超声波在水利工程质量检测的作用
摘要：超声法作为检测质量的一种关键技术，应用范围也越来越广泛。水利工程施工过程中使用的机械设备、原材料和施工人员技术水平，都会影响到施工质量。因此，在超声法无损检测的原理基础上，提出了检测钢焊缝及检测混凝土质量的方法及需要注意的问题。
关键词：水利工程;超声波应用;焊缝;质量检测
超声波是一种人类听不到的机械波，人类能听到的声波频率在20Hz~20kHz之间，超过20kHz的声波称之为超声波。目前，超声波已运用到工作和生活的方方面面，如医学B超检查、通信、超声波缺陷检测等。这些运用正是利用了超声波的穿透性、指向性好、能量集中、对周围环境影响小等特点，同时对被超声波穿透的物体没有物理性损伤，可做到“隔空透视”。
超声检测是利用超声波在被检测物体内部传播时，遇到材料密度发生变化的界面(如空洞、其他杂质)发生反射或透射接收的声波讯号特征变化，来检测物体内部的缺陷情况。超声波检测，依据发射和接收方式及时间的不同可分为脉冲反射法、脉冲透射法、共振法和衍射时差法。1.1脉冲反射法脉冲反射法是利用超声探头产生的超声脉冲波，入射到两种不同密度或材质的界面上发生反射的原理进行检测，这种检测方法常采用同一超声探头(一般使用压电陶瓷转换器)作为发射和接收装置。1.2脉冲透射法脉冲透射法的原理与X射线的原理基本相似，即利用两个超声探头置于被检测物体的两侧，分别作为发射和接收装置，通过缓慢移动两个超声探头，观察接收能量的变化，来判定被检测物体内部的缺陷情况。1.3共振法利用可调频率的超声波检测物体内部情况，当超声波的半波长与被测物体的厚度成整数倍关系时，会引起共振现象，仪器会显示出共振频率。当被检测物体厚度发生变化，共振频率也会相应发生变化，通过仪器显示的不同频率，可以判定被检测物体的厚度变化，来确定质量情况，称为共振法。
1.4衍射时差法利用一对或多对纵波斜探头在被检测区域对称放置，接收信号的探头同时接收反身波和衍射波，当检测区域内部有缺陷时，反射波和衍射波会发生变化，通过测量反射波发生变化时衍射波在检测区域内传播时间，利用三角关系方程式计算，确定检测区域内部缺陷的位置和尺寸。
超声波检测精确度的影响因素众多，从主、客观两方面分析：①主观方面主要是人的影响因素，如现场超声波检测人员的熟练程度、检测人员的培训教育情况及专业技术水平等;②客观影响因素主要是设备、耦合剂选择、方法、环境等。2.1设备影响因素设备的影响因素主要是扫查速度及探头选定的频率。2.1.1扫查速度所谓扫查，即在进行超声检测时，探头与被检测工件的相对运动。对于混凝土检测而言，扫查应满足两个条件：①扫查过程中声束入射方向始终与混凝土面保持垂直;②保证混凝土检测区域有足够的声束覆盖，以避免漏检。声束入射方向保持垂直是为了保证被测混凝土内部缺陷大小正确的判定，而保证混凝土检测区域足够的声束覆盖、不漏检，要求在检测探头的有效辐射面积内必须有脉冲重复频率，即检测探头在检测面的扫查速度或移动速度不能过快。如果设待检测物体厚度为H，超声波在检测物体内的传播速度为C1，检测探头的扫查速度为V，检测探头的有效辐射直径为ψ，超声波在检测物体内的传播时间T1=2H/C2，检测探头的扫查时间T2=ψ/V。要使扫查检测物体内部达到不漏检，必须满足T1≤T2。则检测探头的扫查速度V应满足V≤C2ψ/2H，即相同的时间内检测探头移动距离应远小于检测探头扫查的有效距离。2.1.2检测探头频率的选择理论上，超声波能够发现检测物体区域内部的最小缺陷为超声波发射波长的1/2，在能够保证超声波穿透检测物体内部的前提下，尽量先用频率高，发射功率大的探头。2.2耦合剂超声波检测时，由于被检测表面不完全规则，检测探头与之不能良好的贴合，存在着或大或小的空隙，为了能够消除空隙，使超声波能够顺利被导入检测物体内部，必须使用一种能够消除空隙的液体，这种液体就是耦合剂。能够作为耦合剂使用的材料很多，常用的材料有甘油、水玻璃、合成机油、化学浆糊等。耦合剂的涂层厚度称为耦合层，耦合层的厚度越薄对检测的影响越小，因此当检测物体的表面过于粗燥或涂刷耦合剂过厚时，应对检测物体的表面抛光处理后再涂刷耦合剂进行检测。2.3环境环境的影响因素主要是温度、湿度及被测工件所处的地理位置的影响。如在过高、过低的湿度及温度的环境或高氯环境下，检测结果有微小差异。特别是易被环境影响而产生化学反应或物理变化的检测工件，检测环境更为严格。
3.1超声波用于钢焊缝质量检测在钢焊缝质量检测过程中，通常使用的方法是超声波法和X射线法，由于在工程施工过程中钢焊缝的数量一般较大，而且需要检测分析的长度也非常长，检测工件所处的环境也较为复杂。因此用超声波方法对于钢焊缝的质量进行检测时，就会凸显出检测过程中的优势：如设备尺寸小、操作简单、检测过程中无辐射外泄隐患等。钢焊缝质量检测时，由于金属的晶粒尺寸较小，钢焊缝所受的影响较大，为探测存在的缺陷。通常通过超声脉冲波变化情况来进行比较。当检测焊缝质量良好时，检测超声波可顺利传播到达检测物体底面，超声波检测仪器中只有表示发射脉冲及底面回波两个信号，如果被检测焊缝中存在缺陷，在超声波检测仪器中底面回波前会有缺陷回波信号。由此可以判定存在缺陷。
