝土的配比、濕度、密度等的取值與完好無損情況下均存在較大差別，求出多次測量出的C值的平均值，根據各個點之間的幾何關系，可以寫出如下式子：

上式中，D是鋼筋與探頭之間距離的最小值；Cs為鋼筋聲速；C為混凝土聲速，一般情況下，D在1.5h左右時鋼筋對裂縫深度探測過程的影響程度最小。

進行裂縫深度檢測時，必須保證檢測表面平整、密實，為避免裂縫內部可能出現的短接現象，最好在同一裂縫間隔200mm左右距離處設置兩個以上測試點，并采用低頻率探頭，增大探測距離，增加檢測儀器發射電壓，減少探頭連接線促昂度，以確保儀器與探頭接口可靠連接。

3.2.2 表面損傷檢測

在施工和使用中，混凝土結構表面層會發生各種形式的損傷，如火災、冰凍、酸堿浮石等，損傷程度除了與混凝土本身情況（如表面積、齡期、水灰比、壓實度等）有關外，還與作用時間及作用次數有直接關系。在工程實例中，表面損傷層與為損傷部分并無明顯分界，一般都是最外層損傷最嚴重，越往里層損傷程度越來越輕。

4、結語

綜上所述，超聲脈沖法被廣泛運用于鋼焊接縫質量、鋼管壁厚及鋼管混凝土密實度與均勻性等的檢測，簡便易行，經濟實用，且可用于混凝土強度、混凝土缺陷位置和尺寸的檢測，雖然鋼焊接缺陷、混凝土構件的含水及雜物等情況對測試結果有一定影響，但是相對誤差均滿足工程測試要求。隨著混凝土強度等理論的不斷完善，超聲脈沖法在水利水電工程質量檢測方面的能力會更強大，應用也會越來越廣，在檢測過程中必須注意多種方法的結合運用。

參考文獻：

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