MIRAA1040三维超声断层扫描技术在工程检测当中的应用

2018-10-12 05:48邵文
中国设备工程 2018年19期
关键词:横波换能器孔道

邵文

(浙江华东工程安全技术有限公司,浙江 杭州 310000)

超声波检测法是工程安全无损检测当中的重要手段之一,超声波检测已被诸多学者运用于大量的工程检测和科研工作当中。20世纪40年代末,加拿大的Leslie和Chessman、英国的R.Jones和Gatfield采用超声脉冲对混凝土进行检测,当时的超声检测侧重于混凝土强度方面的研究,其开创性的研究手段受到了国际土木行业的重视。我国20世纪50~60年代开始将超声应用于构筑物完整性检测,从桩基到水工结构、地下工程,其检测应用领域不断扩大,研究深度不断延伸,从超声声速单一参数的研究发展到将振幅、频率、波形多参数综合研究与运用。

1 设备简介

MIRA A1040三维超声断层超声成像仪由俄罗斯著名厂家ACSYS公司制造,它的探头由4×12个干点换能器阵列和一个控制单元组成,换能器为信号发射和接收装置,可发射周期脉冲,其频率范围为25~85 kHz。探头内的控制单元激活一排换能器作为信号发射端,而其它排的换能器作为信号接收端。如图1所示,第一排换能器发射信号,其它为换能器接收信号。图1中显示了信号传播路径。此后,下一排换能器发射信号,其右侧的换能器接收信号。此过程循环重复,直至前11排换能器都已经发、收过信号为止。

图1

图2

如果构件内部的混凝土与空气界面足够大,一部分发射的超声波脉冲信号会被该缺陷提前反射。因为路径更短,由缺陷反射的信号会早于构件底面反射的信号到达接收端。信号处理软件依据每排换能器接收到的反射脉冲的到达时间,来推断构件内部缺陷的位置,如图2。

2 三维超声波成像仪技术特点

(1)阵列式系统:MIRA的控制器是一个阵列式的控制器,由12个模块组成,每一个模块包含4个横波传感器。当超声波信号发出后,接受到的信号会被控制器进行处理,然后转移到电脑中用合适的软件进行处理。

(2)合成孔径聚焦超声成像:如图3,通过将阵列小探头接收的超声信号合成处理而得到与较大孔径探头等效的声学图像,对接收到的信号作适当的声时延迟或相位延迟后再合成得到的被成像物体的逐点聚焦的声学图像。其特点是可以获得较好的横向分辨率。

图3

(3)DCP干耦合换能器:传统的换能器需要使用耦合剂才能与混凝土表面紧密接触。如图4所示,干耦合即不使用耦合剂,通过弹簧弹力实现与被测表面的耦合。使用干耦合换能器加快了检测速度,并消除了由于耦合剂涂抹不均匀而对测量结果造成的影响。

图4

图5

(4)横波检测:固体中的声波有纵波、横波和表面波三种类型。传统方法只利用纵波,横波和表面波携带的信息被忽略。改用横波检测有以下好处:信噪比提高:超声横波在混凝土中的散射比纵波弱,因而横波检测的噪声更低;分辨能力有所增强:识别越小的细节需要的波长越短,而混凝土中横波的波长大约是同频率纵波波长的60%;缺陷的反映更明显:因流体中的声波只有纵波,横波遇到欠密实、缝隙和空洞等缺陷后几乎全被反射,其反射系数大于纵波。

(5)图像显示:如图5所示,数据采集得到的实时二维图像。用不同的颜色表示不同强度的反射,再通过使用idealViwer 3D软件将在多个位置测量的结果整合,在计算机中生成三维图像。

现场检测案例:MIRA A1040现场采集的测点数据(2D图像)存储在MIRA主机中用户命名的文件夹内。测试结束后,将MIRA中的数据导入到装有idealViwer 3D软件的笔记本电脑中进行处理。idealViwer软件将2D图像拼接成被测结构的3D模型。如图6所示为地铁240环处道床的3D重建模型。 用户可以在软件中旋转观察3D模型,也可从不同的正交方向以切片方式观察模型。三个正交方向的视图都有正式的名称。C-scan表示不同深度与Z轴垂直的平面,即反射体的水平视图;B-scan是由MIRA在测试时直接产生的图像,是与测线方向垂直的平面;D-scan是与B-scan垂直的平面。用户可在3D模型特定的切片模式观察模型:沿Z轴观察C-scan,沿Y轴观察B-scan,沿X轴观察D-scan。下图显示隧道道床结构的3D切片视图的实例。 C-scan中显示截面中有强烈的反射。B-scan中在100mm左右深度的位置可见3个直径80mm左右高振幅信号,显示红色,指示此处很有可能存在内部中空的埋设管线,对比设计图纸确为预埋设的管道。钢筋混凝土道床与底板之间(300mm-400mm)反射信号均匀、稳定,未见强烈反射信号,未出现道床脱空情况。底板与隧道环片结构之间(500mm-600mm)的弧形空气分界层振幅强烈,存在明显的空气分隔界面。

