核电混凝土裂缝深度的超声检测.pdf

无损检测2023年第45卷第5期11试验研究DOI:10.11973/wsjc202305003核电混凝土裂缝深度的超声检测袁林林，刘卫东，李？，钟志民？，王东辉（1.上海理工大学环境与建筑学院，上海2 0 0 0 9 3；2.国核电站运行服务技术有限公司，上海2 0 0 2 33摘要：在混凝土中加入防辐射重晶石材料以模拟核电混凝土，设计不同裂缝深度试件，对不跨缝声学参数进行拟合，得出相应试件的截距和声速，利用超声波法首波反相确定相应测点的裂缝声学参数，计算出实测的裂缝深度。在时距法基础上对深度为40 8 0 mm的裂缝进行计算，分析得出设计裂缝深度与实测裂缝深度相应的误差范围。结果表明，裂缝深度越深，工况越复杂，其误差越大；首波反相方法具有较高准确性。关键词：裂缝深度；超声检测；核电混凝土；首波反相中图分类号：TG115.28文献标志码：A文章编号：10 0 0-6 6 56（2 0 2 3)0 5-0 0 11-0 5Ultrasonic detection of crack depth of nuclear power concreteYUAN Linlin,LIU Weidong,LI Kai?,ZHONG Zhimin?,WANG Donghui?(1.School of Environment and Architecture,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2.China Nuclear Power Plant Operation Service Technology Co.,Ltd.,Shanghai 200233,China)Abstract:Anti-radiation barite material was added into concrete to simulate nuclear power concrete,andspecimens with different crack depths were designed.The intercept and sound velocity of the correspondingspecimens were obtained by fitting the acoustic parameters of non-crossing joints.The acoustic parameters of cracksat the corresponding measuring points were determined by the first wave inversion of ultrasonic method,and themeasured crack depths were calculated.Based on the time interval method,the corresponding error range betweenthe designed crack and the measured crack is obtained by calculating and analyzing the crack depth of 40-80 mm.The results indicate that the depth of crack is deeper,the error will be larger due to the complexity of workingconditions.The first wave inversion method has high accuracy.Key words:crack depth;ultrasonic testing;nuclear power concrete;first wave inversion混凝土结构是工程建设中不可或缺的部分，施工、养护和服役等阶段的不可抗因素会使得混凝土结构产生裂缝，影响结构安全和使用寿命，因此需对裂缝缺陷进行检测，以对混凝土结构进行质量评估。混凝土裂缝检测方法通常有超声波检测法和冲击回波检测法。