探析超聲法在水利工程質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

蔣網(wǎng)所

(南京瑞迪建設(shè)科技有限公司，江蘇 南京 210000)

超聲波脈沖測(cè)量技術(shù)是近年來(lái)應(yīng)用廣泛的一種無(wú)傷、快速測(cè)量技術(shù)，在工程測(cè)量領(lǐng)域取得了較好的效果。為保證超聲測(cè)量的測(cè)量精度，需對(duì)超聲波脈沖測(cè)量技術(shù)的原理及主要影響因素進(jìn)行分析，并不斷改善和提升測(cè)量技術(shù)和工藝。近年來(lái)，我國(guó)水利工程建設(shè)規(guī)模居世界前列，大型水利工程帶來(lái)了明顯的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，在水利工程質(zhì)量檢測(cè)中使用超聲波技術(shù)已經(jīng)形成了較為成熟的模式和工作方法，是水利工程質(zhì)量檢測(cè)中的常用手段之一。

1 超聲法檢測(cè)原理

超聲波檢測(cè)中，當(dāng)超聲波在混凝土中遇到缺陷現(xiàn)象，會(huì)通過(guò)反射以及折射的方法導(dǎo)致傳播的波形發(fā)生轉(zhuǎn)變，通過(guò)這一原理的運(yùn)用，可以檢測(cè)出水利工程中混凝土澆筑質(zhì)量和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性等數(shù)據(jù)。在水利工程中使用超聲波進(jìn)行檢測(cè)，超聲波可以在不同混凝土強(qiáng)度和彈性模量特性的基礎(chǔ)上，建立特定的聲波傳播通道，對(duì)混凝土強(qiáng)度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估。通常情況下，在內(nèi)部存在缺陷的混凝土中，超聲波的傳播速度會(huì)出現(xiàn)明顯的下降。使用超聲波探測(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)隔空透視和無(wú)損探傷，為諸多行業(yè)的發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐。但是也應(yīng)注意到，在超聲波范圍內(nèi)，不同聲波頻率內(nèi)聲波能量和特性存在一定差異，在使用過(guò)程中應(yīng)格外注意。

2 超聲波在水利工程質(zhì)量檢測(cè)中應(yīng)用的影響因素

2.1 設(shè)備影響分析

在水利工程質(zhì)量檢測(cè)中使用超聲波技術(shù)，所用設(shè)備的質(zhì)量和精確度是其中主要的影響因素之一。一般情況下，超聲波檢測(cè)設(shè)備對(duì)于質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果的影響表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。(1)超聲波聲速差異。使用超聲波儀器對(duì)水利工程進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，被檢測(cè)部分與檢測(cè)探頭處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在檢測(cè)過(guò)程中，需要同時(shí)滿足超聲波垂直攝入待檢測(cè)區(qū)域和混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)保持足夠聲波覆蓋兩個(gè)條件?？刂坡暡ㄉ淙氲慕嵌缺阌趦?nèi)部缺陷的檢測(cè)和判斷，提升檢測(cè)的效率和準(zhǔn)確性；控制掃描的速度能夠保證不遺漏缺陷點(diǎn)。(2)在超聲波頻率范圍的確定中，應(yīng)以不錯(cuò)過(guò)最小缺陷為目標(biāo)，并盡可能選擇具有較高發(fā)射功率和頻率的探頭，以提升超聲波檢測(cè)的工作效率要求。

2.2 耦合因素分析

在水利工程質(zhì)量檢測(cè)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到表面不規(guī)則的情況，容易導(dǎo)致探頭和檢測(cè)物體之間不貼合的問(wèn)題，該問(wèn)題不能有效解決，將影響質(zhì)量檢測(cè)的整體效率。為此，現(xiàn)場(chǎng)工作人員常使用耦合劑填充于探頭和待檢測(cè)物體之間，提升兩者之間的耦合性和檢測(cè)的整體性。在水利工程檢測(cè)中，使用的耦合劑材料較多，常用的包括合成機(jī)油、水玻璃和甘油等。應(yīng)該注意到，使用耦合劑的厚度越低，則對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響越小，檢測(cè)的準(zhǔn)確度越高。同時(shí)，需要對(duì)待檢測(cè)水利工程表面進(jìn)行拋光處理，避免聲波在傳播中遇到突出部分帶來(lái)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾。

