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无损检测2023年第45 卷第8 期55混凝土无损检测专题DOI:10.11973/wsjc202308011基于微波的输变电线路钢筋混凝土结构腐蚀检测王申华，应旭华，王旭杰，林木军，蒋建红?，黎鹏（1.国网浙江省电力公司武义供电公司，金华32 12 0 0；2.三峡大学电气与新能源学院，宜昌4430 0 2)摘要：针对现有钢筋混凝土腐蚀检测方法的局限性，提出了基于微波透射法和反射法的输变电线路钢筋混凝土结构腐蚀无损检测方法；建立了矩形波导扫描钢筋混凝土基础仿真模型，分析了钢筋腐蚀前后散射参量 S21 和 S11 的变化规律,研究了波导工作频率对检测效果的影响,并通过开展钢筋混凝土结构微波无损检测试验，验证了仿真方法的有效性。试验结果表明，根据钢筋腐蚀前后S21 和 S11 幅值的变化，可实现钢筋混凝土结构的腐蚀检测；透射检测法受频率影响较小，而反射检测法受频率影响较大，需根据腐蚀部位及尺寸合理选择波导工作频率。关键词：腐蚀；微波；透射法；反射法；特征频率中图分类号：TG115.28文献标志码：A文章编号：10 0 0-6 6 5 6（2 0 2 3)0 8-0 0 5 5-0 7Corrosion detection of reinforced concrete structure for transmission and transformationlines based on microwaveWANG Shenhua,YING Xuhua,WANG Xujie,LIN Jun,JIANG Jianhong,LI Peng?(1.State Grid Zhejiang Wuyi Electric Power Supply Company,Jinhua 321200,China;2.College of Electrical Engineering&New Energy,China Three Gorges University,Yichang 443002,China)Abstract:In view of the limitation of existing corrosion detection methods for reinforced concrete,anondestructive detection method based on microwave transmission and reflection method proposed.The simulationmodel of rectangular waveguide scanning reinforced concrete foundation established,and the variation of scatteringparameters S2 and Sn corrosion analyzed,and the influence of waveguide working frequency on the detection effectstudied.Through carrying out microwave non-destructive experiments of reinforced concrete structures,theeffectiveness of the simulation method was verified.The results show that the corrosion detection of reinforcedconcrete structure can be realized based on S2 and Sn changes in amplitude before and after steel corrosion.Thetransmission detection method less affected by frequency,while the reflection detection