国外学者 2-7 使用超声波法对混凝土进行检测且对混凝土裂缝深度进行研究；国内学者研究了使用超声波相位反转检测混凝土构件裂缝深度、裂缝检测机理、裂缝检测方法等 8 141收稿日期：2 0 2 2-10-17基金项目：国家科技重大专项（2 0 18 ZX06002008）作者简介：袁林林（19 9 6 一），男，硕士研究生，研究方向为无损检测通信作者：刘卫东，研究方向为无损检测，在混凝土结构裂缝检测中，深度为6 0 2 50 mm的裂纹检测精度较高，误差较小，而深度小于6 0 mm的裂缝检测误差较大。因此试验根据核电混凝土的工况，设计深度为40 6 0 mm和6 0 8 0 mm两个区间的裂缝，在原有采用超声波时-距法检测裂缝深度的基础上，研究核电混凝土中不同深度裂缝被检出的难易程度，并对所设计的核电混凝土裂缝检测方法和误差进行进一步研究。1裂缝检测机理超声波法检测核电混凝土试件时，由于试件出现裂缝破坏了完整性，发射换能器发出的超声波只能绕过裂缝到达接收换能器，因此与正常混凝土试件相比，其超声波波形的主频、波速、声时和波幅等无损检测2023年第45卷第5期12核电混凝土裂缝深度的超声检测袁林林，等：声学参数会发生改变，而通过分析声学参数的变化可得出裂缝深度。采用时-距法进行裂缝深度测量时，测距过大，超声波能量会衰减而影响波形分析；测距过小，波形会发生畸变而导致实测裂缝误差增大。因此测距选取为50，10 0，150 mm，作为不跨缝回归曲线拟合求得截距和声速，采用单面平测法布置换能器，其平面检测法分为不跨缝和跨缝声时测量。将换能器T（发射换能器）、R（接收换能器）放置在裂缝的一侧，根据两个换能器T,R之间的内边距（内边距L=50mm，L=100mm,L3=150mm，,L)读取声时(t1,t，t 3，,t），绘制出时-距图或者用回归曲线求出声时和测距之间的表达式L=a+bt;(1)式中：b为斜率，即声速；为截距在测试过程中，每两个测点之间超声波传播的实际距离1，；为l;=lal+Li（2)此时，不跨缝的声速 为或=b(3)Ut;一t1跨缝声时测量时，将换能器T,R分别放置在裂缝两侧，然后根据T，R 之间的内边距读取声时，记作t，同时要观察首波是否反相，发现首波相位变化时，取裂缝深度为该测距以及相邻两个测距所得裂缝深度的平均值，若难以观察到首波反相，则以不同测距按照式（4)计算，将测距L；与d，比较，取d;L;3d;，除此之外的数据剔除。d-1(4)1h=2d;(5)ni=1式中：d；为每次检测得到的裂缝深度；h为所测的裂缝深度平均值；n为测点数。跨缝裂缝超声检测原理如图1所示。2核电混凝土裂缝设计2.1仪器与试验材料使用北京海创公司HC-U81型多功能超声波无损检测仪进行检测，其主要由主机、平面换能器和探测装置等部件组成。为模拟核电混凝土，在混凝土中加人重晶石（具有吸收X射线和防辐射功能），重晶石的主要成分是硫酸钡，摩氏硬度是3.0 3.5，比重LRTAB图1跨缝裂缝超声检测原理为4.0 4.6,堆积密度为17 0 0 kgm-3，含泥量为0.35%。试件设计密度为2 8 0 0 kgm-3,其实测堆积密度为2 7 8 5kgm-3，立方体抗压强度为45.4MPa，静弹性模量为3.9 10 4MPa，砂率为0.35。其配合比为：水泥，46 1.7 kgm-3；水，2 2 0.9 kgm-；重晶石，684.1kg?m-3；重晶砂,36 8.4kg?m-3；普通碎石，700.4kgm-3;黄砂,32 9.5kgm-32.2裂缝设计该试验设计6 个混凝土试件SP1SP6,SP1SP4每个试件设置4条裂缝，SP5和SP6各设置5条裂缝。设计裂缝深度为40，45，50，55，6 0，7 0，80mm。SP1和SP2所设计的裂缝深度相同，但位置不同；SP3和SP4裂缝深度相同，位置不同；SP5和SP6试件尺寸与SP1SP4尺寸不同，主要是为了验证试件尺寸对测试裂缝的影响。考虑实际构件中钢筋对检测的影响，每个试件均需加入钢筋笼，其混凝土保护层厚度为2 0 mm，SP1SP4试件尺寸为40 0 mm400mm200mm（长宽高，下同）；为模拟大体积混凝土，SP5试件尺寸设计为10 0 0 mmX1000mmX800mm;SP6试件尺寸为10 0 0 mmX1000mmX500mm。试件外观如图2 所示。2.3试件裂缝数据采集每个试件设置不同深度的裂缝，在进行不跨缝数据采集时，为减小试验误差，在试件表面选取一个较平整的面进行采集，所测数据经拟合处理得到的截距和声速作为每条裂缝共同的截距和声速。