沖擊回波波動能量法在某水電站鋼管脫空缺陷檢測中的應用

李平宏，常興兵，沈建民， 李 洪

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司工程實驗檢測分院,西安 710043;2.中國電力工程顧問集團中南電力設計院,武漢 430070)

文章編號：1006—2610(2015)04—0031—04

沖擊回波波動能量法在某水電站鋼管脫空缺陷檢測中的應用

李平宏1，常興兵1，沈建民2， 李 洪1

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司工程實驗檢測分院,西安 710043;2.中國電力工程顧問集團中南電力設計院,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信號時域及頻域進行分析，評價鋼管與混凝土的脫空缺陷。由于壓力鋼管較薄，信號識別與分析較為困難，影響該方法的應用。文章介紹了采用檢測沖擊回波波動能量的方法進行鋼管缺陷評價的原理、方法及應用實例，彌補了沖擊回波法采用時域及頻域信號進行缺陷判定方法中的不足。

沖擊回波;鋼管;波動能量;脫空缺陷

0 前 言

沖擊回波法是基于瞬態(tài)應力波的反射原理，也稱脈沖回波法。沖擊回波波動是利用瞬時的機械沖擊(用一個小鋼球或小錘輕敲)產(chǎn)生低頻應力波，被導入到混凝土結構內部的低頻應力波會被缺陷或構件的界面反射回來。應力波在由構件和內部缺陷所構成的多重界面之間來回反射就能引起結構的瞬態(tài)共振，通過分析沖擊回波信號的時域和頻域信號，確定混凝土內部缺陷的深度和混凝土構件的厚度。沖擊回波法的檢測結果能反映測點處混凝土內部的質量情況，并且該方法只需單面檢測，測試過程簡便、快捷，克服了超聲波法兩面布設傳感器的弱點。行業(yè)內普遍認為，沖擊回波法是“非常有發(fā)展前途的現(xiàn)場檢測方法之一”。

以往對沖擊回波法的研究與應用主要是通過分析沖擊回波中時域內的反射信號，結合信號頻率分析進行混凝土板厚度、裂縫等方面的判定。然而對于鋼管混凝土襯砌的結構特點，高壓管道的鋼板一般較薄，厚度在20～60 mm之間，沖擊回波信號難以有效識別，無法用沖擊回波的時域和頻域分析判斷鋼管的脫空缺陷，使該方法的應用受到了一定的限制。

目前，通過沖擊回波法的波動能量計算與分析，可以快速判定鋼管混凝土的脫空缺陷，為沖擊回波法的應用開辟了一條新的途徑。本文通過應用實例，說明波動能量分析法在水電工程鋼管脫空缺陷檢測中的應用效果。

1 檢測基本原理

鋼管表面在沖擊作用下激發(fā)的應力波，一部分應力波將沿鋼管表面擴散傳播，另一部分將穿透鋼板向混凝土內部傳播。由于鋼管與空氣(或水)的波阻抗差遠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，應力波將產(chǎn)生不同強度的反射波，使鋼管表面的質點振動能量有所改變，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重程度。

鋼管表面在沖擊作用下將產(chǎn)生多次諧振波信號，對于單一頻率的平面諧波，鋼管表面激振點附近的質點振動速度為：

(1)

式中：v為質點振動速度；A為質點位移峰值；ω為角頻率；t為信號采樣時間；x為接收點與振源的距離；u為應力波傳播速度。

單一頻率諧波單位體積的動能為：

(2)

式中：ρ為介質密度。

單一頻率諧波在T時間內通過單位體積的總動能為：

(3)

假定接收點的直達波能量為E1，反射波能量為E2，則該點波動總能量為：

E=E1+E2

(4)

對于相同結構的鋼管混凝土管，在相同的激發(fā)能量和激發(fā)條件下，距激發(fā)點相同距離的各接收點的直達波能量應基本一致。由式(4)可知，接收點波動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，因此通過檢測鋼管的沖擊回波波動能量可以判定鋼管的脫空缺陷情況。

2 資料整理與分析

對鋼管沖擊回波檢測資料進行整理分析。

(1) 將測線上全部各測點的沖擊回波波形逐點按順序排列，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) 計算各測點的沖擊回波能量，計算公式見式(3)，本過程采用專業(yè)軟件完成。

(3) 確定基準測段的波動能量平均值、均方差與臨界值。

波動能量平均值：

(5)

均方差：

(6)

脫空異常臨界值：

(7)

脫空缺陷指標：

(8)

(4) 繪制波動能量曲線圖。

(5) 根據(jù)脫空缺陷指標，結合沖擊回波波列圖綜合判定脫空缺陷及嚴重程度。依據(jù)極限誤差理論，波動能量臨界值為各基準測區(qū)所有測點波動能量的平均值加3倍均方差。將各測點的波動能量與波動能量臨界值相比較，根據(jù)比較結果判定鋼管是否存在脫空缺陷及其脫空程度。評判標準見表1。