method more affected byfrequency the operating frequency of the waveguide should be reasonably selected according to the size of thecorrosion site.Key words:corrosion;microwave;transmission method;reflection method;characteristic frequency随着电网输电需求的不断增加，国家建设的超收稿日期：2 0 2 2-0 7-2 6基金项目：国网浙江省电力公司武义供电公司科技项目(BD60ZHJS2020001)作者简介：王申华（197 8 一），男，本科，高级工程师，主要从事配电网管理、科技管理、信息新技术管理等工作通信作者：蒋建红，2 5 0 2 417 7 12 特高压输电线路将不可避免地经过盐渍土等强腐蚀地区1-2 ，盐渍土对钢筋混凝土基础有很强的腐蚀作用。输变电基础一旦因腐蚀发生倒塌，将严重威胁电网的安全稳定运行3。因此，针对输变电线路钢筋混凝土结构，提出有效的腐蚀检测方法具有重要的实际意义。常见的腐蚀检测方法主要包括非电化学检测无损检测2023年第45 卷第8 期56基于微波的输变电线路钢筋混凝土结构腐蚀检测王申华，等：（涡流法、声发射法）和电化学检测（半电池法、交流阻抗法、电化学噪声法等）。周文举4基于脉冲涡流研究了不同腐蚀程度钢筋混凝土试件对检测信号的影响，分析了时域和频域信号特征值随钢筋锈蚀的变化规律。徐港等5 运用声发射技术研究了水泥基材料中钢筋锈蚀过程的声发射信号特征，结果表明通过对声发射信号能量分布的统计分析能准确确定钢筋锈蚀情况。朱雅仙等6 给出了半电池法检测判别钢筋混凝土结构钢筋腐蚀的半电池电位范围。邱富荣等7 利用交流阻抗模值大小反映钢筋腐蚀程度，即模值愈小，腐蚀量愈大。乔国富等8 1利用电化学噪声小波能量参数解析点蚀监测信号，实现了混凝土中钢筋点蚀的判定。综合来看，涡流法检测具有非接触、对大面积腐蚀检测灵敏度高等特点9，但存在缺陷定性和定量困难等问题。声发射技术对材料内部缺陷产生和扩展所释放的瞬态能量较为敏感，但检测信号易受环境噪声及仪器设备的影响10 。半电池电位法虽是电化学测量中最简单有效的方法，但混凝土本身的复杂性及环境温湿度的改变，都会引起电位测量的波动。交流阻抗法的响应为微弱信号，存在腐蚀参数分析不准确、信噪比低、误差大等问题；电化学噪声技术无须对腐蚀系统外加任何扰动，能真实反映腐蚀系统的本质特征8 ，缺点是检测仪器昂贵，易受外界噪声源的耦合干扰。针对现有腐蚀检测方法的局限性，提出了一种基于微波透射法与反射法的输变电线路钢筋混凝土结构腐蚀无损检测方法，建立了钢筋混凝土结构腐蚀仿真模型，对微波检测频率的选择进行了探讨。结果表明，根据钢筋腐蚀前后散射参量S21和S11幅值的变化，可实现钢筋混凝土结构的腐蚀检测，1微波腐蚀检测原理微波是频率为30 0 MHz30 0 G H z 的电磁波，具备频率高、波长短、对非金属材料有较强穿透能力等特点。微波无损检测的基本原理1-12 为，微波透射被检对象时，在缺陷位置会出现反射、散射、透射等现象，缺陷的存在改变了感测区域内的介电特性，改变了原有微波场，根据微波场的变化即可实现缺陷的检测。微波腐蚀检测原理（见图1)为：微波信号源产生等幅连续波、扫频波和脉冲调制波，发射探头和接收探头分别用于发射微波信号和接收载有材料内部缺陷信息的透射信号。微波无损检测一般分为反射法和透射法，其中，反射法通过发射探头接收微波反射信号，根据入射信号和反射信号的差异来判断腐蚀情况，而透射法通过人射信号和透射信号的差异来判断腐蚀情况。微波信号源1端口 2端口发射探头接收探头试件图1微波腐蚀检测原理示意2微波腐蚀无损检测仿真模型及参数2.1仿真模型为分析输变电线路钢筋混凝土结构腐蚀微波无损检测的有效性以及微波频率对检测效果的影响，在三维全波电磁仿真软件CST中建立如图2 所示的长方体钢筋混凝土简化模型，混凝土尺寸为350mm150mmX150mm（长宽高），钢筋位于正中间位置，其直径为2 2 mm，长度为35 0 mm；其中,图2(a)为钢筋未腐蚀模型，图2(b)为钢筋发生腐蚀的模型，为简化计算，假设钢筋整体均匀腐蚀，腐蚀层厚度为2 mm。