超聲波檢測技術在水利工程質量檢測中的應用

薛翔駿

(遼寧省桓仁世元工程質量檢測有限公司，遼寧 本溪 117200)

1 檢測原理及方法

超聲波法是綜合應用智能化計算機、遠程探測等技術的檢測方法，該方法確保了被檢測物體的原有狀態打破了傳統技術破壞性檢測的局限性和約束。同時，可以實現網絡通訊、數字信息、精準探測等智能化技術的有效融合，在工程領域中具有廣泛的應用前景。超聲波投射接受或發生反射的聲波訊號在被檢測材料密度發生改變或被存在雜質、空洞等質量缺陷處發生變化，根據訊號變化特征描述物體內部的質量狀況，該過程為超聲波檢測的基本原理和流程[1-4]。按照傳播時間、接受方式及發射的不同，將超聲波檢測技術分為共振法、脈沖透射法、脈沖反射法及衍射時差法，各方法的檢測流程如下：

1.1 脈沖反射法

超聲波反射的重要條件為兩種介質的密度存在差異，超聲探頭產生的脈沖波進入兩種同材質或密度界面時發生反射。脈沖反射法的接受與發射裝置通常選用同一探頭，而壓電陶瓷轉換器為實際工況較為常用的設備。

1.2 脈沖透射法

脈沖透射法與X射線工作原理大致相同，通過在兩側放置2個探頭作為被檢測物體的發射端與接收端，勻速緩慢移動探頭觀察接收端的變化狀況，從而反映被檢測對象的密度變化和質量狀況。

1.3 共振法

通過改變超聲波特性反映物體內部缺陷的方法即為共振法，當半波長與被檢測物體厚度之間出現整數倍關系時就會出現共振，對共振頻率利用儀器輸出顯示。若被檢測物體厚度發生改變則共振頻率也會出現相應的變化，根據該頻率變化特征可獲取被檢測物體的內部缺陷、厚度變化等質量狀況[5]。

1.4 衍射時差法

超聲波的特性為共振法和衍射時差法檢測的基本依據，兩者的主要差異為衍射時差法將一對或多對縱坡斜探頭對稱安放于被檢測區域，衍射波、接受信號及反射波可以被探頭接受，反射信號在被檢測物體內部存在質量缺陷時發生改變，根據反射波發生變化的傳播時間和三角關系方程式，可以合理判定存在質量缺陷的大小和位置，其工作流程如圖1。

圖1 衍射時差法工作原理

2 超聲波質量檢測影響因素

從主觀與客觀的角度，環境、方法、設備、耦合劑和人為等因素均可對超聲波法檢測精度產生影響，具體包括檢測環境、設備狀況、耦合劑選擇、檢測人員技術水平及其培訓教育情況等。

2.1 設備因素

結合水利工程質量檢測要求和工程實踐經驗，選擇探頭的頻率和掃差速度作為儀器性能主要影響因素[6]。

2.1.1 掃查速度

較被檢測物體而言，超聲波掃查速度與探頭的移動保持同步，混凝土質量超聲波檢測應注意以下問題：①超聲波束入射方向與被檢測表面保持垂直；②為避免出現漏檢的情況，檢測區域應確保聲束具有足夠的覆蓋面積。

實現混凝土檢測區不漏檢、超聲波束全覆蓋及內部缺陷大小準確判斷的重要條件為：檢測探頭覆蓋范圍內有效匹配脈沖重復頻率、確保入射聲束的始終垂直、探頭移動速度或掃描速度不能過快。

設C1、H為被檢測物體中超聲波的傳播速度與待監測物體的厚度，探頭覆蓋區的輻射直徑和掃查移動速度為ψ、V，則檢測物體中超聲波的傳播時間T1和探頭的掃查時間T2計算式為：T1=2H/C2、T2=ψ/V。為了確保檢測區的全覆蓋，掃描和傳播時間應滿足關系式T1≤T2。

根據以上方法，掃查速度V應符合關系式為V≤C2ψ/2H，則一定時間內超聲波探頭掃查的有效距離應明顯大于探頭的移動距離。

2.1.2 檢測探頭頻率的選擇

從原理的角度，發射波長的1/2為所能檢測到的物體內部的缺陷最小尺寸，因此在滿足待檢測物體被超聲波頻率穿透的情況下應盡可能的選用大功率、高頻率的發射探頭。

2.2 耦合劑因素

實際工程中被檢測物體通常為不完全規則的表面，從而使得超聲波檢測作業時探頭與接觸面之間未能緊密貼合而存在一定的空隙。為了能夠消除空隙影響及確保被檢測物體順利貫入超聲波，通常選用一種液體耦合劑來消除空隙。當前，合成機油、化學漿糊、甘油和水玻璃等為最為常見的耦合劑。

在被檢測物體表面涂抹一層耦合劑形成耦合層，超聲波檢測受影響程度和耦合層的厚度直接相關，厚度越小其影響程度越低。所以，針對耦合劑涂刷過厚或被檢測表面過于粗糙的情況，為改善檢測環境及減少涂抹層厚度應預先拋光整平待測物體表面[7]。

