考虑温度影响的基于超声回波幅度谱的钢构件应力检测

王 怡, 刘南希, 李祚华, 李冠辰

(1.深圳市建筑工程质量安全监督总站，深圳 518031；2.哈尔滨工业大学(深圳) 土木与环境工程学院，深圳 518055)

钢构件的应力状态是结构安全性能的一个重要指标[1]。为对存在安全隐患的钢构件及时进行维护和加固，有必要开展钢构件应力的无损检测，通过采集和分析钢构件应力数据，对结构的安全性能进行评估。超声波法具有可以定向发射、穿透力强、检测仪器便携等优点，是目前应力无损检测手段中应用最广泛的一种[2]。

HUGHES等[3]提出的受力固体中弹性波波速的表达式为声弹性理论奠定了基础，也为基于声弹性理论开发超声无损检测技术提供了可能[4]。现有研究中，测量钢构件单向应力的超声无损检测技术分为横波法[5]、纵波法[6]、表面波法[7]、导波法[8]和临界折射纵波法[9]。当超声横波垂直入射到受力固体中时，将分解为两个偏振方向相垂直、传播速度不同的横波分量。其中，粒子沿施加应力方向运动的横波分量与粒子垂直于施加应力方向运动的横波分量相比，前者的速度变化大于后者的速度变化。因此，两个横波分量的速度差可用于测量单向应力。

在此基础上，谱分析技术的引入为超声横波无损检测的进一步发展提供了可能。BLINKAl等[10]发现，反映了两波分量速度差异的两波分量之间的干涉会影响入射横波，从而产生回波频谱。换句话说，回波频谱是入射波频谱在干涉因子作用下的结果。如果应力测量的灵敏度定义为应力变化引起的被测物理参数的变化，那么相对于传统的声时法，回波频谱中的特征量对应力更为敏感。谱分析技术与超声波法的结合为提高钢构件应力测量的灵敏度提供了可能。由此，笔者提出了一种利用超声回波幅度谱中的一个特征量——第一特征频率[11]来检测钢构件应力的方法。

为了提高该方法的适用性，笔者对基于超声回波幅度谱的钢构件绝对应力检测温度影响进行研究，依据所提出的利用超声回波幅度谱中第一特征频率检测钢构件应力的方法，推导考虑温度影响的钢构件绝对应力检测修正公式，并通过试验来总结温度对应力检测的影响程度和规律，同时对修正公式进行验证。

1 考虑温度影响的钢构件绝对应力检测修正公式

在没有考虑温度影响的情况下，可利用超声回波幅度谱中第一特征频率检测钢构件应力，其检测公式为

(1)

应力-波谱参数与构件材料、构件厚度有关，其表达式为

(2)

(3)

式中：t0为横波在钢构件无应力状态下的传播声时；μ为Lamé常数；n为Murnaghan常数；α为初始声各向异性因子。

Lamé常数μ和Murnaghan常数n是对温度不敏感的常参数，初始声各向异性因子α与初始材料织构有关，因此，温度对应力-波谱参数的影响主要集中在钢构件无应力状态下横波的传播声时t0上。

根据热弹性理论，随着温度的升高，超声波波速会逐渐降低，且两者具有较好的线性关系[12]，即

νT=νT0(1-ξΔT)

(4)

式中：νT为温度为T时的超声波波速；νT0为温度为T0时的超声波波速；ξ为温度-波速因子；ΔT为T与T0的温差。

设待测构件在超声横波传播方向上的初始尺寸为l0，待测构件的线膨胀系数为β，基准温度为T0，无应力状态基准温度下的波速为νT0，对应的传播声时为tT0。当温度发生变化，温差达到ΔT时，温度变化引起待测构件的热胀冷缩，使得超声回波声程变为2l0(1+βΔT)。因此，温度为T时的超声回波传播声时为

(5)

用麦克劳林公式来表达式(5)，再进行简化得到

tT=tT0[1+(β+ξ)ΔT]

(6)

基准温度下，将无应力状态对应的传播声时tT0代入式(2)中，可得基准温度下应力-波谱参数κT0。同理，将发生ΔT温度变化后温度T下的传播声时tT代入式(2)中，可得温度T下应力-波谱参数κT。根据式(6)，κT0和κT存在关系