波导扫描钢筋混凝土模型侧视图如图3所示，前后两波导固定于试件中间位置（钢筋所在位置）且350混凝土块未腐蚀钢筋150(a)未腐蚀模型正面350混凝土块未腐钢筋腐蚀层150(b)全腐蚀模型正面图2钢筋混凝土简化模型无损检测2023年第45卷第8 期57基于微波的输变电线路钢筋混凝土结构腐蚀检测王申华，等：22矩形波导未腐蚀钢筋(a)未腐蚀模型侧面腐蚀层22未腐蚀钢筋(b）全腐蚀模型侧面图3波导扫描钢筋混凝土模型侧视图与模型表面的距离为2 mm，前弓的矩形波导探头发射微波信号，后弓的矩形波导探头和前弓波导探头接收载有腐蚀信息的透射和反射信号2.2材料参数设置钢筋锈蚀产物铁锈的主要成分为氧化铁，其导电性较差，密度为5.2 4gcm-3，比热容为670J(kgK)-1,介电常数为1 4.2 Fm-1。钢筋、混凝土材料分别选用CST软件材料库中的Steel-1008和Concrete(forty years old),铁锈、钢筋和混凝土的具体参数如表1 所示。铁锈、钢筋和混凝土材料具体参数参数铁锈钢筋混凝土电导率/(Sm-1)107.69X106介电常数/(Fm-1)14.2密度/(kgm-3)524078702.400导温系数/(WK-1.m-1)55.059.51.7比热容/(J(kgK)-1)6704808002.3微波频率选择微波检测精度会受到工作频率的影响1 2 1，在实际检测中，为满足灵敏度的要求，常用X（8.2 10.9GHz）波段、Ku（1 0.91 8 G H z）波段和K（1 8 3 6 G H z)波段，甚至扩展到W(561 0 0 G H z）波段。M.Rockwitz理论指出1 3 ，金属介质内的气隙缺陷半径与波长满足Ka1,其中K=2元/入，入为波长，a为气隙半径；因此，根据缺陷尺寸即可确定微波的工作频率。经M.Rockwitz理论计算，当腐蚀深度分别为2 mm和3 mm时，对应的微波工作频率分别为2 3.8 8 GHz和1 5.9GHz，微波工作频率随缺陷尺寸的减小近似呈线性增大。不同频率微波传输的功率不同，确定尺寸的波导管有对应的最大传输功率1 4，国际电工委员会标准IEC153-21974空心金属波导第二部分：普通矩形波导有关规范对不同频段的波导尺寸作了详细规定，且频率范围涵盖整个微波波段。为了分析微波频率对腐蚀检测效果的影响，根据IEC153-21974标准，仿真采用的波导参数如下：R70型（5.3 8 8.1 7 GHz)，内截面尺寸为3 4.8 49mm15.799mm(宽X长);R100型(8.2 1 2.5 GHz),内截面尺寸为2 2.8 6 mm10.16mm（长宽);R140型(1 1.91 8 GHz),内截面尺寸为 1 5.7 99 mmX7.899mm(长X宽);R220型(1 7.6 2 6.7 GHz),内截面尺寸为1 0.6 6 8 mm4.318mm（长宽）。3仿真结果及分析为分析微波工作频率对钢筋腐蚀检测效果的影响，主要观察腐蚀前后散射参量S21（传输系数）和S1（回波损耗)的差异。通常所说的散射参量是指归一化散射参量，二端口网络归一化人，反射波示意如图4所示，参照图4两者的定义如下：51 1 为端口2接匹配负载时，端口1 的归一化电压反射系数；S21为端口2 接匹配负载时，端口1 到端口2 的归一化电压传输系数；二者可写为S1102十U2S21十Ui0Si参数的dB表示方法为Si;=20lgsij式中：0 t、2 分别为端口1,2 的人射电压；0 i、0 2 分别为端口1,2 的反射电压；i和i分别表示不同端口。12V1V2图4二端口网络归一化人，反射波示意（侧视图）3.1R70波导仿真结果波导R70扫描得得的S21、S 1 1 参数如图5所示，可知，未腐蚀与腐蚀钢筋混凝土结构相比，S21、S11波形的振荡特性基本一致，且整体均随频率的增加呈衰减振荡，即在波导频率范围内，峰值（极大值)随频率增加逐渐减小。