馬君鵬，王永強(qiáng)，岳賢強(qiáng)，李鴻澤，劉敘筆，李羽可

(1. 江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102； 2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210008；3. 武漢中科創(chuàng)新技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

輸電線路因鐵塔地腳螺栓錨桿斷裂而引起的電力系統(tǒng)事故時(shí)有發(fā)生，常常帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。由于在役輸電線路鐵塔地腳螺栓深埋于混凝土基座里，如因混凝土開(kāi)裂浸水導(dǎo)致地腳螺栓發(fā)生腐蝕，且腐蝕嚴(yán)重狀況無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致腐蝕程度不斷加劇進(jìn)而引發(fā)斷裂風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)資料顯示地腳螺栓腐蝕損傷無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)往往是地腳螺栓錨桿斷裂進(jìn)而引發(fā)事故的主要原因[1-2]。同時(shí)，地腳螺栓腐蝕缺陷具有很強(qiáng)的隱蔽性，常規(guī)檢測(cè)方法需要通過(guò)開(kāi)挖進(jìn)行，成本高、效率低。因此，研究在役輸電線路鐵塔地腳螺栓在不開(kāi)挖情況下腐蝕狀態(tài)檢測(cè)評(píng)估技術(shù)十分必要，能夠確保及早發(fā)現(xiàn)地腳螺栓腐蝕缺陷、評(píng)估危害程度、采取相應(yīng)防護(hù)措施，避免輸電線路事故發(fā)生，減少停電時(shí)間和開(kāi)挖維修造成的損失，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義[3]。

目前對(duì)錨固體系的無(wú)損檢測(cè)研究大多限于聲頻應(yīng)力波法，還處于探索階段，所得測(cè)試波形雜亂，難以識(shí)別判斷。而利用超聲導(dǎo)波技術(shù)對(duì)錨桿進(jìn)行檢測(cè)則成為了近年來(lái)一個(gè)新的研究方向[4]。國(guó)外，NA W B和KUNDU T利用彎曲柱面導(dǎo)波評(píng)估混凝土鋼筋界面脫粘情況[5]。BEARD M D 等應(yīng)用超聲導(dǎo)波方法對(duì)礦山錨桿的完整性無(wú)損檢測(cè)進(jìn)行了初步的試驗(yàn)與理論研究，并取得了一定的進(jìn)展，驗(yàn)證了利用超聲導(dǎo)波對(duì)錨桿檢測(cè)的可能性，但僅限于實(shí)驗(yàn)室研究階段[6]。VIENS M研究了扭轉(zhuǎn)模態(tài)在無(wú)限大介質(zhì)中桿的傳播特性并進(jìn)行了理論分析，但沒(méi)有進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證[7]。國(guó)內(nèi)，何存富等研究了低頻導(dǎo)波在埋地錨桿中的傳播特性，而應(yīng)用高頻縱向軸對(duì)稱超聲導(dǎo)波對(duì)埋于無(wú)限大介質(zhì)中桿的傳播特性研究還鮮見(jiàn)報(bào)道[8]。吳斌等對(duì)低頻的L(0,1)模態(tài)在鋼桿中的傳播特性進(jìn)行了研究，而對(duì)于埋入介質(zhì)中的桿結(jié)構(gòu)，由于超聲導(dǎo)波在其中的頻散特性較為復(fù)雜，且結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波的衰減較大，很難獲得有效的信號(hào)，因而一直是研究的難點(diǎn)[9]。

相控陣作為無(wú)損檢測(cè)的熱門技術(shù)，可用于原材料、焊接接頭、連桿、螺栓等工件的快速檢測(cè)[10]，本文基于超聲導(dǎo)波理論及相控陣延時(shí)聚焦技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在役地腳螺栓相控陣超聲導(dǎo)波檢測(cè)。

1 檢測(cè)原理

超聲波在鋼桿中實(shí)際上是以導(dǎo)波的形式傳播，即超聲柱面導(dǎo)波(cylindrically guided wave technique, CGWT)。鋼桿作為波導(dǎo)介質(zhì)在傳播超聲導(dǎo)波時(shí)，回波信號(hào)中包含傳播過(guò)程中的全部信息，因此可利用導(dǎo)波的這種特性來(lái)進(jìn)行地腳螺栓的腐蝕檢測(cè)。

