輸電鐵塔地腳螺栓腐蝕超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)研究

馬君鵬，王永強，岳賢強，李鴻澤，劉敘筆，李羽可

(1. 江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102； 2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210008；3. 武漢中科創(chuàng)新技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

輸電線路因鐵塔地腳螺栓錨桿斷裂而引起的電力系統(tǒng)事故時有發(fā)生，常常帶來巨大的經(jīng)濟損失。由于在役輸電線路鐵塔地腳螺栓深埋于混凝土基座里，如因混凝土開裂浸水導(dǎo)致地腳螺栓發(fā)生腐蝕，且腐蝕嚴(yán)重狀況無法及時發(fā)現(xiàn)，會導(dǎo)致腐蝕程度不斷加劇進而引發(fā)斷裂風(fēng)險。據(jù)資料顯示地腳螺栓腐蝕損傷無法及時發(fā)現(xiàn)往往是地腳螺栓錨桿斷裂進而引發(fā)事故的主要原因[1-2]。同時，地腳螺栓腐蝕缺陷具有很強的隱蔽性，常規(guī)檢測方法需要通過開挖進行，成本高、效率低。因此，研究在役輸電線路鐵塔地腳螺栓在不開挖情況下腐蝕狀態(tài)檢測評估技術(shù)十分必要，能夠確保及早發(fā)現(xiàn)地腳螺栓腐蝕缺陷、評估危害程度、采取相應(yīng)防護措施，避免輸電線路事故發(fā)生，減少停電時間和開挖維修造成的損失，具有重要的經(jīng)濟價值和社會意義[3]。

目前對錨固體系的無損檢測研究大多限于聲頻應(yīng)力波法，還處于探索階段，所得測試波形雜亂，難以識別判斷。而利用超聲導(dǎo)波技術(shù)對錨桿進行檢測則成為了近年來一個新的研究方向[4]。國外，NA W B和KUNDU T利用彎曲柱面導(dǎo)波評估混凝土鋼筋界面脫粘情況[5]。BEARD M D 等應(yīng)用超聲導(dǎo)波方法對礦山錨桿的完整性無損檢測進行了初步的試驗與理論研究，并取得了一定的進展，驗證了利用超聲導(dǎo)波對錨桿檢測的可能性，但僅限于實驗室研究階段[6]。VIENS M研究了扭轉(zhuǎn)模態(tài)在無限大介質(zhì)中桿的傳播特性并進行了理論分析，但沒有進行試驗驗證[7]。國內(nèi)，何存富等研究了低頻導(dǎo)波在埋地錨桿中的傳播特性，而應(yīng)用高頻縱向軸對稱超聲導(dǎo)波對埋于無限大介質(zhì)中桿的傳播特性研究還鮮見報道[8]。吳斌等對低頻的L(0,1)模態(tài)在鋼桿中的傳播特性進行了研究，而對于埋入介質(zhì)中的桿結(jié)構(gòu)，由于超聲導(dǎo)波在其中的頻散特性較為復(fù)雜，且結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波的衰減較大，很難獲得有效的信號，因而一直是研究的難點[9]。

相控陣作為無損檢測的熱門技術(shù)，可用于原材料、焊接接頭、連桿、螺栓等工件的快速檢測[10]，本文基于超聲導(dǎo)波理論及相控陣延時聚焦技術(shù)，實現(xiàn)了在役地腳螺栓相控陣超聲導(dǎo)波檢測。

1 檢測原理

超聲波在鋼桿中實際上是以導(dǎo)波的形式傳播，即超聲柱面導(dǎo)波(cylindrically guided wave technique, CGWT)。鋼桿作為波導(dǎo)介質(zhì)在傳播超聲導(dǎo)波時，回波信號中包含傳播過程中的全部信息，因此可利用導(dǎo)波的這種特性來進行地腳螺栓的腐蝕檢測。

超聲波在板、桿及空心圓柱殼等波導(dǎo)中傳播時，由于受其邊界的作用來回反射形成導(dǎo)波。要在介質(zhì)中形成導(dǎo)波，要求介質(zhì)某一方向尺寸很小，如桿的直徑、板的板厚、管的壁厚等。導(dǎo)波在地腳螺栓中傳播時無聲波能量泄漏，因此鋼桿導(dǎo)波的群速度與能量速度相等?？梢愿鶕?jù)缺陷回波的時間對其進行定位。本文將地腳螺栓近似為鋼桿，在此基礎(chǔ)上進行其腐蝕損傷的導(dǎo)波檢測研究。

2 鋼桿中的超聲柱面導(dǎo)波的頻散特性

桿狀波導(dǎo)中傳播的超聲波具有多模態(tài)和頻散特征。通過求解頻率方程可以得到導(dǎo)波各個模態(tài)的相速度和群速度，相速度曲線和群速度曲線見圖1和圖2。

