基于微波反射法的輸變電鋼筋混凝土腐蝕檢測

王旭杰，王申華，陳建斌，蔣建紅，黎 鵬，吳 田

（1.國網浙江省電力有限公司武義供電公司，浙江 金華 321200；2.三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002）

0 引言

隨著我國電網的快速發展［1］，許多輸變電工程不可避免地會經過鹽漬土等強腐蝕地區，而輸變電工程的基礎多為鋼筋混凝土結構，長期受到環境的腐蝕作用，會使鋼筋的力學性能逐漸退化［2］，從而威脅電網安全，甚至誘發重大事故［3］，帶來不可估量的經濟損失。因此，提出有效的輸變電鋼筋混凝土結構腐蝕檢測方法具有重要的實際意義。

現有的鋼筋混凝土腐蝕檢測技術和方法主要包括：CT（計算機斷層掃描）檢測技術、超聲波法、半電池法和紅外感應加熱法。文獻［4］試驗發現，根據超聲波波速損失率能靈敏反映鋼筋腐蝕率；文獻［5］利用半電池法對碼頭承臺鋼筋混凝土腐蝕情況進行檢測，并實際取樣驗證了檢測的準確性；文獻［6］利用三維CT 檢測技術實現了混凝土中鋼筋腐蝕情況的精確檢測；文獻［7］利用不同腐蝕程度鋼筋在紅外感應加熱情況下感應溫度不同的特點，通過紅外觀測實現了鋼筋混凝土腐蝕程度的區分。綜合來看，超聲波檢測具有速度快、現場使用方便等優點，但存在漏檢、誤檢和缺陷定性困難等問題，同時檢測時需要耦合劑；半電池法雖然可對鋼筋腐蝕程度進行評估，但檢測時受水灰比、環境溫度和相對濕度等影響較大［8］，且插入參比電極時會破壞鋼筋混凝土結構；CT法和紅外加熱檢測雖然可實現鋼筋腐蝕的有效檢測，但均存在檢測儀器體積較大、操作復雜等問題。

微波無損技術始于20世紀60年代，作為一種新的檢測技術日益受到國內外的重視［9］。目前，微波檢測已在材料和電力等領域得到廣泛應用。文獻［9］利用6 mm 波長的微波在復合材料中成功檢出2 mm 空隙缺陷，證明了M.Rockwitz 理論公式適用于復合材料的無損檢測；文獻［10］利用微波輻射探測技術對絕緣子污穢進行檢測，并與相應絕緣子鹽密度和灰密度進行對比，驗證了絕緣子污穢度微波帶電檢測的可行性；文獻［11-13］基于微波透射法和反射法實現了絕緣子內部缺陷的檢測。相比于其他無損檢測方法，微波檢測有其自身特點：微波在非金屬材料中穿透能力強，無需表面接觸，無需耦合劑，大大提高了檢測的便捷性［14］。

雖然國內外關于微波無損檢測方面已取得了較多成果，但將微波無損檢測應用于鋼筋混凝土結構的腐蝕檢測卻鮮有報道。本文提出了基于微波反射原理的輸變電鋼筋混凝土結構腐蝕檢測方法，并通過仿真驗證了該方法的有效性。本文方法可為輸變電鋼筋混凝土基礎的腐蝕管理和狀態評估提供指導，對提高輸變電設備的運行可靠性具有重要的理論意義和工程實用價值。

1 基于微波反射理論的腐蝕檢測原理

圖1為鋼筋發生腐蝕時，微波垂直入射鋼筋混凝土的結構示意圖，設2個分界面均為無限大的相互平行平面。圖1 中，d為混凝土的厚度；k為傳播方向；E為電場強度；H為磁場強度；下標i、r、t分別表示入射、反射和透射。

圖1 微波垂直入射三層不同介質

微波從空氣垂直入射時，分界面z=0 和z=d處均會發生反射和透射，因此，空氣和混凝土中都存在沿+z和-z方向傳播的入射波和反射波。假定腐蝕層為無限大體，則腐蝕層中只存在沿+z方向傳播的透射波［15］。

假設波動均為沿x方向極化的線極化波，根據電磁場和電磁波理論可知［15］，界面2 的反射系數Γ2為：

式中：η2和η3為混凝土和腐蝕層的波阻抗，可以由介電常數ε和磁導率μ來計算：

設混凝土中的入射波和反射波電場的x分量分別為：

當分界面位于界面2時，作坐標變換，則在分界面1 上得到的入射波2 和反射波2 場強的復有效值為：

可見在z=0 時，得到分界面2 的反射系數不再是Γ2，而是：

已知分界面1 右側的反射系數，可反推得到該端面的等效阻抗：

式（8）的意義為將混凝土和腐蝕層等效為一種新的介質，消去界面2，進而得到界面1的有效反射系數Γ1：

式中：η1為空氣波阻抗。

由式（9）可知：反射系數與各層介質的介電常數、磁導率和混凝土的厚度等參數有關。當鋼筋發生腐蝕缺陷時，改變了原有的等效介電常數，即改變了有效反射系數值Γ1，因此，可根據反射系數幅值的變化來實現鋼筋混凝土結構腐蝕缺陷的檢測。