3.2混凝土强度检测混凝土是水泥、石子、砂、外加剂掺合料组成由多相复合材料，其组成成份复杂。一般的混凝土强度检测是预留混凝土试块、现场取蕊样等方法。如果预留的混凝土试块质量存疑，现场又不允许取芯样，需要运用超声波等无损检测手段。混凝土本身不是一种均质材料，相同标号的混凝土由于组成材料变化，超声波在混凝土内传播速度也不同，并且在混凝土内部存在着石子—水泥、水泥—砂等各种界面，超声波遇到这些界面时会发生反射、衍射等多种传播方式。因此简单的将混凝土与超声波之间建立直线性数学关系模型是困难的，需要将混凝土看作均质的弹塑性材料。建立起混凝土强度与超声波声速的关系曲线和经验公式，作为超声波检测混凝土强度的依据。纵波的传播速度公式为vp=姨E(1-V)/d(1+V)(1-2V)，可以看出超声波速度和固体介质的材料性质、密实度、弹性模量及泊松比有关。超声波在不同介质中有着不同的传播速度，根据声时值T，距离L，由公式V=L/T可先计算出声速值。再根据经验公式fcuc=AVB和fcuc=Aebv(A，B为经验系数)两种非线性的数学公式，计算出混凝土强度。由于混凝土组成材料的复杂性，利用超声波检测混凝土强度存在着一定误差，不同的混凝土原材料使超声声速值各有差异，即使同样的原材料，也因混凝土配合比不同，产生不同的速度值。
水泥的硅酸三钙含量越高，细度越大，矿物细掺料的细度越大，相应的超声的传播速度也会越高，反映出的混凝土强度就会增大、相反混凝土强度显示值就会降低。如果混凝土中粗骨料偏多超声波的传播速度就要比粗骨料偏少的快，显示出的强度就要高。因此超声波检测混凝土强度应采用多参数法综合提高测试精度，如混凝土成熟度—超声声速、声速—衰减系数、声速—振幅、声速—含水率、声速—混凝土龄期等。3.3混凝土裂缝检测3.3.1混凝土裂缝的分类混凝土由水泥、石子、砂、掺合料、外加剂等组成的复合材料。由于混凝土本身的特性及使用条件的不同，产生的裂缝原因也不尽相同：有混凝土养护条件不善、内部水水泥水化热过快，造成内外温差过大，在混凝土内部形成拉应力集中区，超过混凝土本身的耐受拉力而产生的贯穿裂缝;有混凝土拌制过程中质量控制不佳，造成水胶比过大或水泥用量过多，混凝土凝固过程当中表面收缩引起的表面裂缝;有混凝土成型后受力条件改变，如基础持力层条件改变、混凝土受力载荷变化超出混凝土本身所受拉应力的极限而发生的结构裂缝。3.3.2混凝土裂缝检测混凝土裂缝检测时，常采用透射法或平行反射法，具体选用哪种方法跟裂缝的位置、混凝土结构型式有直接关系。3.3.2.1透射法适用于发生裂缝的面积较小，混凝土结构尺寸规距、厚度不大的情况。运用透射法检测时，发射探头与接收探头分别在裂缝的两侧移动，当探头与裂缝没有相交时，检测超声波不会发生明显变化，当探头与裂缝相交时，检测超声波会在裂缝处发生衍射，从而使接收探头的接收时间和接收强度发生变化，根据时间和强度的变化确定裂缝的位置及深度。3.3.2.2平行反射法当混凝土的裂缝面积较大或结构尺寸复杂，不宜采用透射法检测时，可采用平行反射法。运用平行反射法检测时，应先检测裂缝周边混凝土的声波速度，由于混凝土是一种复杂的混合材料，声波速度受原材、配合比、龄期的影响因素较大，应在裂缝周边进行多次的声波速度检测，取平均值。然后使用一对探头在裂缝的两侧平行移动。移动时探头之间的距离应与裂缝的估测深度相近。如果探头之间的距离过远检测出的数据较实际的裂缝深度要小。
(1)超声波法检测，能对相对干燥环境下的钢结构和混凝土结构进行检测。不但方便，而且还经济、可靠性高。(2)超声波法不仅可对混凝土和钢结构的缺陷进行精确检测，还可对混凝土的强度进行检测，可做为工程质量验收时的参考依据。(3)随着超声波检测设备制造水平的提高和计算机仿真技术的不断发展，超声波法检测还在不断完善，会在日后的水利工程质量检测当中，应用范围越来越广。
[1]李文超，张丕状.超声波检测钢轨缺陷及定位的研究[J].核电子学与探测技术，2012.
[2]赵闫，迟明阳.水利工程质量检测中超声脉冲法的运用[J].科技展望，2015，25(2)：73-73.
[3]刘顺发，李光宇，韩苏建.超声脉冲法在水利工程质量检测中的应用[J].水利与建筑工程学报，2006(3)：25-28.
[4]顾辉.水工混凝土结构的坚固性与耐久性研究[J].水科学与工程技术，2008.
[5]程朝霞，徐银芳，王毅翔.超声波法检测混凝土强度的发展[J].华中科技大学学报，2003.