超聲波在板、桿及空心圓柱殼等波導(dǎo)中傳播時(shí)，由于受其邊界的作用來(lái)回反射形成導(dǎo)波。要在介質(zhì)中形成導(dǎo)波，要求介質(zhì)某一方向尺寸很小，如桿的直徑、板的板厚、管的壁厚等。導(dǎo)波在地腳螺栓中傳播時(shí)無(wú)聲波能量泄漏，因此鋼桿導(dǎo)波的群速度與能量速度相等?？梢愿鶕?jù)缺陷回波的時(shí)間對(duì)其進(jìn)行定位。本文將地腳螺栓近似為鋼桿，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行其腐蝕損傷的導(dǎo)波檢測(cè)研究。

2 鋼桿中的超聲柱面導(dǎo)波的頻散特性

桿狀波導(dǎo)中傳播的超聲波具有多模態(tài)和頻散特征。通過(guò)求解頻率方程可以得到導(dǎo)波各個(gè)模態(tài)的相速度和群速度，相速度曲線和群速度曲線見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 相速度曲線

圖2 群速度曲線

圖1中給出了超聲導(dǎo)波縱向軸對(duì)稱模態(tài)分布，曲線圖表明當(dāng)頻率較高時(shí)模態(tài)分布較復(fù)雜，每個(gè)頻率都對(duì)應(yīng)多個(gè)模態(tài)，各個(gè)模態(tài)均有各自的截止頻率。圖2表明各模態(tài)均存在衰減極小值，低頻模態(tài)有較大衰減，高階模態(tài)對(duì)應(yīng)某些特定頻率時(shí)衰減較小，這些特定頻率可以作為選擇檢測(cè)頻率的依據(jù)。衰減極小值對(duì)應(yīng)的頻率呈等間距分布規(guī)律。

對(duì)比圖1和圖2發(fā)現(xiàn)二者有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，相速度模態(tài)最快的區(qū)域?qū)?yīng)著群速度模態(tài)衰減值極小區(qū)域。由于這個(gè)模態(tài)速度最快，因此易區(qū)分于其他模態(tài)，該模態(tài)可用于缺陷檢測(cè)。

頻散曲線反映出在地腳螺栓中存在多個(gè)高階縱向軸對(duì)稱模態(tài)，且存在著具有軸向位移集中在桿體內(nèi)部、衰減值達(dá)到最小的某一特定頻率，該頻率對(duì)應(yīng)的模態(tài)可以傳播很遠(yuǎn)的距離，因此，檢測(cè)地腳螺栓時(shí)可以選用衰減極小值頻率對(duì)應(yīng)的模態(tài)來(lái)進(jìn)行。

3 地腳螺栓檢測(cè)試驗(yàn)與分析

基于超聲波檢測(cè)基礎(chǔ)以及相控陣延時(shí)聚焦技術(shù)，針對(duì)地腳螺栓中不同位置的缺陷進(jìn)行試驗(yàn)，為實(shí)現(xiàn)在役地腳螺栓相控陣超聲導(dǎo)波檢測(cè)提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

3.1 模擬試樣制備

為了確定地腳螺栓缺陷檢測(cè)靈敏度及缺陷定量定位，本實(shí)驗(yàn)根據(jù)螺栓規(guī)格、型號(hào)以及材質(zhì)，制備地腳螺栓模擬試樣，具體尺寸以及缺陷尺寸如圖3(a)所示，本實(shí)驗(yàn)使用混凝土將地腳螺栓包裹，模擬地腳螺栓在地下被混凝土固定包裹的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件，地腳螺栓規(guī)格為M42×1 500 mm，人工模擬腐蝕缺陷試樣如圖3(b)所示。不同深度缺陷對(duì)應(yīng)的地腳螺栓腐蝕缺失率見(jiàn)表1，分別選取缺陷深度為4 mm、5 mm、7 mm對(duì)應(yīng)腐蝕缺失率為4.84%、6.72%、10.96%的人工模擬腐蝕缺陷加工制備模擬試樣，缺陷距離檢測(cè)端面距離L分別為500 mm、800 mm、1 200 mm。