不跨缝数据采集时，根据超声波检测混凝土裂缝规范，测距设为50，10 0，150 mm，增量设为2 5mm和50mm。实际操作过程中，要进行零声时判别，在换能器上涂抹适量耦合剂，使T、R 换能器的内边距符合所设置好的测距，保持波形稳定。跨缝数据采集过程为：在不同测距位置测取声学参数，同时观察显示屏上波形参数的变化，保证超声波的首波发生反相且波形趋于稳定时，保存所测数据，作为实测裂缝的声时值。无损检测2023年第45卷第5期13核电混凝土裂缝深度的超声检测袁林林，等：(a)SP1(b)SP5(c)SP6图2核电混凝土裂缝试件外观3裂缝深度计算及误差分析在进行裂缝深度计算时，通过测点得到的声时并不是超声波越过试件裂缝的实际声时，为减小误差需将零声时去掉。根据CECS212000数学模型，超声波实际传播距离是由测点间距与不跨缝数据拟合所得截距绝对值之和，试件SP1SP4、SP5和SP6根据不跨缝拟合（按相同标准）得到不同的截距和声速值，为减少仪器程序对数据的修正，通过该仪器的数据采集软件得到相应试件的声时值，然后采用CECS21:2000数学模型计算每条裂缝中每个测点的裂缝深度。试验利用Origin数据分析软件对不跨缝所得声时进行数据拟合得到每个试件的截距和声速，以计算每个试件中每条裂缝的实际缝深。试件SP1中，设计裂缝深度分别为40，45，6 0，50 mm。不同测点测距为50，10 0，150 mm，所对应的声时为19,31,43.5s；波幅为118.10,10 3.17,10 4.9 8 dB；声速为2.6 32,3.2 2 6，3.448 km?s-1。通过不跨缝声时和声速拟合可知截距a为一2 9，斜率即声速为4.26km?s-1。以试件SP1中设计裂缝深度为40 mm为例,第一对测点测距为50 mm，根据截距的绝对值可知超声波经过裂缝的距离为7 9 mm；第二对测点测距为10 0 mm，测距增量为2 5mm，可知超声波经裂缝的距离为12 9 mm；第三对测点测距为150 mm，测距增量为50 mm，可知超声波经裂缝的距离为179mm；由超声波仪的测量软件可知3个测点的声时分别为2 6.7 35.9，46.2 us，由上文公式可计算得相应的裂缝深度分别为40.8，40.9，41.0 mm，其平均裂缝深度为40.9 mm。由以上方法可得出试件SP2SP4、SP5和SP6中每条裂缝的实测深度，结果如图3所示。由图3可知，超声波不跨缝检测时，由于混凝土160160160160160160不跨缝时距拟合：不跨缝时距拟合不跨缝时距拟合：140140140140140140120y=-29.0+4.26c裂缝1120120y=-26.9+4.13c裂缝1120120y=-37.0+4.35c裂缝1unu/i120uu/iuu/i裂缝2裂缝2裂缝2100100100裂缝3100100裂缝3100裂缝3裂缝4裂缝480裂缝4808080808060606060606040404040404015202530354045.505515202530354045502025303540455055声时/us声时/us声时/us(a)SP1(b)SP2(c)SP3160160160160160160不跨缝时距拟合，不跨缝时距拟合：不跨缝时距拟合，裂缝1140140140裂缝1140140裂缝2140y=-44.0+4.65y=-32.0+4.28裂缝2y=-32.0+4.30裂缝3120u/翡/120裂缝1120120120uu/i120uu/iunu/i裂缝3裂缝4裂缝2100100100100100裂缝5100+裂缝3裂缝480裂缝48080裂缝58080806060606060604040404040402025303540455015202530354045505515202530354045505560声时/us声时/us声时/us(d)SP4(e)SP5(f)SP6图3试件SP1SP6裂缝的超声实测深度无损检测2023年第45卷第5期14核电混凝土裂缝深度的超声检测袁林林，等：中无缺陷，测距与声时呈线性关系；而在跨缝检测时，由于裂缝的存在，超声波绕过裂缝从而声时增加，测距与声时不呈线性关系。根据CECS21:2000数学模型可得出每个测点对应的裂缝深度。通过测点计算出的裂缝深度，可得知试件中每条裂缝深度的平均值。