图6

采用MIRA检测箱梁桥锚固区附近的后预应力孔道的质量。在测试之前,孔道的位置已对照施工图纸在箱梁上进行了标记(图7)。其中的一个测试记录如图8所示。B-scan的所在位置在C-scan中显示为白色虚线。D-scan中孔道所在位置的高振幅信号,指示此孔道很有可能未被完全灌注。打钻揭示后证明MIRA的探测结果是正确的。

图7

图8

预板样品的孔道:400mm的厚板,其中贯通2个直径100mm的金属管道,覆盖层100mm。其中一个管道中空,另外一个充填无收缩水泥浆。此外,预制板浅部布有钢筋,且方向与管道平行。图9所示为从预制板顶面采集的3D扫描结果。为使孔 道看得更清楚,深部包含预制板底面的数据被截断。中空孔道显示为红色,反映空气界面的强烈反射。灌浆管道则显示为黄绿色,反映钢绞线的较弱 反射。两孔之间和灌浆孔右侧的钢筋显示为浅蓝色。可以看出,灌浆孔道 远端显示为红色,表现为空洞特征的强烈反射。为验证灌浆不完全,对灌浆孔的两处进行了开挖:①远端150mm处,即空洞反射所在位置;②在大概中央位置,即没有空洞反射显示的位置。

图9

某水工重要构件试件经常出现漏水现象,存在内部结构损伤风险,对其内部进行三维超声成像检测,如图10所示,三维构件超声图像显示构件内部存在强烈的超声反射信号,存在明显的空气反射层,并且呈现出无规则状态,中下部反射尤为强烈,最后进行钻芯取样验证,发现内部混凝土样芯已呈现断裂式状态,构件内部损坏较为严重,与超声成图较为吻合,需要对重点损坏面进行灌浆填充修复工作。

图10

3 总结与思考

(1)MIRA可为建筑结构完整性评估提供良好的检测,相对于其它混凝土超声波检测产品,MIRA优势明显,可检测厚度更大的钢筋混凝土构件,提供分辨率更高的解析图像,能够很好地用于查找混凝土、钢筋混凝土或自然石块中的外来包体、孔洞、空隙、分层、充填泄露等。通过本次对地铁隧道的检测,反映该设备在隧道道床脱空情况的检测上有较好的应用。

(2)与其他超声检测产品相比相比,MIRA不需要进行体混凝土声速的校准,直接通过Scan模式表面即可自动根据剪切横波Cs速度进行波速计算,大大简化了测试流程。然而,实际现场工况条件多样复杂,检测对象物理特性可能不稳定,如混凝土的大骨料出现沉淀下部,混凝土表层性质不均一或者存在杂质,超声波本身衰减是非常敏感、快速的,可能会对波速造成较大的影响。对于需要准确知道钢筋、缺陷或底面位置的测试,声速非常重要。参照此次现场检测,道床浇筑的混凝土强度等级为C28,MIRA自动计算速度为1850 m/s(剪切横波Cs),根据该波速,图形计算得到底板空气反射层深度约为500mm;对比设计图纸,底板深度为550mm,此时应该对波速进行调整,手动输入2050m/s的波速。因此建议用户测试操作前,在条件允许的情况下,如根据设计图纸,或者其它明显的参考物进行波速标定,以切合实际工况。

(3)对于各参数的设置,首先,增益值的选择,色彩增益值过高或者过低,都会导致不同介质之间的超声波振幅无法区分,需要不同材质、强度的混凝土波速进行调整。此次检测色彩增益值设置为25dB,模拟增益值设置为27dB。对于其它强度的混凝土,可在此分贝值基础上进行微调。期数的选择,MIRA的超声波期数可设范围为1~9,依旧需要跟检测物的性质进行选择,对于混凝土这种材质性质,期数值需设置为1.0。对于发射脉冲停顿时间的设置(开或关),只有对某些检测物(非混凝土材质)超声波波速传播缓慢,或者厚度大的物件时才进行设置,通常设置为关闭状态。

猜你喜欢
横波换能器孔道
基于横波分裂方法的海南地幔柱研究
正六边形和四边形孔道DPF性能的仿真试验研究
横波技术在工程物探中的应用分析
换能器大功率下温升规律初探
“HRT”非对称孔道颗粒捕集器压降特性
基于ANSYS的液压集成块内部孔道受力分析
鼓形超声换能器的设计与仿真分析
两种多谐振宽带纵振换能器设计
基于FLUENT的预应力孔道压浆机理与缺陷分析
超磁致伸缩复合棒换能器研究