馬君鵬，楊賢彪，陳大兵，李夕強(qiáng)，丁 杰

（1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京 211102；2.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京 211102；3.上海材料研究所，上海 200437）

鋼制管塔以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小、承載能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)而廣泛使用于輸電線路轉(zhuǎn)向節(jié)點(diǎn)中。由于鋼制管塔內(nèi)壁為密封水蒸氣環(huán)境，加上其塔基根部處于含電解質(zhì)地下水和土壤的環(huán)境中，故在檢修和線路改造過(guò)程中，時(shí)常發(fā)現(xiàn)大面積腐蝕或局部嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象。腐蝕導(dǎo)致鋼制管壁減薄，管塔承載和抗彎能力降低，遇到臺(tái)風(fēng)等惡劣條件極易發(fā)生失穩(wěn)倒塌，從而造成大面積停電事故，城市人口密集區(qū)的倒塌事故還將嚴(yán)重危害公共安全。

鋼制管塔內(nèi)部腐蝕常用的檢測(cè)方法主要有：漏磁檢測(cè)法、渦流檢測(cè)法、電流檢測(cè)法、射線檢測(cè)法以及超聲檢測(cè)法等。而在不開(kāi)挖條件下對(duì)鋼制管塔地表以下部分的腐蝕檢測(cè)，目前最有效的方法當(dāng)屬超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法。與傳統(tǒng)超聲波技術(shù)相比，超聲導(dǎo)波具有兩個(gè)突出特點(diǎn)：一方面，超聲導(dǎo)波是在構(gòu)件的一點(diǎn)處激勵(lì)；由于導(dǎo)波沿傳播路徑衰減很小，故可以沿構(gòu)件傳播非常遠(yuǎn)的距離，最遠(yuǎn)可達(dá)幾十米；接收探頭所接收到的信號(hào)就包含了有關(guān)激勵(lì)和接收兩點(diǎn)間結(jié)構(gòu)整體性的信息，因此超聲導(dǎo)波技術(shù)實(shí)際上是檢測(cè)了一條線，而不是一個(gè)點(diǎn)；另一方面，由于超聲導(dǎo)波在管（或板）的內(nèi)、外（上、下）表面和中部都有質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，聲場(chǎng)遍及整個(gè)壁厚（或板厚），因此整個(gè)壁厚（或板厚）都可以被檢測(cè)到，也就意味著其可以檢測(cè)構(gòu)件的內(nèi)部缺陷和表面缺陷［1］。超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的這些特點(diǎn)，使得在不開(kāi)挖條件下檢測(cè)鋼制管塔地表以下部分的腐蝕缺陷成為可能。

國(guó)外學(xué)者較早開(kāi)展了導(dǎo)波理論研究，并已開(kāi)發(fā)出成熟的導(dǎo)波儀器。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)研究人員針對(duì)自身行業(yè)特點(diǎn)，也開(kāi)展了導(dǎo)波在腐蝕檢測(cè)方面的應(yīng)用研究，如清華大學(xué)孫士利用wavemakerG3設(shè)備檢測(cè)了埋地管道，檢測(cè)范圍達(dá)到梳狀傳感器左右各25m［2］；浙江特檢院鐘豐平對(duì)管道腐蝕形貌進(jìn)行了分類［3］，并利用T（0，1）模態(tài)導(dǎo)波對(duì)全局腐蝕和局部腐蝕等類型的模擬缺陷進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)［4］；在輸電線路桿塔腐蝕方面，廣東電科院張春雷等人利用導(dǎo)波對(duì)錨桿腐蝕進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)［5］。文中所涉及鋼制管塔與錨桿有類似的服役環(huán)境，但是幾何結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)波產(chǎn)生和傳播規(guī)律也不相同。

為了制定鋼制管塔腐蝕缺陷的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工藝，筆者通過(guò)設(shè)計(jì)和制作模擬試塊與對(duì)比試塊，對(duì)鋼管塔腐蝕的超聲導(dǎo)波檢測(cè)進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)，重點(diǎn)關(guān)注了導(dǎo)波端面?zhèn)鞑ヌ匦?、不同壁厚鋼管塔檢測(cè)時(shí)探頭的選擇、不同類型缺陷的定位與定量等方面的問(wèn)題，最后利用實(shí)際鋼管塔試樣對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 檢測(cè)設(shè)備