SP1所测4条缝深均值分别为40.9，44.4，6 5.8 50.6 mm；SP2 所测4条缝深均值分别为42.1，6 3.2，47.8,38.5mm；SP3所测4条缝深均值分别为6 6.6 51.3,38.3,58.7 mm；SP4所测4条缝深均值分别为52.0，40.2，54.0，64.4mm；SP5所测5条缝深均值分别为50.4，57.1，38.1,47.3，6 6.3m m；SP6 所测5条缝深均值分别为42.3,51.0，6 6.3，8 8.9,8 5.6 m m。根据试件裂缝的设计深度和实测深度可得知每条裂缝的误差情况，将其绘制成曲线，如图4所示（不同颜色表示不同裂缝）。70706565609.60%15.30%11%654.90%556050611.20%14.40%2.60%554521.30%4546.40%40442.30%4073.75%+4.25%352裂缝序号(a)SP1SP390907%8080uu/70707.1%10.5%+7.3%606010.5%11.82%43.82%504.0%140.8%42.0%50X5.1%40m40.5%4+4.75%5.75%40裂缝序号(b)SP4SP6图4各试件缝深的误差曲线由裂缝误差数据分析可知，设计深度为40 50mm的裂缝中，误差最小为0.5%，最大为6.4%；设计深度为50 6 0 mm的裂缝中，误差最小为0.8%，最大达11%；设计深度为6 0 8 0 mm的裂缝中，最小误差为5.3%，最大误差达11.1%。由以上误差数据分析可知，在核电混凝土试件中，裂缝深度为4050 m m 时，超声实测裂缝深度总体小于设计裂缝深度；裂缝深度为50 8 0 mm时，超声实测裂缝深度总体大于设计裂缝深度；与6 0 8 0 mm深度相比较，裂缝深度为40 6 0 mm时的误差较小。由此可见，随着裂缝深度增大，其误差也会增大。误差产生原因主要有以下5点：检测距离引起的误差，检测距离过大，超声波能量衰减，检测距离过小，波形发生畸变，两者都会影响波形分析，从而产生误差；裂缝深度造成的误差，裂缝深度过大，裂缝会向下四周延展，其复杂性增大，不可控因素过多，使得超声波在传播过程中声时过大从而引起误差；试验操作造成的误差，试件平整度、耦合剂涂抹均匀度和两个平面换能器所受压力大小都会导致波形首波变形，甚至出现丢波从而造成误差；试件质量问题导致的误差，超声波在试件中传播时，试件不密实、含缺陷时引起的超声波反射、散射等现象会造成声波衰减，首波波幅变小从而造成误差；试验模拟核电混凝土与普通混凝土相比，前者对声波能量衰减更为突出，这也使得在裂缝深为408 0 m m 时，裂缝深度越大，误差也增大。4结语利用超声波检测所设计模拟核电混凝土试件裂缝，不跨缝测取声学参数，包括声时、波幅、波速等，按照测距50，10 0，150 2 0 0，2 50 mm等距离测取数据时，由于需要施加耦合剂、清理试件表面，为了减小误差，通常只选取一个较好的区域进行检测，得到单个试件的数据并拟合得到截距和波速，而不是每个裂缝重新测取一遍，且尽量多测几个测点进行拟合。由所测数据分析可知，缝深深度为40，45，50 mm时，检测误差较小，其最小误差为0.5%，最大误差为6.4%；缝深为50 8 0 mm时，误差相比于设计深度不大于50 mm裂缝的要大得多，其最大误差已达到11.1%，即裂缝深度较大时，缝深误差较大。由于试验设计的是模拟裂缝，与实际工程中的裂缝有一定区别，在实际应用过程中，需考虑裂缝缺陷的复杂性。根据超声波波形图相位反转特性，使用其相近的两个测点作为计算平均实测缝深的测点，所得结果具有一定的准确性，且比使用三点法直接计算缝深更加准确。进行不跨缝拟合时，由于所得到的截距和波速是一个范围值，在选取截距和波速时需要一定的经验，在试验过程中，应按照同一个标准进行选择。参考文献：1张小琼，王战军.混凝土无损检测方法发展及应用J.无损检测，2 0 17,39（4）：1-5.2DESCH,SPROULE D O,DAWSON.The detection无损检测15（上接第5页）核电混凝土裂缝深度的超声检测袁林林，等：of cracks in steel by means of 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