2 數值仿真模型的建立

2.1 仿真模型

實際輸變電基礎結構復雜，為了驗證本文所提方法的有效性，建立了未腐蝕和腐蝕的鋼筋混凝土結構簡化模型，分別如圖2、圖3 所示。其中，混凝土結構尺寸為：350 mm×150 mm×150 mm，鋼筋位于正中央，長度和直徑分別為350 mm和22 mm。圖3中，腐蝕層設置于鋼筋的中間位置，通過改變腐蝕層的深度和長度來分析微波對不同腐蝕程度鋼筋混凝土結構的檢測效果。當研究腐蝕長度對檢測效果的影響時，腐蝕深度設置為3 mm，長度分別為20 mm、60 mm 和100 mm；而當研究腐蝕深度對檢測效果的影響時，腐蝕長度固定為20 mm，深度分別設置為3 mm 和6 mm。波導位于鋼筋所在正中間位置，其距混凝土模型表面的垂直距離（提離距離）可根據需要進行調整；利用波導探頭發射和接收微波信號，通過比較信號幅值差異來獲取鋼筋腐蝕的相關信息。

圖2 未腐蝕模型

圖3 腐蝕模型

2.2 波導選擇

微波檢測精度受波導工作頻率的影響［16］，在實際檢測中，為滿足靈敏度的要求，常用X（8.2～10.9 GHz）波段、Ku（10.9～18 GHz）波段和K（18～36 GHz）波段，甚至擴展到W（56～100 GHz）波段［17］，但是頻率越高，微波能量衰減越大。文獻［9］理論給出了檢測波長和缺陷直徑的關系：Ka≈1，其中K=2π/λ，λ為波長；a為缺陷直徑。根據該公式，當鋼筋腐蝕缺陷直徑為20 mm 時，檢測波長應為62.8 mm，即對應的微波檢測頻率為4.77 GHz。由國際電工委員會標準IEC 153-2-1974 可知：上述檢測頻率應采用R48 型波導，該波導工作頻率范圍為3.94～5.99 GHz。當存在更大的腐蝕缺陷（大于20 mm）時，R48 也能滿足檢測要求。

3 仿真結果及分析

3.1 波導放置方式的影響

由于R48 矩形波導的尺寸為50.8 mm×25.4 mm，當采用水平和豎直的放置方式時，將造成與鋼筋的正對面積不同，從而影響腐蝕鋼筋檢測效果。因此，有必要對波導的放置方式開展研究。

利用波導對如圖2所示模型進行掃頻，固定提離距離為2 mm，得到不同放置方式下的回波損耗S11隨頻率的變化規律，如圖4 所示。由圖4 可知：波導水平和豎直放置下得到的曲線振蕩特性基本一致，且整體隨頻率的增加呈衰減振蕩，雖在5.58 GHz 附近波導水平放置條件下衰減峰值小于豎直放置，但波導豎直放置時的整體衰減程度明顯更大。因此，確定后續仿真中，波導的放置方式為豎直放置。

圖4 不同放置方式下的掃頻結果

3.2 提離距離的影響

因采用非接觸式檢測，在波導探頭和混凝土表面之間存在空氣層，因此，檢測時需保持波導探頭與混凝土表面的距離不變。當提離距離太小時，會造成電磁波的多次折反射，影響檢測效果；而當提離距離過大時，電磁波的能量會發生較大的衰減，從而影響檢測結果的準確性［8］，且不同頻率的微波存在不同程度的衰減，考慮其對檢測效果可能造成的影響，有必要就提離距離的影響進行分析。

在鋼筋中心位置設置腐蝕深度為3 mm和腐蝕長度為20 mm的缺陷，假設提離距離在1～20 mm均勻變化，設置20 組進行仿真對比分析。經仿真計算發現：當提離距離為1～7 mm 和13～20 mm時，腐蝕前后S11幅值的變化遠小于8～12 mm，因此，此處僅分析提離距離為8～12 mm的結果。不同提離距離下腐蝕前后的S11幅值與頻率的關系如圖5所示。

圖5 不同提離距離的S11幅值

由圖5 可知，腐蝕前后S11曲線的形狀基本一致，均存在多個諧振頻率。對圖5 中腐蝕前后S11幅值的最大值和最小值進行統計，具體如表1 所示。當提離距離在9～12 mm范圍內時，腐蝕前后S11幅值的最大值與最小值幾乎保持穩定，變化較小；而當提離距離為8 mm時，雖然腐蝕前后最大值同樣變化較小，但最小值由原來的-42 dB 減小至-66.96 dB，差異明顯。為直觀獲得不同提離距離下腐蝕前后S11幅值差ΔS11與頻率的對應關系，將腐蝕前后的S11幅值作差，得到ΔS11的結果，如圖6所示。

