超声波沿空钢管管壁径向传播方式研究

张春雨，杨春雷，张 凤

(云南省公路科学技术研究院，云南昆明650051)

1 研究背景[1-2]

钢管混凝土拱桥是我国近年来桥梁建设中发展起来的新型桥梁结构，具有自重轻、强度大、抗变形能力强、承载能力大的优点，并且用料省、安装重量轻、施工方便、工期短、养护工作量小，是大跨度拱桥的一种比较理想的结构形式。

钢管混凝土拱桥把高强度混凝土用高压泵送到钢管中，并使其充满整个钢管，浇注后的管内混凝土是隐蔽的，肉眼无法直接观察混凝土是否存在脱空和空洞缺陷，因此对浇注混凝土后的拱肋进行检测是非常必要的。

在深入调研相关资料和现有研究成果的基础上，本文对超声波用于钢管混凝土拱肋缺陷定量检测之前开展了超声波沿空钢管管壁径向传播方式的初步研究。

2 超声波的物理基础[3-6]

根据文献[3]的调研资料，超声波是一种机械波，是机械振动在介质中的传播，具有机械波的物理特性。

2.1 超声波入射到曲界面上的反射

当超声波入射到球面或圆柱面上时，与光入射到曲面上的情况相似，也会发生聚焦和发散等现象，且超声波在界面上会发生波型转换。

超声波入射至曲面时反射情况如图1所示。平面波束与曲面上各入射点的法线成不同的夹角:入射角为0的声线沿原方向返回，称为声轴；其余声线的反射则随着距声轴距离的增大，发射角逐渐增大。当曲面是球面时，反射线汇聚于一个焦点上；发射面为圆柱面，反射线汇聚于一条焦线上。

此时，焦距F为

式中:r为曲面的曲率半径。

2.2 超声波的传播速度

超声波的传播速度是一个重要的声学参数，它依赖于传声介质自身的密度、弹性模量及泊松比等参数。

(1)超声波的声速

纵波在无限大固体介质中的声速:

纵波在液体和气体介质中的声速:

式中:E为介质的弹性模量；B为液体、气体介质的体积弹性模量；ρ为介质的密度；σ为介质的泊松比。

图1 超声波入射至曲面时反射情况示意图

(2)引起超声波传播速度变化的因素

对于各向同性均匀介质，对应于特定材料、特定波型，声速值为常数。但是，当介质本身存在不均匀性，以及介质发生温度、应力等变化时，介质的密度、弹性性质会有相应的变化，从而会引起声速的改变。

较为重要的是固体与液体温度的改变对声速的影响。通常情况下，固体、液体温度升高会引起声速降低。

3 超声波沿空钢管管壁径向传播方式测试

3.1 试验室内对超声波在空气中传播速度的测试

(1)移动超声波收、发换能器，对10种不同距离的空气声时、声速、波幅和主频进行测试，分析测试距离对超声波声速的影响。

(2)测试结果

超声波在空气中传播速度测试结果见表1。

从表1中数据分析可知，当收、发换能器间距不小于24 mm时，超声波在空气中传播速度约为340 m/s。

3.2 超声波在空钢管管壁中传播方式测试

参考云南某钢管混凝土拱桥拱肋尺寸制作模型，模型设计和制作过程考虑以下因素:

(1)模型材料和尺寸

若选用厚度较小的钢板，一是模型制作过程中容易变形，二是担心未知超声波在空钢管管壁中传播方式影响测试结果。

表1 超声波在空气中传播速度测试结果

本次试验选用厚度为10 mm的钢板制作模型，钢管外径为700 mm。为减少焊缝对试验结果的影响，应对焊缝质量进行检测，不合格焊缝应补焊或重焊。

(2)测试影响因素

模型制作误差会影响测试结果，若模型为规则圆形则通过测量直径后计算两测点间的弧线距离；若模型为次规则圆形则通过测量两测点两侧的弧线距离后取较小值。

为排除探头和被测钢管管壁间的空气，测试过程应使用耦合剂，耦合剂应适量使用(本文测试采用凡士林做为耦合剂)，测试前应根据标准块反测出耦合剂对声速的影响。

温度的变化对声速的影响较大，测试时应选择温度较平稳的早晨时段进行。

试验共检测了四组空钢管(EST-Empty Steel Tube)，制作成型的空钢管见图2。空钢管 EST-1、EST-2用来检测超声波沿空钢管管壁纵向传播速度，空钢管EST-3、EST-4用来检测超声波沿空钢管管壁径向传播速度。