由S21参数可知，钢筋整体腐蚀后，S21曲线较未腐蚀时明显下移。S21幅值主要集中在一1 8 一2 6 dB,未腐蚀和整体腐蚀时，无损检测2023年第45卷第8 期58J不苗得到2 1基于微波的输变电线路钢筋混凝土结构腐蚀检测王申华，等：最大与最小值差分别为1 0.2 2 dB和7.2 7 dB。由S11参数可知，腐蚀后S1的整体幅值有所增大，但幅值变化小于S21幅值，与钢筋未腐蚀相比，最大与最小值之间的差异由4.7 0 dB降为3.52 dB。为进一步分析腐蚀前后S21和S11参数差异随频率的变化规律，分别计算腐蚀前后S21、S 1 的差值S21和S11，结果如图6 所示。由图6 可以看出，S21与S1随频率振荡的幅度较大，并无明显变化规律，S21差值S21幅值集中在一1.3 43 5.45dB，在7.595GHz附近达到最大，约为5.45dB。S 1 幅值主要集中在一1.57 1.2 94dB,在7.7 2 GHz附近达到最大，约为一1.57 dB。未腐蚀-6-16未腐蚀整体腐蚀整体腐蚀-18-7-20-8P/S22-9M-24-10-26-11-28-123.05.56.06.57.07.58.08.55.05.56.06.57.07.58.08.5频率/GHz频率/GHz(a)S21(b)S11图5波导R70扫描得到的S21与S1结果61.551.04.S114-0.5AP/SaP/s3一0.02-0.5*N12-1.00-AS21-1.5-1-22.015.05.56.06.57.07.5 8.08.5频率/GHz图6波导R70扫描得到的S21和S1曲线未腐蚀-20整体腐蚀25八-30-358.08.59.09.510.010.511.011.512.012.5频率/GHz(a)S21图7波导R100扫折波导R100扫描得到的S21，S 1 1 曲线如图8所示，可见：S21与S1的振荡峰值基本稳定。S 2 1 幅值为一3.8 98.3 1 3 dB,在1 1.2 6 GHz附近幅值达到最大，约为8.3 1 3 dB。S 1 1 幅值主要集中在一1.57 1 1.1 8 7 dB,在9.6 49GHz附近幅值最大3.2R100波导仿真结果波导R100扫描得到的S21与S1结果如图7所示，可见，与R70相比，R100检测结果在曲线形状及幅值变化趋势上发生了明显变化，S21振荡峰值随频率的增加几乎未发生改变，而S1明显减小；且整体腐蚀后，S21曲线下移程度也有所增大。S21幅值主要集中在一2 0.2 5一3 4.8 1 dB,未腐蚀和整体腐蚀时，最大与最小值之间的差值分别为1 4.59和1 0.0 1 dB；腐蚀后S11的整体幅值同样有所增大，且幅值差异仍小于S21的，与钢筋未腐蚀时相比，最大与最小值之间的差异由6.1 7 降为4.0 6 dB。未腐蚀8整体腐蚀-9-10P/S-115-12-13-14-15。8.08.59.09.510.010.511.011.512.012.5频率/GHz(b)S11的结里约为一1.57 1 dB。3.3R140波导仿真结果R140波导获得的S21和S1（见图9)参数振荡频率较R100和R70的明显提高，这主要与矩形波导R100尺寸更小有关，随着微波频率的增加，波导尺寸减无损检测2023年第45卷第8 期59基于微波的输变电线路钢筋混凝土结构腐蚀检测王申华，等：101.5AS1181.060.540.02-0.50-1.02-1.5AS214-2.08.08.59.09.510.010.511.011.512.012.5频率/GHz图8波导R100扫描得到的S21和S1曲线未腐蚀-20整体腐蚀-25-30-35p/s-40-45-50-55-60-6511112131415161718频率/GHz9未腐蚀整体腐蚀-10-11-12-13-14-15-16-171112131415161718频率/GHz图9波导R140扫描得到的S21与S1结果小，微波能量更加集中，使得其获取钢筋相关信息的能力更强。