采用Isonic2005型導(dǎo)波檢測(cè)儀；自主壓電式導(dǎo)波探頭4個(gè)，頻率分別為0.3，1 MHz，入射角度分別為45°，51°，檢測(cè)系統(tǒng)的示意圖如圖1。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康牡牟煌苍O(shè)計(jì)了3塊模擬試塊。由于鋼制管塔的直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壁厚（D／t＞50，D為管塔外徑，t為管塔壁厚），可以近似考慮為平板，因此1號(hào)和2號(hào)模擬試塊采用平板試塊，厚度分別為15，23mm；由于管塔埋地深度一般為600mm 左右，因此試塊長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為700mm 就可以滿足試驗(yàn)要求；試塊上加工不同直徑和深度的平底孔，直徑范圍φ5～φ30mm，深度范圍3～12mm。3 號(hào)模擬試塊為現(xiàn)場(chǎng)獲得的管塔母材制作的試樣，厚度為9mm，加工了深坑和平底孔等模擬缺陷。對(duì)比試塊尺寸如圖2所示，其中對(duì)比試塊1主要用于檢測(cè)定位研究，對(duì)比試塊2主要用于檢測(cè)時(shí)調(diào)校靈敏度。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

圖2 對(duì)比試塊尺寸

2 結(jié)果及分析

2.1 端面回波特性

端面回波是指超聲導(dǎo)波在工件傳播過(guò)程中未遇缺陷，而直接與工件斷面相互作用后，由斷面反射的回波。根據(jù)端面回波的波幅及靈敏度余量，可初步測(cè)試導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)的有效性。分別采用4種探頭對(duì)3塊不同厚度的模擬試塊進(jìn)行了端面回波測(cè)試，其距離－波幅（DAC）曲線如圖3所示。

圖3 不同探頭和試塊的端面回波距離－波幅曲線

從上述結(jié)果可以看出，超聲導(dǎo)波在到達(dá)600mm的距離時(shí)，設(shè)備的增益仍然具有較多的余量，由此可知試驗(yàn)中導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)能力完全能夠滿足鋼制管塔腐蝕檢測(cè)的需要。同時(shí)，波包中波幅最高的波，基本上呈現(xiàn)隨著距離的加大而降低的趨勢(shì)，但并不是單調(diào)降低的，個(gè)別甚至還出現(xiàn)增加的現(xiàn)象。出現(xiàn)這種狀況的原因可能與導(dǎo)波通過(guò)端面反射后發(fā)生波型轉(zhuǎn)變有關(guān)。

2.2 探頭選擇

探頭參數(shù)包括探頭的形式、入射波模態(tài)、入射角度等。由于管塔檢測(cè)范圍為600 mm，故無(wú)需采用梳狀探頭，而只需要采用單探頭模式。入射波模態(tài)一般根據(jù)頻散曲線來(lái)選擇，對(duì)于板狀試樣，一般盡量選擇A0和S0模態(tài)。產(chǎn)生導(dǎo)波的縱波入射角可以根據(jù)頻厚積（被檢工件的板厚乘以頻率）和選用的波型，由特定的曲線上查出。然而理論上的選擇還需要試驗(yàn)的進(jìn)一步驗(yàn)證，筆者從試驗(yàn)的角度對(duì)不同厚度試塊下的探頭回波進(jìn)行了分析，以信噪比和頻散特性對(duì)探頭的適用性進(jìn)行了評(píng)判。從端部回波信噪比和頻散的分析可以得到，不同探頭有不同的適用范圍：1MHz 51°探頭對(duì)23mm 厚試塊的反射信號(hào)最好；0.3MHz 51°探頭對(duì)15mm 厚試塊的反射信號(hào)最好；1MHz 51°探頭對(duì)9mm 厚試塊的反射回波最好。分別用在各厚度試塊上端部回波反射信號(hào)最佳的探頭對(duì)模擬試塊1，2，3 上的φ5mm×3mm平底孔進(jìn)行探測(cè)，得到波形如圖4所示。從圖中可以看到，平底孔信號(hào)都清晰地出現(xiàn)在端部回波之前，這說(shuō)明通過(guò)端部回波的信噪比和頻散分析對(duì)探頭進(jìn)行選擇是有效的。