κT=κT0/[1+(β+ξ)ΔT]

(7)

定义λ*为温度修正因子，其表达式为

λ*=β+ξ

(8)

由此，基于超声回波幅度谱的钢构件绝对应力检测，在温度为T时的修正公式为

(9)

2 温度修正因子的标定

基于超声回波幅度谱的钢构件绝对应力检测修正公式中，基准温度下应力-波谱参数κT0和应力-波谱参数γ可通过在基准温度下进行标定试验得到。对于温度修正因子λ*，则可以通过其他试验进一步确定。

结合式(6)和式(8)，可得

(10)

式(10)揭示了温度差异导致的传播声时变化率tT/tT0-1与温度差异ΔT之间的关系。因此，可通过改变温度来确定温度修正因子λ*。

温度修正因子标定的试验步骤如下。

(1) 以65钢为研究对象，试件尺寸为50.00 mm×29.71 mm×17.60 mm(长×宽×厚)，在试件的检测点涂耦合剂，将超声纯横波探头对准检测点并固定在试件上，放入恒温箱(型号为JQ-2000，生产商为东莞市剑乔试验设备有限公司)。选用Olympus V156型超声纯横波探头，Olympus 5072PR型超声发射接收器，Tektronix MDO3024型示波器。温度修正因子标定试验系统构成如图1所示。

图1 温度修正因子标定试验系统构成

(2) 从25 ℃开始，以5 ℃为间隔升温。在每个温度下维持2 h，以保证试件受热均匀，然后采集其超声回波信号。

(3) 以25 ℃为基准温度T0，对应的传播声时为tT0。以回波的第一个波谷为参考点，通过计算一次回波与二次回波之间的延迟时间，得到不同温度下的超声回波传播声时，由此可计算得到温度差异导致的传播声时变化率tT/tT0-1。

(4) 获得不同温差ΔT及其对应的传播声时变化率tT/tT0-1之间的对应关系(见表1)，对其进行拟合，拟合结果如图2所示。

表1 由不同温差ΔT与传播声时变化率tT/tT0-1之间的对应关系

图2 不同温差ΔT及其引起的传播声时变化率tT/tT0-1的拟合直线

从图2可以看出，标定试验中，控制温度从25 ℃开始上升，随温差ΔT的增大，传播声时变化率tT/tT0-1也增大，且表现出良好的线性趋势。拟合得到的表达式可确定温度修正因子λ*=1.626×10-4℃-1。

温度对超声检测的影响主要体现在两个方面，即温度变化对超声波波速的影响以及温度变化引起的构件热胀冷缩。根据式(8)，将温度的影响集中在温度修正因子λ*上。温度修正因子λ*包含两个部分，待测构件的线膨胀系数β和温度-波速因子ξ。通过查询资料，得到钢的线膨胀系数β=1.21×10-5～1.35×10-5℃-1。因此，从量级上看，温度对应力检测的影响主要体现在温度对波速的影响上。

3 考虑温度影响的钢构件单向绝对应力检测试验

同样以上述试件为试验对象，通过基于超声回波幅度谱的钢构件绝对应力检测方法中标定应力-波谱参数的方法在基准温度25 ℃下进行标定试验，来确定应力-波谱参数κT0和γ，结果分别为13 631.016和1 563.165。结合温度修正因子λ*=1.626×10-4℃-1，可得考虑温度影响的基于超声回波幅度谱的钢构件绝对应力检测修正公式，并根据此公式进行绝对应力检测。

该试验需要同时进行加载和控温，因此，采用千斤顶作为加载装置(见图3)，试验时将其与待测构件、超声波探头放置在步入式恒温箱(东莞市环仪仪器科技有限公司生产的HYHW-12A型)中，应力检测试验现场如图4所示。

图3 加载装置实物

图4 应力检测试验现场

为验证考虑温度影响后，所提出的钢构件应力检测修正公式的准确性，将试验结果与应变片法的检测结果进行对比。将自补偿应变片沿受力方向布置在待测构件的四周，用502胶水进行黏贴，并与应变采集仪连接，以验证待测构件受到轴向力的作用，同时获取应变。通过预加载，根据各应变片的变化值进行调整并固定千斤顶，以确保待测构件受力为轴向受力。