S21幅值主要集中在一2 1.3 9一46.0 8 dB,未腐蚀和整体腐蚀时，最大与最小值的差值分别为43.88 dB 和 1 9.1 5 dB;同 时,S21 在 1 3 GHz 和13.72 GHz附近出现了明显的脉冲尖峰,曲线下降速度快，说明在该频率附近微波能量衰减较快，可将该频率定为微波检测的敏感频率，即1 3 1 4GHz作为透射检测的特征频段。S1曲线的变化规律未发生较大改变，仅振荡频率有所增大，未腐蚀和整体腐蚀时,S1最大与最小值之间的差值分别为7.3 dB和5.4dB。AS21和S1随频率的变化如图1 0 所示，S21幅值在9.92 2 9.1 4dB,在1 3 GHz和1 3.7 2 GHz处幅值相对较大（分别为一2 9.1 4dB，一7.6 48 dB)。相较于S21,S 1 1 的幅值仍维持相对稳定，整体变化范围为-1.47 2 1.0 dB。101.551.00.0.5一5一-10.0.0一-一15-0.5-20-.-1.0-25AS21ASu-30上-1.51112131415161718频率/GHz图1 0波导R140扫描得到的S2i和S1曲线3.4R220波导仿真结果R220波导检测结果如图1 1 所示，可见，S21幅值主要集中在一2 6.8 5一52 dB,未腐蚀和整体腐蚀时，最大值与最小值之间的差值分别为2 5.2 9dB和37.99dB；在频率2 1.3,2 2,2 4.8 GHz附近，S21下陷深度较大，这几个频率处S21分别达到1 2.3 1，1 8.0 3，11.11dB(见图1 2)，即存在多个适合微波透射法检测的特征频率，但以上几个特征频率对应的幅值差均小于R100在1 3 GHz时的幅值差2 9.1 4dB。随着波导频率增大，S11曲线前后幅值变化趋势发生改变，在17.62 2 G H z 时，内保持与其他波导相同的变化趋势，而在2 2 2 6.7 GHz时，随着频率的增加峰值逐渐增大，且在2 2 2 5GHz，下陷深度较大；未腐蚀和整体腐蚀时，S11分别在2 2.3 5GHz和2 3.3 1 GHz处下陷深度达到最大（对应的幅值为一43.98 dB和一40.56 dB)，S 1 1 最大值与最小值之差由原来的26.86dB降为2 3.2 2 dB，幅值衰减程度明显变大。由图1 2 可知，S11在2 2.3 5GHz和2 4.6 GHz处幅值差分别为1 0.6 dB和9.53 dB，说明回波损耗对此两个频率比较敏感，因此，可将上述两个频率作为反射法的检测频率，根据M.Rockwitz理论公式计算得到检测2 mm腐蚀深度的钢筋需要工作频率约为2 3.8 8 GHz的微波，与仿真结果确定的频率十分接近，说明M.Rockwitz理论公式同样适用于微波反射法检测钢筋腐蚀时的频率选择。4讨论与分析为了进一步分析微波工作频率对腐蚀检测效果的影响,对各波导扫描结果S21、S 1 1 曲线与横坐标轴围成的面积(S参数dB幅值在对应波导频率范围内的积分）进行计算，其结果（无单位，下同）如表2 所示。无损检测2023年第45卷第8 期60基于微波的输变电线路钢筋混凝土结构腐蚀检测王申华，等：未腐蚀25-15整体腐蚀未腐蚀-30整体腐蚀-20-35-40-25-45-30-50S-55-35-60-40-65-70-451718192021_2223242526271718192021222324252627频率/GHZ频率/GHZ(a)S21(b)S11图1 1波导R220扫描获得的S21与Sn结果2086154102MMM50-5-6-8-10AS21AS1-10-15-121111718192021222324252627频率/GHz图1 2波导R220扫描获得的S21和S1曲线表2 S21、S u 曲线与横坐标轴围成的曲线面积频率/GHz项目5.388.178.212.511.91817.627未腐蚀S2156.74106.71170.24301.52整体腐蚀S2163.38122.84196.85339.491AS2116.6416.1426.6137.97未腐蚀S125.0847.6581.95241.98整体腐蚀S1124.9847.5682.06245.930.10.090.113.95由表2 可见，随着波导频率的增大，腐蚀与未腐蚀S21面积差值随之增大，1 7.6 2 7 GHz时达到最大，约为3 7.97；在5.3 8 1 8 GHz内，未腐蚀与腐蚀时S11的面积几乎无差异，而在1 7.6 2 7 GHz内，面积差增至3.95，说明当腐蚀层厚度为2 mm时，波导R220的反射检测效果较好，与M.Rockwitz理论公式计算得到的最佳检测频率基本一致。