超聲脈沖法在水利工程質量檢測中的應用研究

郁欣

（安徽省（水利部淮河水利委員會）水利科學研究院，安徽 蚌埠 233000）

0 前言

超聲脈沖法是一種特殊的水利工程質量檢測法，快速發展的科學技術促使超聲脈沖法得到廣泛應用，也為超聲脈沖法的發展帶來全新的考驗。現階段，國家水利工程領域的研究人員為進一步探索超聲脈沖法的有效應用策略，將其作為水利工程研究的重要課題，以此提高質量檢測的水平。

1 超聲脈沖法檢測的基本原理

超聲脈沖法會產生機械波與電磁波兩種物質運動形式。其中，機械振動引發彈性介質產生波動過程中出現的聲波，稱為機械波，聲波屬于機械波。當聲波傳播到彈性介質某處不動的質點后，會使該處質點產生動能進而形成位能。此外，彈性介質中的聲波是逐層傳遞能量的，在諧波振動下，可使用以下公式計算單位質點能量。

其中：E-能量密度；ρ-介質密度；A-振幅；ω-角頻率。

不在人們聽到聲波頻率范圍內的聲波稱為超聲波，且超聲波屬于機械波，在介質中進行能量傳遞時，通過產生反射、干涉、衰減等現象來反映介質的結構與本質，使水利工程質量檢測能夠對混凝土工程、金屬結構以及機械電氣進行檢測。因此，水利工程質量檢測中的超聲脈沖是由不同頻率的余弦波組成的，進而用來檢測被測物質結構與質量。

2 水利工程質量檢測中超聲脈沖法的應用

2.1 金屬結構檢測

2.1.1 鋼管壁厚度檢測

提升水利工程穩定性與安全性的關鍵在于，能夠準確測量出鋼管壁的厚度。通常情況下，水利工程中的引水管道屬于鋼材質，在水流長時間的沖磨作用下，其厚度以及性能會有所下降，導致水利工程穩定性降低。因此，為獲得準確的鋼管壁厚度數據，要求檢測人員利用超聲脈沖法對鋼管壁厚度進行定期測量。在這一過程中，主要是利用超聲脈沖法尋找檢測鋼管壁厚度的最佳檢測點，因此降低質量檢測難度，避免水利工程出現較大的安全隱患。此外，檢測人員可通過測量一側管道的外表面，推測鋼管的整體質量情況，從而得到精準的數據[1]。

2.1.2 焊縫質量檢測

水利工程中鋼結構的尺寸與厚度相對較大，且外界的環境因素會對鋼結構的焊縫工作造成一定影響。因此，為保證鋼結構焊縫的水平，可采用超聲脈沖法對其進行質量檢測，從而為水利工程的投入使用奠定良好的基礎。首先，檢測人員要綜合考慮影響金屬晶粒聲抗阻力的因素，以此減少實際工作中干擾因素。其次，對鋼結構焊縫中的細小缺陷使用超聲脈沖法，同時保證超聲設備的傾斜角度要符合相應的標準。最后，在采用斜側法進行檢測時，可在夾縫中加入一些小砂礫，使設備發出的超聲波能夠穿過砂礫并達到夾縫的最深處。此外，應重點檢測壓引力水管處的焊縫質量，以此從根本上保證水利工程的質量。運用斜側法檢測混凝土焊縫質量的原理如圖1 所示。

圖1 斜側法基本原理

2.2 混凝土工程檢測

在應用超聲脈沖法開展水利工程質量檢測工作時，對混凝土工程的檢測主要為材料強度檢測與混凝土缺陷檢測，其中混凝土缺陷檢測包括對混凝土裂縫以及表面損傷進行檢測，從而測量出不同齡期、配合比、原材料等條件下的混凝土質量，增強水利工程試件的可信度，以此提高水利工程的建設水平。

2.2.1 材料強度檢測

混凝土是水利工程中最主要的結構材料，經過配料、拌和、澆注、養護等環節形成可投入使用的試件。檢測混凝土材料強度中應用超聲脈沖法，主要是混凝土介質中超聲波的傳播速度以及混凝土彈性介質之間的關系，并依據彈性模量、力學強度等數據建立起完善的數學模型，用來表示超聲波聲速與混凝土抗壓強度之間的關系。與此同時，超聲設備還可測量出聲波在混凝土試件中的傳播時間，進而推算出混凝土的強度。一般情況下，以齡期為28d 的混凝土立方試件作為材料強度檢測對象，并在綜合考慮材料種類、配合比、施工工藝等因素的基礎上，采用超聲脈沖法計算材料的強度。根據相關研究表示，不同配合比、材料種類的混凝土的抗壓強度值存在一定差異，利用超聲脈沖法能夠推定出增強混凝土強度的條件，且骨料品種、用料以及環境與混凝土強度能夠用統計方法建立相應的數學表達式，以此為超聲脈沖法檢測材料強度提供精準依據。