图2 制作成型的空钢管

(3)超声波沿空钢管管壁纵向传播速度测试

超声波收、发换能器布置在空钢管管壁纵向，测试超声波沿空钢管管壁纵向传播速度，测试结果见表2。

表2 超声波沿空钢管管壁纵向传播速度测试结果

从超声波沿空钢管管壁纵向传播速度测试结果可知，钢材的声速在5 400 m/s左右，测试结果的变异系数最大为1.59%。

(4)超声波沿空钢管管壁径向传播速度测试

超声波收、发换能器布置在空钢管壁径向，测试超声波沿空钢管管壁径向传播速度，测试结果见表3。

由超声波沿空钢管管壁径向传播速度测试结果可知，径向声速为2 100 m/s左右，环向声速为3 200 m/s左右，测试结果的变异系数最大为2.77%。

(5)超声波沿空钢管管壁径向传播方式分析

试验模型钢板厚度和钢管直径直接影响超声波的入射角度，是影响超声波沿空钢管管壁传播速度的重要因素。在相对固定的试验模型和稳定的测试条件(温度、温度等)下对测试结果的影响可抵消。

由超声波在空气中传播速度测试和超声波沿空钢管管壁传播速度测试结果分析可知，如果超声波是沿空钢管外壁直接传播，声速在3 200 m/s左右，与钢材声速5 400 m/s左右不符；如果超声波是沿钢管径向直接传播，声速在2 100 m/s左右，与空气声速340 m/s左右不符。

表3 超声波沿空钢管管壁径向传播速度测试结果

根据相关的超声波传播理论，本文提出超声波 在空钢管管壁中的传播途径是以与空钢管外壁切线成α的入射角度进入钢管，通过钢管内壁反射回到钢管外壁，如此反复，折线前进传播。

设钢管弧长为l，超声波在钢管中声速为vs，在钢管管壁中传播时间为ts，入射角为α。则:

4 结 语

根据相关的超声波传播理论，结合超声波在空气中传播速度测试和超声波沿空钢管管壁传播速度测试研究，本文取得如下成果:

(1)本次试验得到超声波沿空钢管管壁环向传播速度约为3 200 m/s，随钢板厚度和钢管直径不同(入射角度不同)声速不同。

(2)基于理论和试验研究，首次提出超声波在空钢管壁中径向传播途径是以与钢管外壁切线成 α的入射角度进入钢管，通过钢管内壁反射回到钢管外壁，如此反复，折线前进传播。

(3)超声波在钢管壁中的有效传播场速为vscosα，对定量检测缺陷尺寸起判别作用。即当超声波通过缺陷声速小于超声波在钢管管壁中传播声速时，通过钢管壁传播的超声波将成为首波，此时，理论上无法采用首波检测出缺陷尺寸[7]。

[1]陈宝春.钢管混凝土拱桥设计与施工[M].北京:人民交通出版社，1999.

[2]陈宝春，杨亚林.钢管混凝土拱桥调查与分析[J].世界桥梁 ，2006 ，(2):73-77.

[3]《国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证培训教材》编审委员会编.超声检测[M].北京:机械工业出版社，2005.

[4]吴新璇.混凝土无损检测技术手册[M].北京:人民交通出版社，2003.

[5]《新编混凝土无损检测技术》编写组编.新编混凝土无损检测技术[M].北京:中国环境科学出版社，2002.

[6]刘福顺，汤 明.无损检测基础[M].北京:北京航空航天大学出版社，2002.

[7]张春雨，杨春雷.钢管混凝土缺陷超声波定量检测技术初步研究[J].公路交通技术，2012，(2):67-70.