圖4 不同探頭檢測(cè)不同厚度試塊的φ5mm×3mm 平底孔信號(hào)

2.3 缺陷的定量

腐蝕坑的兩個(gè)關(guān)鍵量是腐蝕坑的深度和截面積。導(dǎo)波檢測(cè)和其他超聲波探傷一樣，不能夠直觀顯示缺陷的實(shí)際尺寸；在鋼管塔腐蝕檢測(cè)中，只能夠通過(guò)回波波幅來(lái)判斷缺陷的大小，因此，通過(guò)在試塊上制作不同深度和直徑的平底孔人工缺陷來(lái)對(duì)比以進(jìn)行缺陷的定量模擬。

圖5為模擬試塊1（23mm 厚板）中不同平底孔（間隔120mm）的距離－波幅（DAC）曲線，可以看到，隨著缺陷深度的加大，缺陷反射波波幅逐漸增大，但具有一定的分散性；隨著孔徑的加大，缺陷反射波波幅逐漸增大，達(dá)到一定值后，波幅基本保持不變。同樣，對(duì)模擬試塊2制作同模擬試塊1的不同尺寸的平底孔缺陷并進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與試塊1結(jié)果相同。由于頻率越低的探頭對(duì)于缺陷尺寸的敏感性越差，因此，在保證缺陷識(shí)別和靈敏度的前提下，檢測(cè)時(shí)應(yīng)盡量選擇頻率較高的探頭。此外，分別使探頭位于缺陷同側(cè)或異側(cè)，觀察到同一缺陷反射波的波幅差別不大。因此利用當(dāng)量法進(jìn)行管塔腐蝕缺陷的定量是可行的。

2.4 缺陷的定位

和普通脈沖反射式超聲波檢測(cè)類似，缺陷反射的導(dǎo)波傳播到探頭的時(shí)間和群速度可以用來(lái)對(duì)缺陷進(jìn)行定位。群速度可以通過(guò)頻散曲線查到或者利用工件端部回波進(jìn)行自校準(zhǔn)，缺陷的水平位置計(jì)算公式如下：

圖5 模擬試塊1中不同平底孔缺陷的導(dǎo)波信號(hào)距離－波幅曲線

式中：Cg為檢測(cè)用模態(tài)導(dǎo)波的群速度；tof為缺陷反射回超聲波反射回探頭所經(jīng)歷的時(shí)間；Ld和Lb分別為缺陷和工件端部的現(xiàn)對(duì)位置；md和mb分別是缺陷回波和工件端部回波在示波器時(shí)間軸上的位置。

為驗(yàn)證系統(tǒng)定位的準(zhǔn)確性，用23mm 厚鋼板按圖2（a）樣式制作對(duì)比試塊1，分別對(duì)其上不同尺寸的線切槽、矩形槽和V 型槽，以及模擬試塊1上不同尺寸的平底孔缺陷進(jìn)行檢測(cè)定位，并將定位結(jié)果與試板實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，所得結(jié)果如表1，2所示?？梢钥吹?，系統(tǒng)可以較為準(zhǔn)確地確定缺陷位置，當(dāng)缺陷與探頭的距離大于150mm 時(shí)，缺陷定位誤差可以控制在5%以內(nèi)。