在搭建的应力检测试验系统上进行验证试验，获取超声回波信号，经过信号处理，得到第一特征频率，将其代入标定了温度修正因子和应力-波谱参数的应力检测温度修正公式，计算得出不同温度下钢构件的绝对应力。

选择5个温度点，在每个温度点随机加载，并根据文中方法求解钢构件绝对应力，并对钢构件重复进行三组考虑温度影响的绝对应力检测试验，三组试验的检测结果如表2～4所示。

从表2～4可以看出，不同温度下，基于超声回波幅度谱的钢构件绝对应力检测结果与应变片法检测结果的相对误差随控制温度的上升而增大。产生误差的主要原因是高温条件下，超声回波信号出现了衰减，且受到一定程度的干扰。总体而言，通过温度修正后的应力检测公式，可以在8%的误差范围内检测应力，说明该方法具有一定的准确性。

表2 考虑温度效应的第一组应力检测结果

表3 考虑温度效应的第二组应力检测结果

表4 考虑温度效应的第三组应力检测结果

4 温度对超声横波信号传播衰减的影响

在温度修正因子标定试验中发现，高温条件下，超声回波信号会出现衰减，且受到一定程度的干扰。图5，6分别为25 ℃和45 ℃下的超声回波信号。

图5 25 ℃下的超声回波信号

图6 45 ℃下的超声回波信号

分析信号传播衰减的原因，主要考虑以下三个方面：① 由于长时间处于高温状态，耦合剂的界面耦合作用减弱；② 高温影响了探头对信号的发射接收；③ 在高温环境下，超声横波信号的传播受到阻碍，原因是传播介质即钢试件中的粒子热运动加剧，使得传播介质传递波的能力减弱。对于第一点，笔者所选用的耦合剂适用温度最高为550 ℃(其对超声信号影响不大)，因此，文章针对后两点可能造成超声信号衰减的原因进行试验，探求超声信号衰减的主因。

以基准温度下超声回波信号幅值的峰值为基准峰值，用不同温度下超声回波信号幅值的峰值与基准峰值做比(即幅值峰值比)来反映超声信号的衰减程度。幅值峰值比越接近于1(100%)，说明超声信号衰减程度越小，反之，幅值峰值比越小则代表超声信号衰减程度越大。

第一组试验采用两个超声横波探头对接(一发一收)，转动两探头使得直角连接器朝向一致，以确保两探头发射和接收的横波偏振方向相同，并用胶布对其固定。完成一组变温试验后，交换两探头发射和接收的作用，重复一组变温试验，试验结果如图7所示。

图7 探头对接变温试验中接收信号幅值峰值比曲线

由图7可以看出，随着温度的升高，接收信号幅值的峰值比降低，但因探头受高温影响而产生的超声波衰减程度并不严重，说明所选用的探头在工作时受温度的影响不大，性能较为稳定。

第二组试验研究了传播介质温度对超声回波信号幅值衰减的影响，将探头固定在钢试件上后，用具有信号屏蔽功能的胶布包裹探头，减少外部干扰对探头的影响；再将探头和钢试件放入恒温箱进行变温试验，计算幅值峰值比，试验结果如图8所示。

图8 介质变温试验中接收信号幅值峰值比曲线

分析图8可知，接收信号幅值的峰值比随着温度的升高显著降低。当温度达到75 ℃，幅值峰值比下降到20.30%，此时接收信号严重衰减，其强度已经接近噪声信号强度。如果温度继续上升，将难以分辨噪声信号和接收信号。对比探头对接试验结果，可以认为超声信号的衰减主要是在介质中传播时产生的，温度升高导致了钢试件内部粒子热运动加剧，超声横波信号的传播受到阻碍，传播介质传递波的能力减弱。

5 结语

(1) 提出了基于超声回波幅度谱的钢构件应力检测受温度影响的修正公式，并进行了考虑温度影响的钢构件单向绝对应力检测试验，验证了所提方法的可靠性和准确性。

(2) 探究得出高温影响下超声信号衰减的主因，即温度升高导致传播介质即钢试件中的粒子热运动加剧，传播介质传递波的能力减弱。

本文获“2022 Evident杯超声检测技术优秀论文评选”活动三等奖。