圖1 相速度曲線

圖2 群速度曲線

圖1中給出了超聲導(dǎo)波縱向軸對稱模態(tài)分布，曲線圖表明當(dāng)頻率較高時模態(tài)分布較復(fù)雜，每個頻率都對應(yīng)多個模態(tài)，各個模態(tài)均有各自的截止頻率。圖2表明各模態(tài)均存在衰減極小值，低頻模態(tài)有較大衰減，高階模態(tài)對應(yīng)某些特定頻率時衰減較小，這些特定頻率可以作為選擇檢測頻率的依據(jù)。衰減極小值對應(yīng)的頻率呈等間距分布規(guī)律。

對比圖1和圖2發(fā)現(xiàn)二者有很好的對應(yīng)關(guān)系，相速度模態(tài)最快的區(qū)域?qū)?yīng)著群速度模態(tài)衰減值極小區(qū)域。由于這個模態(tài)速度最快，因此易區(qū)分于其他模態(tài)，該模態(tài)可用于缺陷檢測。

頻散曲線反映出在地腳螺栓中存在多個高階縱向軸對稱模態(tài)，且存在著具有軸向位移集中在桿體內(nèi)部、衰減值達到最小的某一特定頻率，該頻率對應(yīng)的模態(tài)可以傳播很遠的距離，因此，檢測地腳螺栓時可以選用衰減極小值頻率對應(yīng)的模態(tài)來進行。

3 地腳螺栓檢測試驗與分析

基于超聲波檢測基礎(chǔ)以及相控陣延時聚焦技術(shù)，針對地腳螺栓中不同位置的缺陷進行試驗，為實現(xiàn)在役地腳螺栓相控陣超聲導(dǎo)波檢測提供實驗基礎(chǔ)。

3.1 模擬試樣制備

為了確定地腳螺栓缺陷檢測靈敏度及缺陷定量定位，本實驗根據(jù)螺栓規(guī)格、型號以及材質(zhì)，制備地腳螺栓模擬試樣，具體尺寸以及缺陷尺寸如圖3(a)所示，本實驗使用混凝土將地腳螺栓包裹，模擬地腳螺栓在地下被混凝土固定包裹的現(xiàn)場檢測條件，地腳螺栓規(guī)格為M42×1 500 mm，人工模擬腐蝕缺陷試樣如圖3(b)所示。不同深度缺陷對應(yīng)的地腳螺栓腐蝕缺失率見表1，分別選取缺陷深度為4 mm、5 mm、7 mm對應(yīng)腐蝕缺失率為4.84%、6.72%、10.96%的人工模擬腐蝕缺陷加工制備模擬試樣，缺陷距離檢測端面距離L分別為500 mm、800 mm、1 200 mm。

圖3 螺栓模擬試樣圖

表1 M42 mm地腳螺栓不同深度缺陷腐蝕缺失率

3.2 試驗設(shè)備

試驗所用的檢測系統(tǒng)為定向研發(fā)的“輸電線路鐵塔地腳螺栓檢測儀”，如圖4所示。輸電線路鐵塔地腳螺栓腐蝕專用相控陣檢測儀具有如下特點：

1) 對16/64一維圓形平面線陣探頭實行循環(huán)線掃描，無需轉(zhuǎn)動和移動探頭；

2) 適用于M20 mm～M100 mm地腳螺栓全規(guī)格尺寸范圍；

3) 具備螺栓實體模型CAD導(dǎo)入仿真功能、工件結(jié)構(gòu)模擬功能，缺陷檢測結(jié)果直接在B掃描圖像上進行，缺陷顯示直觀；

4) 可實現(xiàn)全程動態(tài)聚焦，將探頭放置于螺栓外露端面后可在短時間內(nèi)完成地腳螺栓整體檢測，檢測效率高；

5) 開放式軟件環(huán)境，可實現(xiàn)專用軟件的開發(fā)和植入；

6) 流程化操作模式，易學(xué)易用。

圖4 檢測儀器

3.3 專用檢測探頭設(shè)計

針對輸電線路鐵塔地腳螺栓這一特定檢測對象，綜合現(xiàn)場大量螺栓檢測效率需求和檢測可靠性需求，選用一維圓形平面線陣形式設(shè)計制作專用檢測探頭，如圖5所示。

圖5 一維圓形平面線陣列傳感器

專用探頭具有如下特點：

1) 探頭采用一維圓形平面線陣設(shè)計，能夠更好適用于螺栓、棒材等圓柱狀試件檢測；

2) 探頭采用多陣元設(shè)計，例如32、64陣元等，能夠較好配合相控陣設(shè)備電子掃描技術(shù)提高檢測效率和覆蓋率，并可根據(jù)需求定制不同尺寸及陣元數(shù)，以便適用于地腳螺栓全規(guī)格尺寸范圍的檢測需求；