2.2.2 混凝土缺陷檢測

原材料種類、配合比、施工工藝以及檢測距離與混凝土的密實度具有一定聯系。在應用超聲脈沖法檢測混凝土缺陷時，一方面，要檢測混凝土是否存在影響較大的裂縫。當超聲波在混凝土介質傳播過程中，遇到蜂窩、空洞、裂縫等缺陷會產生相應的反射以及散射現象。又由于混凝土的聲阻抗率遠高于空氣，速率越快的聲波衰減得越快，此時需要根據《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》對缺陷等級進行判定。當混凝土缺陷處只有一個表面可供檢測，則要使用評測法檢測混凝土裂縫的深度。無缺陷混凝土以及超聲設備的探頭布置位置，會對檢測結果造成不同程度的影響，但幾者之間具有一定的數學關系，能夠通過相應公式計算出裂縫深度。對穿斜側法會在裂縫部位有一對平行表面時使用，利用換能器逐點接收混凝土缺陷處的超聲波信號，超聲波會在達到混凝土表面處出現衰減，檢測人員根據檢測到的聲時、波幅、頻率等進行裂縫深度的推算，從而為提高水利工程質量奠定扎實基礎[2]。

另一方面，物理因素、化學因素會影響混凝土的表面結構以及厚度檢測，通過檢測表面損傷層，可以有效判斷對混凝土質量的影響。首先，保證超聲設備的換能器穩定在混凝土的待檢測表面上；其次，將測試距離按照100mm、150mm、200mm 進行移動，并根據實際要求對測試距離進行一定調整。在測試距離較大的情況下，檢測結果反映的是超聲波在未損傷混凝土中的傳播速度，會使最終分析結果存在偏差。因此，要控制距離在規范測試距離范圍內，從而保證超聲波能夠在損傷的混凝土中傳播。當未損傷層的超聲脈沖波與損傷層脈沖波一同到達設備接收器時，可根據標準公式進行計算，從而實現對混凝土質量的判定。此外，在判斷水利工程樁體的均勻性與穩定性時，同樣可使用超聲脈沖法，根據移動探頭接收到的聲波傳播時長、頻率、波幅等數據，便可實現對混凝土強度的準確判斷。

2.3 機械電氣檢測

利用超聲脈沖法進行機械電氣檢測，主要是對水利工程中的泵站、水電站、排灌站等地點的流量、流速進行檢測。在開展現場質量檢測工作時，使用可攜帶的超聲設備檢測站點的渠道、輸水管道處的流量與流速。值得注意的是，渠底換能器聲路與水流的夾角不應大于45°～60°，以此保證測量結果準確；選擇的檢測地點不應出現大石塊、水草等干擾超聲脈沖法正常使用的物體，且安防經緯儀以及其他超聲設備的地點應相對平整，從而提升測量的精準性；為避免從渠底處傳出聲波，則應保證渠底換能器間隔一小段距離；換能器的探頭間距應根據渠內水面高度進行適當調整，以此保證超聲脈沖法能夠準確測量渠道以及大流量管道處的流速。此外，在檢測流量與流速時，需要根據管道尺寸計算換能器之間的夾角，同時保證檢測地點處管道的完整性。此時應注意，必須將超聲檢測所用的介質充滿測量的管道，并選直管道作為檢測的重要地點，同時選擇在10 倍管徑的上游管段或是3 倍管徑的下游管段進行檢測，避免產生影響檢測的氣泡；鉗裝的角度與尺寸要符合超聲脈沖法檢測的標準，避免影響結果的精準性，中心角度宜為45°～75°。測量管道流量與流速中超聲脈沖法的應用原理如圖2 所示[3]。

圖2 管道測流中超聲脈沖法應用

3 結論

綜上所述，超聲脈沖法是當前水利工程中具有良好應用前景的質量檢測方法，通過對金屬結構、混凝土工程、機械電氣三方面的檢測，能夠有效提高水利工程的建設水平。因此，相關企業還應在原有的技術基礎上，積極創新研究與試驗方法，結合實際情況對超聲脈沖法的具體應用策略進行總結，從而推動水利工程質量檢測可持續發展的進程。