2.3 環(huán)境因素分析

環(huán)境因素對(duì)于超聲波法檢測(cè)水利工程質(zhì)量的影響主要表現(xiàn)在溫度方面。檢測(cè)過(guò)程的溫度過(guò)高或者過(guò)低，都會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響。嚴(yán)重情況時(shí)，溫度會(huì)導(dǎo)致水利工程內(nèi)部產(chǎn)生物理變化甚至化學(xué)變化，最終導(dǎo)致超聲波法無(wú)法使用。

2.4 人為因素分析

在超聲波法檢測(cè)水利工程質(zhì)量的過(guò)程中，分析人員對(duì)得到波形的研究會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生重要影響，一般情況下，人為因素在總體影響因素中占比接近50%。分析人員的專業(yè)技能可以通過(guò)培訓(xùn)和經(jīng)驗(yàn)累積提升，這就要求檢測(cè)單位建設(shè)相對(duì)完備的人才培養(yǎng)和培訓(xùn)體系，不斷提升檢測(cè)人員和分析人員的專業(yè)技能。

3 超聲法在水利工程質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

3.1 在水利工程金屬部件檢測(cè)中的應(yīng)用

超聲波檢測(cè)設(shè)備體積小，便于攜帶，對(duì)人體無(wú)傷，同時(shí)檢測(cè)較率高，是水利工程金屬部件質(zhì)量檢測(cè)中的常用設(shè)備。金屬設(shè)備的差異性較大，同時(shí)焊縫較多，如不能準(zhǔn)確判斷結(jié)構(gòu)質(zhì)量及焊接質(zhì)量，會(huì)影響金屬結(jié)構(gòu)的整體性能，導(dǎo)致水利工程質(zhì)量問(wèn)題。在金屬部件檢測(cè)中使用超聲波法，應(yīng)具體分析金屬材質(zhì)、焊縫規(guī)模、材料的阻抗性能、金屬材質(zhì)厚度、金屬部件空間結(jié)構(gòu)等信息，選用頻率、幅值、聲速的最佳搭配，同時(shí)優(yōu)選換能器種類，提升聲波檢測(cè)的質(zhì)量。

水利工程中建設(shè)了較多的水閘、泵站、水電站等工程，使用的金屬結(jié)構(gòu)較多，考慮到材質(zhì)的耐久性，多使用鋼質(zhì)材料。在長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中，必然受到周圍環(huán)境的腐蝕，導(dǎo)致鋼材厚度降低，整體強(qiáng)度下降。超聲波檢測(cè)技術(shù)能夠快速、無(wú)損的對(duì)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行鋼材厚度、焊縫探傷的測(cè)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)金屬構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)。

3.2 在水利工程混凝土檢測(cè)中的應(yīng)用

結(jié)合水利工程混凝土的特點(diǎn)，超聲波法在水利工程混凝土質(zhì)量檢測(cè)中取得了非常廣泛的應(yīng)用。對(duì)于混凝土深部裂縫的探測(cè)可使用斜測(cè)法，能夠得到裂縫展布范圍及長(zhǎng)度信息。如使用鉆孔法進(jìn)行裂縫的探測(cè)，應(yīng)在混凝土裂縫周圍等間距布置三個(gè)小孔，小孔的尺寸與換能器的大小相匹配，同時(shí)在孔內(nèi)加入混凝土和換能器的耦合劑，將探頭深入孔內(nèi)進(jìn)行探測(cè)。

值得注意的是，使用斜測(cè)法測(cè)量混凝土質(zhì)量，由于裂縫中經(jīng)常存在一些砂礫和碎屑，超聲波測(cè)量過(guò)程中發(fā)出的測(cè)量聲波中的一部分可能會(huì)穿過(guò)含砂礫的裂縫，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)；同時(shí)，沒(méi)有穿過(guò)裂縫的聲波直接到達(dá)接收器，會(huì)造成裂縫定位的誤差。針對(duì)這種情況，建議使用雙面斜側(cè)法，雙面斜測(cè)法能夠?qū)崿F(xiàn)混凝土裂縫的平面斜測(cè)，得到的檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確，快速。