表1 各槽的導(dǎo)波檢測(cè)定位結(jié)果與實(shí)際距離的比較

表2 平底孔的導(dǎo)波檢測(cè)定位結(jié)果與實(shí)際距離的比較

2.5 檢測(cè)工藝驗(yàn)證

3號(hào)模擬試塊為現(xiàn)場(chǎng)收集的鋼管塔試樣，材料為16Mn，根徑約800mm，厚度為9mm，利用上文提出的導(dǎo)波檢測(cè)工藝對(duì)該試塊上原有的深坑和孔形缺陷進(jìn)行檢測(cè)，試樣缺陷如圖6（a）所示，缺陷1，3的深度×長(zhǎng)度分別為3 mm×55 mm，2 mm×60mm的深坑缺陷，缺陷2為φ10mm×2mm 的孔形缺陷。用9mm 厚鋼板按圖2（b）樣式制作對(duì)比試塊2，并利用該試塊制作檢測(cè)DAC曲線，檢測(cè)靈敏度設(shè)置為深20%的φ5平底孔。因通過(guò)多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)缺陷深度小于2mm 時(shí)（如制作1.5mm深線切割槽和φ5平底孔），檢測(cè)系統(tǒng)所得檢測(cè)信噪比很差，不能有效地區(qū)分人工缺陷波包，因此可初步認(rèn)定超聲導(dǎo)波可有效檢測(cè)的鋼制管塔缺陷的最小深度應(yīng)是2mm，所以對(duì)比試塊2中深20%的φ5平底孔的實(shí)際加工深度取2mm。

圖6 3號(hào)試塊缺陷情況及檢測(cè)結(jié)果

從圖6（b）上看，共有3處缺陷，波高分別為71，66.5，74dB，均低于深40%板厚的φ5 平底孔的DAC曲線，但高于深20%板厚的φ5平底孔的DAC曲線，與實(shí)際情況（分別為33%，22%，22%板厚）相吻合。缺陷距離探頭前沿指示距離分別為243.1，129.1，251.9mm，與實(shí)際值240，130，250mm 相差不多。對(duì)上述缺陷長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn)，缺陷1和缺陷3（深坑）的指示長(zhǎng)度分別為52，54mm，與實(shí)際值55，60mm 比較接近，而缺陷2（小孔）的指示長(zhǎng)度為20mm，與實(shí)際值10mm 相差較大，與探頭寬度相當(dāng)，出現(xiàn)這種情況的原因可能是缺陷尺寸小于該處導(dǎo)波聲場(chǎng)尺寸所致。從以上結(jié)果看，所提出的工藝方法是可行的，能夠有效檢出鋼管塔上的腐蝕缺陷，并能夠?qū)θ毕葸M(jìn)行定位和粗略定量，滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。因?yàn)閷?dǎo)波為體波，對(duì)缺陷的截面積變化比較敏感，所以腐蝕缺陷的深度定量精度受缺陷形狀、鋼管桿表面狀態(tài)等影響較大，這點(diǎn)在檢測(cè)時(shí)應(yīng)注意。

3 結(jié)論

（1）基于對(duì)端部反射信號(hào)及缺陷信號(hào)的信噪比和頻散特性的分析，確定了檢測(cè)不同厚度工件的探頭的最佳頻率和角度，并驗(yàn)證了利用端部回波的信噪比和頻散分析進(jìn)行探頭選擇的方法是有效的。通過(guò)端部回波特性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了波包中波幅最高的波基本上隨著距離增加而降低的現(xiàn)象，為檢測(cè)工藝制訂奠定了基礎(chǔ)。

（2）導(dǎo)波檢測(cè)腐蝕缺陷定位具有較高精度；腐蝕缺陷深度的定量主要依據(jù)缺陷回波信號(hào)幅度與利用對(duì)比試塊制作的DAC 曲線的比較結(jié)果進(jìn)行判定，腐蝕缺陷的深度定量精度受缺陷形狀、鋼管塔表面狀態(tài)等影響較大，但檢測(cè)結(jié)果至少可以反應(yīng)出20%材料壁厚的深度變化；缺陷周向尺寸則依據(jù)缺陷指示長(zhǎng)度進(jìn)行判定，缺陷周向尺寸定量誤差不超過(guò)15mm。

（3）采用導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)，在鋼管塔上進(jìn)行了檢測(cè)，并用開(kāi)挖方法進(jìn)行了驗(yàn)證，證明該方法可用于鋼管塔特別是埋地或護(hù)墩內(nèi)部分的局部腐蝕檢測(cè)，可檢測(cè)不小于管塔壁厚20%（最小深度2mm）的腐蝕坑。

［1］何存富，李隆濤，吳斌.超聲導(dǎo)波在管道中傳播的數(shù)值模擬［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，30（2）：129－133.

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