根据所有波导检测结果发现，在5.3 8 1 8 GHz内，随着频率的不断增大，S21曲线振荡频率变大，腐蚀后S21相比未腐蚀的幅值差异逐渐增大，说明频率越大透射检测法效果越好；随着频率增加，腐蚀前后S11差值曲线的振荡幅值始终维持相对稳定。整体来看，透射检测法受频率影响较小，在上述波导频率范围内均能较好地区分钢筋腐蚀程度，仅在检测效果上有所差异；反射检测法效果受频率影响较大，需通过腐蚀部位尺寸和M.Rockwitz理论公式确定微波检测频率，从而获得最佳检测效果。5试验与验证微波无损检测试验平台主要包括矢量网络分析仪、矩形波导和波导固定支架，具体布置如图1 3 所示。选用安捷伦E5071C型射频网络分析仪作为微波信号源。将R48(3.945.99G H z)型矩形波导固定在支架上，通过同轴电缆与矢量网络分析仪相连，将混凝土样品放置于两侧矩形波导中间，控制矩形波导与混凝土表面提离距离为2 mm。为证明仿真方法的有效性，通过对比仿真和试验结果中腐蚀前后S21、S 1 1 曲线与坐标轴围成面积对检测效果进行验证。钢筋腐蚀前后（腐蚀长度和深度分别为350 mm和2 mm)试验结果曲线与坐标轴围成的面积如表3 所示。滑台支架矩形波导50Q同轴电缆图1 3微波检测试验平台与装置布置示意由表3 可见，腐蚀后S21曲线与坐标轴围成的面积明显增大，而S1面积变化较小。腐蚀前后散射参量结果曲线与坐标轴围成面积的变化趋势与仿真结果一致，验证了仿真方法的有效性。无损检测2023年第45卷第8 期61（上接第41 页）AAA基于微波的输变电线路钢筋混凝土结构腐蚀检测王申华，等：表3钢筋腐蚀前后试验结果曲线与坐标轴围成面积腐蚀类别散射参量未腐蚀整体腐蚀S1117.7417.2030S2188.274.4119.227 66结论（1）钢筋混凝土结构腐蚀后,散射参量（S21、S11)的振荡频率基本不变，但振荡幅值会发生明显改变，因此，基于微波的输变电线路钢筋混凝土结构腐蚀检测具有可行性。（2）当腐蚀层厚度为2 mm时,5.3 8 2 7 GHz频率内，微波透射法存在多个特征检测频率，频率越高，检测效果相对越好；而微波反射法受频率影响较大,仅当工作频率为 2 2.3 5 GHz 和 2 4.6 GHz时才具有较好的检测效果。（3）微波透射法和反射法均能实现输变电线路钢筋混凝土结构腐蚀的无损检测，但微波反射法需根据腐蚀部位的尺寸信息选择合适的检测频率。（4）仿真与试验结果中腐蚀前后散射参量与坐标轴围成面积的变化趋势一致，验证了仿真方法的有效性。参考文献：1肖仲谊，乐群立，许云伟.输电线路耐张线夹的数字射线检测.无损检测，2 0 2 1，43（3）：7 4-7 8.2黎鹏，熊胜鹏，李婉卿，等.1 0 0 0 kV交流输电线路耐6毛江鸿.分布式光纤传感技术在结构应变及开裂监测中的应用研究D.杭州：浙江大学，2 0 1 2.7DUBOV A A.Development of a metal magneticmemory method J.Chemical and PetroleumEngineering,2012,47(11):837-839.8PUTTERMAN S.A physicist links magnetism,forceand fatigueJ.Nature,2008,454(7202):257.9金伟良，张军，陈才生，等.基于压磁效应的钢筋混凝土疲劳研究新方法J.建筑结构学报，2 0 1 6，3 7（4)：133-142.10ZHANG H,LIAO L,ZHAO R Q,et al.A newjudging criterion for corrosion 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