綜合來(lái)看，超聲波檢測(cè)的穿透性較強(qiáng)，操作簡(jiǎn)便，能夠快速實(shí)現(xiàn)混凝土無(wú)損探測(cè)，在水利工程混凝土質(zhì)量檢測(cè)中國(guó)應(yīng)用較多，但是該種技術(shù)在使用過(guò)程中應(yīng)結(jié)合具體工況確定探測(cè)參數(shù)，保證質(zhì)量檢測(cè)的精度。

3.3 在流速、流量檢測(cè)中的應(yīng)用

超聲波檢測(cè)還可用于水利工程中排灌站、水電站和泵站等設(shè)備設(shè)施流量的檢測(cè)中。在渠道、輸水管道尤其是大孔徑的管道中，使用超聲波法進(jìn)行流速和流量的測(cè)量，主要是發(fā)揮了超聲波設(shè)備安全，便捷和測(cè)量快速的優(yōu)勢(shì)。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。(1)超聲波檢測(cè)無(wú)需安置轉(zhuǎn)槳測(cè)速儀，檢測(cè)費(fèi)用得以降低；(2)測(cè)量過(guò)程無(wú)需敷設(shè)電纜電線，降低了信號(hào)衰減，提升了測(cè)量的經(jīng)濟(jì)型和準(zhǔn)確性；(3)超聲波測(cè)量設(shè)備體積較小，不需要單獨(dú)制作測(cè)量框架，明顯降低了設(shè)備運(yùn)輸、安裝和調(diào)試的工作量，提升了經(jīng)濟(jì)行；(4)無(wú)需在管路內(nèi)開(kāi)孔，也不需要在管道內(nèi)安置測(cè)速儀，實(shí)現(xiàn)流速、流量無(wú)損測(cè)量，降低了設(shè)備和人員的安全風(fēng)險(xiǎn)。

使用超聲波技術(shù)測(cè)量管道內(nèi)流體時(shí)，需要注意上游和下游換能器、探頭發(fā)出的聲波信號(hào)與水流方向之間的夾角，通常情況下需要維持在45°～60°范圍內(nèi)，以保證測(cè)量的精度；同時(shí)，有條件的單位可使用經(jīng)緯儀輔助進(jìn)行測(cè)量工作，可進(jìn)一步提升準(zhǔn)度。在大型渠道和管道測(cè)量時(shí)，要求渠道底部無(wú)大型石塊、水草等障礙物，渠道底部平整。應(yīng)依據(jù)渠道內(nèi)水面的寬度和高度，調(diào)整換能器探頭的間距，在水流狀態(tài)變化的部位應(yīng)適當(dāng)增密，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。為實(shí)現(xiàn)多層測(cè)量，可在水流范圍內(nèi)擴(kuò)展更多的通道。

在測(cè)量過(guò)程中，無(wú)需破壞管道，只需要依據(jù)管道尺寸計(jì)算探頭之間的距離和夾角，將換能器安裝在管道的兩側(cè)，就可以快讀測(cè)得流量和流速等信息。值得注意的是，換能器探頭位置、流體中氣泡含量和換能器角度等，都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。管道內(nèi)流體充盈情況較好的直管段，測(cè)量的精度最高。為降低干擾因素的影響，建議在上游選取10倍以上管徑、下游選取3倍以上管徑的部分進(jìn)行測(cè)量。有條件的單位可使用雙測(cè)量面的雙聲路技術(shù)，進(jìn)一步降低測(cè)量誤差，這是要求換能器與管道走向保持45°～75°夾角。

4 結(jié) 語(yǔ)

水利工程建設(shè)對(duì)于改善當(dāng)?shù)厮Y源分布和開(kāi)發(fā)具有重要意義，是我國(guó)重要的大型基礎(chǔ)設(shè)施之一。為保證水利工程長(zhǎng)期發(fā)揮功用，水利工程項(xiàng)目的質(zhì)量檢測(cè)人員應(yīng)熟練掌握現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件，并在實(shí)踐中掌握主要的精度影響因素及控制手段，不斷提升水利工程質(zhì)量檢測(cè)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性，為水利工程建設(shè)和運(yùn)行提供有力支撐。