圖3 螺栓模擬試樣圖

表1 M42 mm地腳螺栓不同深度缺陷腐蝕缺失率

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用的檢測(cè)系統(tǒng)為定向研發(fā)的“輸電線路鐵塔地腳螺栓檢測(cè)儀”，如圖4所示。輸電線路鐵塔地腳螺栓腐蝕專用相控陣檢測(cè)儀具有如下特點(diǎn)：

1) 對(duì)16/64一維圓形平面線陣探頭實(shí)行循環(huán)線掃描，無(wú)需轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)探頭；

2) 適用于M20 mm～M100 mm地腳螺栓全規(guī)格尺寸范圍；

3) 具備螺栓實(shí)體模型CAD導(dǎo)入仿真功能、工件結(jié)構(gòu)模擬功能，缺陷檢測(cè)結(jié)果直接在B掃描圖像上進(jìn)行，缺陷顯示直觀；

4) 可實(shí)現(xiàn)全程動(dòng)態(tài)聚焦，將探頭放置于螺栓外露端面后可在短時(shí)間內(nèi)完成地腳螺栓整體檢測(cè)，檢測(cè)效率高；

5) 開(kāi)放式軟件環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)專用軟件的開(kāi)發(fā)和植入；

6) 流程化操作模式，易學(xué)易用。

圖4 檢測(cè)儀器

3.3 專用檢測(cè)探頭設(shè)計(jì)

針對(duì)輸電線路鐵塔地腳螺栓這一特定檢測(cè)對(duì)象，綜合現(xiàn)場(chǎng)大量螺栓檢測(cè)效率需求和檢測(cè)可靠性需求，選用一維圓形平面線陣形式設(shè)計(jì)制作專用檢測(cè)探頭，如圖5所示。

圖5 一維圓形平面線陣列傳感器

專用探頭具有如下特點(diǎn)：

1) 探頭采用一維圓形平面線陣設(shè)計(jì)，能夠更好適用于螺栓、棒材等圓柱狀試件檢測(cè)；

2) 探頭采用多陣元設(shè)計(jì)，例如32、64陣元等，能夠較好配合相控陣設(shè)備電子掃描技術(shù)提高檢測(cè)效率和覆蓋率，并可根據(jù)需求定制不同尺寸及陣元數(shù)，以便適用于地腳螺栓全規(guī)格尺寸范圍的檢測(cè)需求；

3) 探頭設(shè)計(jì)有中心通孔，能夠加裝定位銷裝置，確保探頭與螺栓端面耦合良好；

4) 探頭外殼設(shè)計(jì)有螺紋，可加裝耐磨裝置，避免探頭直接和試件接觸，延長(zhǎng)探頭使用壽命；

5) 探頭采用電纜線在側(cè)向引出設(shè)計(jì)，符合人體工程學(xué)原理，方便手持探頭實(shí)施檢測(cè)。

設(shè)計(jì)制作的系列地腳螺栓專用檢測(cè)探頭參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 檢測(cè)所用傳感器參數(shù)

3.4 試驗(yàn)與分析

1) 混凝土包覆的影響

采用2.25 MHz、3.5 MHz及5 MHz 3種不同頻率的探頭分別對(duì)M46×1 600 mm地腳螺栓模擬試樣距離端頭500 mm處深6 mm的模擬腐蝕缺陷于混凝土包覆前后進(jìn)行檢測(cè)，固定掃查增益為37dB，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。上述檢測(cè)結(jié)果中，草狀波波高約為18%，2.25 MHz探頭混凝土包覆后檢測(cè)結(jié)果如圖6所示，圖中圓圈分別標(biāo)識(shí)出了缺陷信號(hào)在B掃圖像、三維立體模型中的成像結(jié)果及A掃描波形。由表3數(shù)據(jù)分析，包裹混凝土前后相同檢測(cè)系統(tǒng)缺陷回波幅度僅相差約1 dB，因此是否包裹混凝土對(duì)地腳螺栓腐蝕缺陷檢出效果沒(méi)有明顯影響，均可獲得較好信噪比的檢測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證了該方法的有效性。