表1 S11幅值最大、最小值統計

圖6 ΔS11隨頻率的變化

由圖6可知，不同提離距離下ΔS11隨頻率的變化規律相似，在部分頻率附近呈脈沖變化，幅值較大。特別當提離距離為8 mm時，在5.332 GHz附近ΔS11遠大于其他頻率，約為35.89 dB。說明當提離距離為8 mm時，對腐蝕缺陷的檢測效果較好，因此，后續仿真中波導的提離距離確定為8 mm。

3.3 工作頻率的影響

為了分析波導工作頻率對檢測效果的影響，對圖3所示模型進行固定位置的掃頻，設置鋼筋腐蝕深度為3 mm，腐蝕長度分別為20 mm、60 mm和100 mm，得到如圖7 所示S11隨頻率的變化情況。由圖7可知，不同腐蝕長度下，S11存在2個主要的諧振頻點，分別為5.295 GHz 和5.533 GHz，且在5.295 GHz附近時衰減程度最大。圖8為腐蝕長度為20 mm、腐蝕深度為3 mm 和6 mm 的檢測結果。由圖8可知：當腐蝕長度相同、腐蝕深度不同時，同樣在5.295 GHz附近存在明顯的衰減；腐蝕深度為3 mm 和6 mm 時，S11的幅值差異達到12.11 dB，遠大于5.533 GHz 處的5.28 dB。因此，確定微波的工作頻率為5.295 GHz。同時可以發現，在3.94～5.99 GHz 的頻率范圍內，不同腐蝕程度下S11曲線的幅值差異明顯，說明微波可實現鋼筋腐蝕程度的檢測。

圖7 不同腐蝕長度下微波工作頻率的影響

圖8 不同腐蝕深度下微波工作頻率的影響

3.4 腐蝕長度的檢測效果

當微波工作頻率和提離距離分別為5.295 GHz和8 mm時，研究波導移動掃描條件下對鋼筋不同腐蝕長度的檢測效果。波導水平移動掃描和檢測結果分別如圖9、圖10 所示。由圖10 可知，在模型邊緣附近S11幅值波動較大，這主要是由于微波的散射特性造成的，且不同腐蝕長度下S11曲線幾乎重合；但在腐蝕區域附近存在較大的差異，特別是在鋼筋中間位置，腐蝕前后S11存在明顯不同，且隨著腐蝕長度的增加，變化區域有所擴大，說明通過微波反射系數的變化能有效鑒別鋼筋腐蝕情況。進一步分析發現：腐蝕長度為20 cm 時，腐蝕部位的S11幅值衰減最為明顯，變化幅度遠大于其他腐蝕長度，這主要與微波工作頻率是根據腐蝕缺陷尺寸20 mm 進行選取的有關，因此，腐蝕長度為20 mm時的檢測效果最好。

圖9 移動掃描示意圖

圖10 移動掃描條件下不同腐蝕長度檢測結果

對不同腐蝕長度下S11曲線腐蝕中間位置附近3 個典型波峰的幅值進行統計，具體如表2 所示。由表2可知，腐蝕長度越長，整體峰值越大，說明鋼筋腐蝕后會使腐蝕部位的S11峰值增大。進一步計算S11曲線與坐標軸圍成的面積（包絡面積），得到腐蝕長度為0、20 mm、60 mm 和100 mm 時，面積分別為10 572、10 480、10 140 和9 943。可見，鋼筋腐蝕后S11與坐標軸圍成的面積比腐蝕前明顯減小，且腐蝕長度越長，減小程度越大。因此，S11幅值和包絡面積的變化均可反映腐蝕情況。

表2 S11的峰值

3.5 腐蝕深度的檢測效果

波導移動條件下不同腐蝕深度的檢測結果如圖11 所示。由圖11 可知，腐蝕鋼筋的S11曲線除了在腐蝕區域附近外，其余區域與未腐蝕鋼筋的S11曲線基本重合；腐蝕部位的S11幅值增大，中間出現明顯衰減，且與未腐蝕鋼筋混凝土結構相比存在明顯的差異。同樣，計算S11曲線與坐標圍成的面積，未腐蝕、3 mm 和6 mm 腐蝕深度對應的包絡面積分別為10 572、10 480 和10 443，可見，隨著腐蝕深度的增加，包絡面積逐漸減小。因此，通過腐蝕位置S11的幅值與包絡面積可一定程度表征鋼筋的腐蝕深度。

圖11 移動掃描條件下不同腐蝕深度檢測結果

4 結論

本文針對輸變電鋼筋混凝土結構腐蝕檢測問題，提出了微波腐蝕無損檢測方法，確定了最優檢測參數。經過理論分析和仿真驗證了基于微波反射法的鋼筋混凝土腐蝕檢測的可行性，并得到如下結論：

1）波導豎直放置的檢測效果優于水平放置，采用R48 型波導進行反射法腐蝕檢測時，提離距離為8 mm時反射系數的衰減程度最大，對腐蝕缺陷檢測效果最佳。

2）通過計算分析反射系數幅值的變化以及與坐標圍成的包絡面積可有效反應鋼筋的腐蝕程度。