表1 鋼管沖擊回波檢測脫空缺陷定性評判標準表

3 應用實例

某大型引水式水電站廠區(qū)樞紐工程主要由上游調壓室、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，高壓管道采用單機單管布置方式。壓力鋼管段斷面為圓形，內徑為6.50m，混凝土襯砌回填厚度為0.60～1.05m，與機組蝸殼延伸段相接。其中，8條鋼管等長布置，長度為118m。

按照一般施工經(jīng)驗，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，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行脫空缺陷檢測，以確保施工質量。針對沖擊回波法在本水電工程的2號高壓管道中的應用效果進行一些探討。

3.1 工作布置

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

圖1 高壓管道下平段鋼管混凝土沖擊回波檢測工作布置示意圖 單位：mm

3.2 外業(yè)檢測

沿每條測線，在鋼管表面布置激發(fā)點與接收點，現(xiàn)場檢測采用單發(fā)單收的共偏移觀測方式進行逐點檢測，檢測偏移距與測點間距相同，取0.2m。每完成一個測點的信號采集后，同步移動激發(fā)點與接收點，進行下一個測點的檢測，直至完成整條測線的測試工作?，F(xiàn)場檢測方法見圖2所示。

圖2 鋼管沖擊回波法檢測工作示意圖

在正式檢測前，必須選擇接觸灌漿質量好、鋼管與混凝土接觸緊密的區(qū)域作為基準測試區(qū)，通過基準測試區(qū)確定脫空缺陷臨界值。本次檢測確定的試驗基準測區(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?；鶞试囼瀰^(qū)沖擊回波檢測典型波列見圖3所示。

圖3 基準試驗區(qū)沖擊回波檢測典型波列圖

3.3 檢測成果

3.3.1 波列圖

將各條測線上所有測點的沖擊回波波形逐點按順序排列，形成波列圖。圖4為2號高壓管道下平段右拱腳測線(169.6～161.0m)沖擊回波檢測典型波列圖，從圖中看出，圓圈區(qū)域內的波幅與基準區(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號高壓管道下平段右拱腳測線沖擊回波檢測典型波列圖

3.3.2 波動能量曲線

采用專業(yè)軟件，對測線上的每個檢測點計算波動能量，并將左拱腳、底板、右拱腳3條測線上各測點的能量繪成波動能量變化曲線圖。圖5為2號高壓管道管(2)0+160m～0+170m段鋼管混凝土沖擊回波檢測波動能量變化曲線圖。

圖5管(2)0+170 m～0+160 m沖擊回波波動能量變化曲線圖

圖5中，橫向虛直線為通過基準試驗區(qū)測試取得的波動能量臨界值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，對于大于波動能量臨界值的測點，可以確定鋼管脫空缺陷的位置，結合表1脫空缺陷定性評判標準，可以判斷出其脫空的嚴重程度。

對比圖4與圖5中的結果，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中的波動能量變化非常統(tǒng)一，脫空異常較為明顯。經(jīng)了解，當時此處回填，但未進行接觸灌漿。

特別指出，圖5中，在每個焊縫處，3條測線的波動能量均超出了臨界值Er，即δ>1。此為鋼管焊縫引起的直達波能量突然增大，而非脫空缺陷，在資料解釋時應預以區(qū)分。

3.3.3 脫空缺陷統(tǒng)計

根據(jù)測線上各點的波動能量，按表1的脫空缺陷評判標準，2號高壓管道3條測線上所檢測出的缺陷位置見表2所示。

(1) 左拱腳測線有9處脫空缺陷，其中較嚴重脫空缺陷1處。

(2) 管底測線脫空缺陷為最多，為15處，其中較嚴重脫空缺陷3處。

(3) 右拱腳測線有7處脫空缺陷,其中較嚴重脫空缺陷1處。

表2 2號高壓管道沖擊回波檢測脫空缺陷位置統(tǒng)計表

3.4 檢測成果驗證

2號高壓管道共檢測出脫空缺陷31處，其中絕大多數(shù)脫空長度20～60cm，個別測點處長度達到100cm以上，由于對檢測工作量有約定，對測線上脫空缺陷區(qū)的寬度未進行進一步檢測。

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

4 改進方向

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

(1) 建造實驗模型及不同大小、形狀的脫空缺陷，對本方法檢測的各個環(huán)節(jié)進行更深入研究；

(2) 對模型中的缺陷進行不同介質的充填(空氣、水、泥漿等)，并進行波動能量檢測，通過實驗建立能量與缺陷介質、規(guī)模的相關關系曲線，使該方法從定性向定量方向發(fā)展。

(3) 結合實際施工工程，通過實驗在檢測之初建立相關關系，提供更有參考價值的檢測資料。

5 結 語

利用檢測沖擊回波波動能量的方法進行鋼管脫空缺陷檢查，克服了檢測信號中時域內難以識別有效信號的缺點，具有無損、簡便、快速的特點。為了不破壞鋼管的整體結構，本次檢測結果雖然未經(jīng)系統(tǒng)性驗證，但本方法檢測結果中，管底沿線的脫空比兩側拱腳處的脫空嚴重，符合工程施工的一般規(guī)律，其檢測的優(yōu)點是顯而易見的。由于該檢測方法尚在初步應用階段，對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，高級工程師，從事工程物探檢測與測試工作.

TV698.15；TG115.28

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.008