表3 不同頻率探頭混凝土包覆前后的檢測(cè)結(jié)果

圖6 2.25 MHz頻率下混凝土包覆地腳螺栓的 缺陷檢測(cè)結(jié)果

2) 探頭頻率的影響

針對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果，由表3數(shù)據(jù)分析可知，對(duì)于相同反射距離的相同截面積缺失率腐蝕缺陷，較高頻率探頭的檢測(cè)波高會(huì)略大于較低頻率探頭的檢測(cè)波高，因此在保證檢測(cè)能量的前提下建議采用較高頻率的探頭進(jìn)行檢測(cè)以便獲得更好的回波信號(hào)。

3) 定位誤差

針對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果，由表3數(shù)據(jù)可以看出，采用不同頻率的探頭檢測(cè)對(duì)缺陷的定位均會(huì)存在一定誤差，該誤差的產(chǎn)生是由于導(dǎo)波本身的多模態(tài)傳播特性造成的，因地腳螺栓腐蝕檢測(cè)最關(guān)心的是腐蝕缺陷的截面積缺失率，一定程度的定位誤差對(duì)于檢測(cè)來(lái)講是可接受的。

4)靈敏度確定

對(duì)于深度分別為4 mm、5 mm、7 mm的不同腐蝕缺失率的模擬缺陷進(jìn)行檢測(cè)，將系列檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)線性擬合公式(y=ax+b)進(jìn)行擬合后得到增益值隨距離遠(yuǎn)近的變化曲線，如圖7所示。這些曲線可以近似描述缺陷位置、回波增益和缺陷當(dāng)量尺寸之間的關(guān)系，可以依此建立地腳螺栓的腐蝕損傷評(píng)價(jià)體系。

圖7 M42 mm螺栓增益值隨著距離變化曲線圖

由圖7可以看出每個(gè)不同腐蝕缺失率模擬缺陷的距離增益曲線均可近似看成是線性的。在此基礎(chǔ)上，可通過(guò)在地腳螺栓模擬試樣上所需檢測(cè)最遠(yuǎn)處設(shè)置最小允許缺陷，調(diào)整儀器增益使該缺陷回波高度處于80%，并以此增益作為檢測(cè)靈敏度。在實(shí)際檢測(cè)中，以該方法設(shè)置檢測(cè)靈敏度對(duì)未知缺陷進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可檢測(cè)出整根地腳螺栓上大于最小允許缺陷當(dāng)量的缺陷，并根據(jù)上述距離增益曲線得到相應(yīng)腐蝕缺陷當(dāng)量，進(jìn)而估算腐蝕缺失率。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從理論上分析了柱面超聲導(dǎo)波的頻散特性，制作了不同深度缺陷的地腳螺栓模擬試樣，采用相控陣超聲柱面導(dǎo)波技術(shù)對(duì)模擬試樣進(jìn)行檢測(cè)，分析了混凝土包覆和探頭頻率對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，并建立地腳螺栓的腐蝕損傷評(píng)價(jià)體系，得出以下結(jié)論：

1) 可以選用衰減極小值頻率對(duì)應(yīng)的導(dǎo)波模態(tài)來(lái)檢測(cè)地腳螺栓。

2) 混凝土包裹對(duì)地腳螺栓檢測(cè)效果沒(méi)有明顯影響，表明該檢測(cè)方法可適用于埋地地腳螺栓不開(kāi)挖條件下的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

3) 實(shí)際檢測(cè)中，可根據(jù)距離-增益變化曲線確定缺陷當(dāng)量，用于評(píng)估地腳螺栓腐蝕損傷量。

相控陣超聲柱面導(dǎo)波技術(shù)檢測(cè)螺栓具有操作簡(jiǎn)單、結(jié)果直觀、可重復(fù)性好、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員要求低等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)還可應(yīng)用于其他行業(yè)類似螺栓的檢測(cè)。