2.3 環境因素

混凝土檢測受被測物體的地理位置、空氣中的濕度及外界溫度等因素影響，如檢測結果在高氯、溫度及濕度過低或過高的情況下均可發生較大的差異，尤其是受環境影響較為顯著的物理變化或化學反應的檢測構件，對檢測環境的要求更高。

3 超聲波檢測應用

3.1 鋼焊縫質量檢測

目前，最為常用的水利工程鋼焊縫質量檢測方法有X射線法和超聲波法，工程建設過程中鋼焊縫數量較多且檢測環境條件比較復雜，所以通常需要較長時間完成檢測分析。鋼焊縫質量狀況采用超聲波法檢測時具有一定的優勢，如工藝操作簡單、檢測無輻射外泄隱患及適用于較小尺寸等[8]。

鋼焊縫質量檢測的受影響程度隨著金屬晶粒尺寸的減少而增大，通常采用超聲波脈沖變化情況探測鋼焊縫存在的缺陷。發射脈沖波和地面回波為超聲波檢測儀器能夠顯示的兩種信號，超聲波在鋼焊縫質量良好的情況下能夠順利到達物體底面，所以可根據地面回波前接受到的缺陷回波信號確定被檢測裂縫中的缺陷情況，從而實現質量缺陷的準確判斷[9]。

3.2 混凝土強度檢測

一般情況下，預留混凝土試塊和現場取芯樣法為最常見的強度檢測方式，針對不允許現場取芯樣且對預留試塊質量存在質疑的情況，比較適宜的檢測方法為超聲波法。混凝土質量穩定性差且原材料組分多樣，即使同標號混凝土其組成材料的變化也會引起超聲波傳播速度的改變，另外混凝土內部存在水泥與砂、水泥與石子等多種截面，在穿透以上不同界面時超聲波將產生衍射、反射等。因此，要在超聲波變化與混凝土之間建立簡單的線性數學模型存在較大難度，通常將混凝土假定為彈塑性均質材料。

由于混凝土的組成材料比較復雜且類型多樣，從而使得超聲波獲取的檢測結果往往存在一定的偏差，超聲傳遞速度與原材料質量狀況直接相關，即使在原材料相同的情況下，超聲速度也會因混凝土配合比的不同而存在差異。硅酸三鈣等礦物摻合料的含量越高則水泥細度越大，超聲傳播速度隨著摻合料細度的增大而提高，由此檢測顯示的混凝土強度值偏高，這與混凝土實際情況相反；另外，較粗骨料含量較少的混凝土而言超聲傳播速度在粗骨料偏多時更快，檢測出的強度值要偏高[10]。所以，為提高混凝土強度測試精度較為常用的方法為多參數綜合法，例如混凝土齡期-聲速、含水率-聲速、振幅-聲速、衰減系數-聲速、超聲聲速-混凝土成熟等方法。

3.3 混凝土裂縫檢測

3.3.1 裂縫分類

混凝土的組分材料比較復雜，一般由外加劑、砂、石及水泥等多種混合而成，由于混凝土使用環境及其自身特性的差異使得裂縫形成的原因不盡相同，最常見的裂縫形式有結構縫、貫穿縫和收縮縫等。水泥水化熱過快導致溫差過大、養護方式不當等使得內部產生應力集中，當集中應力超過抗拉極限時形成貫穿裂縫；混凝土拌制過程質量控制不合理、水泥用量過多或水膠比過大等因素，可能會在表面形成收縮裂縫；受力條件及基礎持力層的改變，使得荷載應力超過混凝土極限抗拉應力而形成的結構裂縫等。

3.3.2 裂縫檢測

平行反射法和透射法為混凝土裂縫檢測的兩種常見方法，實際工程中要充分考慮混凝土結構類型、裂縫特點等具體情況選擇合適的方法。

1)透射法。實際使用過程中透射法一般適用于結構尺寸規則、面積相對較小的裂縫檢測，運用透射法檢測裂縫時應在裂縫兩側緩慢移動接受和發射探頭，超聲波在兩者不相交時不發生顯著變化；超聲波在兩者相交時灰在裂縫處形成衍射，從而使得接受探頭的接受時間和強度發生改變，按照時間和強度變化程度可以獲取裂縫的位置及深度[11]。

2)平行反射法。該方法一般適用于結構尺寸復雜、裂縫面積較大的構件，其中準確獲取裂縫周邊的聲波速度為平行反射檢驗的重要前提。其中，混凝土齡期、配合比和原材料組成等因素均可對超聲速度產生較大影響，因此一般要先獲取周邊聲速值，沿裂縫兩側平行實現裂縫的檢測。移動過程中要確保探頭和裂縫的距離相近，對于距離較遠的情況，檢測結果明顯小于裂縫實際深度。

4 結 論

文章結合無損檢測工程實踐經驗和超聲波法工作原理，提出了超聲波法質量檢測技術及檢測過程中的控制方法。干燥環境下鋼結構和混凝土結構的質量檢測常用方法為超聲波法，該方法原理清晰、操作簡便且具有較較好的經濟性和較高的可靠性。采用超聲波法檢測混凝土和鋼結構缺陷，可為提升工程質量管理與控制水平提供強有力的保障。隨著計算機技術的快速發展及超聲檢測設備的不斷更新，質量檢測中超聲波法將得到不斷的完善和發展，在道路、橋梁、地質等領域中的應用將更加廣泛。