3) 探頭設(shè)計有中心通孔，能夠加裝定位銷裝置，確保探頭與螺栓端面耦合良好；

4) 探頭外殼設(shè)計有螺紋，可加裝耐磨裝置，避免探頭直接和試件接觸，延長探頭使用壽命；

5) 探頭采用電纜線在側(cè)向引出設(shè)計，符合人體工程學(xué)原理，方便手持探頭實施檢測。

設(shè)計制作的系列地腳螺栓專用檢測探頭參數(shù)見表2。

表2 檢測所用傳感器參數(shù)

3.4 試驗與分析

1) 混凝土包覆的影響

采用2.25 MHz、3.5 MHz及5 MHz 3種不同頻率的探頭分別對M46×1 600 mm地腳螺栓模擬試樣距離端頭500 mm處深6 mm的模擬腐蝕缺陷于混凝土包覆前后進行檢測，固定掃查增益為37dB，檢測結(jié)果見表3。上述檢測結(jié)果中，草狀波波高約為18%，2.25 MHz探頭混凝土包覆后檢測結(jié)果如圖6所示，圖中圓圈分別標(biāo)識出了缺陷信號在B掃圖像、三維立體模型中的成像結(jié)果及A掃描波形。由表3數(shù)據(jù)分析，包裹混凝土前后相同檢測系統(tǒng)缺陷回波幅度僅相差約1 dB，因此是否包裹混凝土對地腳螺栓腐蝕缺陷檢出效果沒有明顯影響，均可獲得較好信噪比的檢測結(jié)果，驗證了該方法的有效性。

表3 不同頻率探頭混凝土包覆前后的檢測結(jié)果

圖6 2.25 MHz頻率下混凝土包覆地腳螺栓的 缺陷檢測結(jié)果

2) 探頭頻率的影響

針對上述試驗結(jié)果，由表3數(shù)據(jù)分析可知，對于相同反射距離的相同截面積缺失率腐蝕缺陷，較高頻率探頭的檢測波高會略大于較低頻率探頭的檢測波高，因此在保證檢測能量的前提下建議采用較高頻率的探頭進行檢測以便獲得更好的回波信號。

3) 定位誤差

針對上述試驗結(jié)果，由表3數(shù)據(jù)可以看出，采用不同頻率的探頭檢測對缺陷的定位均會存在一定誤差，該誤差的產(chǎn)生是由于導(dǎo)波本身的多模態(tài)傳播特性造成的，因地腳螺栓腐蝕檢測最關(guān)心的是腐蝕缺陷的截面積缺失率，一定程度的定位誤差對于檢測來講是可接受的。

4)靈敏度確定

對于深度分別為4 mm、5 mm、7 mm的不同腐蝕缺失率的模擬缺陷進行檢測，將系列檢測數(shù)據(jù)通過線性擬合公式(y=ax+b)進行擬合后得到增益值隨距離遠近的變化曲線，如圖7所示。這些曲線可以近似描述缺陷位置、回波增益和缺陷當(dāng)量尺寸之間的關(guān)系，可以依此建立地腳螺栓的腐蝕損傷評價體系。

圖7 M42 mm螺栓增益值隨著距離變化曲線圖

由圖7可以看出每個不同腐蝕缺失率模擬缺陷的距離增益曲線均可近似看成是線性的。在此基礎(chǔ)上，可通過在地腳螺栓模擬試樣上所需檢測最遠處設(shè)置最小允許缺陷，調(diào)整儀器增益使該缺陷回波高度處于80%，并以此增益作為檢測靈敏度。在實際檢測中，以該方法設(shè)置檢測靈敏度對未知缺陷進行檢測時，可檢測出整根地腳螺栓上大于最小允許缺陷當(dāng)量的缺陷，并根據(jù)上述距離增益曲線得到相應(yīng)腐蝕缺陷當(dāng)量，進而估算腐蝕缺失率。

4 結(jié)語

本文從理論上分析了柱面超聲導(dǎo)波的頻散特性，制作了不同深度缺陷的地腳螺栓模擬試樣，采用相控陣超聲柱面導(dǎo)波技術(shù)對模擬試樣進行檢測，分析了混凝土包覆和探頭頻率對檢測結(jié)果的影響，并建立地腳螺栓的腐蝕損傷評價體系，得出以下結(jié)論：

1) 可以選用衰減極小值頻率對應(yīng)的導(dǎo)波模態(tài)來檢測地腳螺栓。

2) 混凝土包裹對地腳螺栓檢測效果沒有明顯影響，表明該檢測方法可適用于埋地地腳螺栓不開挖條件下的現(xiàn)場檢測。

3) 實際檢測中，可根據(jù)距離-增益變化曲線確定缺陷當(dāng)量，用于評估地腳螺栓腐蝕損傷量。

相控陣超聲柱面導(dǎo)波技術(shù)檢測螺栓具有操作簡單、結(jié)果直觀、可重復(fù)性好、現(xiàn)場檢測人員要求低等優(yōu)點，該技術(shù)還可應(yīng)用于其他行業(yè)類似螺栓的檢測。