考慮溫度影響的基于超聲回波幅度譜的鋼構(gòu)件應(yīng)力檢測

王 怡, 劉南希, 李祚華, 李冠辰

(1.深圳市建筑工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站，深圳 518031；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，深圳 518055)

鋼構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)是結(jié)構(gòu)安全性能的一個重要指標[1]。為對存在安全隱患的鋼構(gòu)件及時進行維護和加固，有必要開展鋼構(gòu)件應(yīng)力的無損檢測，通過采集和分析鋼構(gòu)件應(yīng)力數(shù)據(jù)，對結(jié)構(gòu)的安全性能進行評估。超聲波法具有可以定向發(fā)射、穿透力強、檢測儀器便攜等優(yōu)點，是目前應(yīng)力無損檢測手段中應(yīng)用最廣泛的一種[2]。

HUGHES等[3]提出的受力固體中彈性波波速的表達式為聲彈性理論奠定了基礎(chǔ)，也為基于聲彈性理論開發(fā)超聲無損檢測技術(shù)提供了可能[4]。現(xiàn)有研究中，測量鋼構(gòu)件單向應(yīng)力的超聲無損檢測技術(shù)分為橫波法[5]、縱波法[6]、表面波法[7]、導(dǎo)波法[8]和臨界折射縱波法[9]。當超聲橫波垂直入射到受力固體中時，將分解為兩個偏振方向相垂直、傳播速度不同的橫波分量。其中，粒子沿施加應(yīng)力方向運動的橫波分量與粒子垂直于施加應(yīng)力方向運動的橫波分量相比，前者的速度變化大于后者的速度變化。因此，兩個橫波分量的速度差可用于測量單向應(yīng)力。

在此基礎(chǔ)上，譜分析技術(shù)的引入為超聲橫波無損檢測的進一步發(fā)展提供了可能。BLINKAl等[10]發(fā)現(xiàn)，反映了兩波分量速度差異的兩波分量之間的干涉會影響入射橫波，從而產(chǎn)生回波頻譜。換句話說，回波頻譜是入射波頻譜在干涉因子作用下的結(jié)果。如果應(yīng)力測量的靈敏度定義為應(yīng)力變化引起的被測物理參數(shù)的變化，那么相對于傳統(tǒng)的聲時法，回波頻譜中的特征量對應(yīng)力更為敏感。譜分析技術(shù)與超聲波法的結(jié)合為提高鋼構(gòu)件應(yīng)力測量的靈敏度提供了可能。由此，筆者提出了一種利用超聲回波幅度譜中的一個特征量——第一特征頻率[11]來檢測鋼構(gòu)件應(yīng)力的方法。

為了提高該方法的適用性，筆者對基于超聲回波幅度譜的鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力檢測溫度影響進行研究，依據(jù)所提出的利用超聲回波幅度譜中第一特征頻率檢測鋼構(gòu)件應(yīng)力的方法，推導(dǎo)考慮溫度影響的鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力檢測修正公式，并通過試驗來總結(jié)溫度對應(yīng)力檢測的影響程度和規(guī)律，同時對修正公式進行驗證。

1 考慮溫度影響的鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力檢測修正公式

在沒有考慮溫度影響的情況下，可利用超聲回波幅度譜中第一特征頻率檢測鋼構(gòu)件應(yīng)力，其檢測公式為

(1)

應(yīng)力-波譜參數(shù)與構(gòu)件材料、構(gòu)件厚度有關(guān)，其表達式為

(2)

(3)

式中：t0為橫波在鋼構(gòu)件無應(yīng)力狀態(tài)下的傳播聲時；μ為Lamé常數(shù)；n為Murnaghan常數(shù)；α為初始聲各向異性因子。

Lamé常數(shù)μ和Murnaghan常數(shù)n是對溫度不敏感的常參數(shù)，初始聲各向異性因子α與初始材料織構(gòu)有關(guān)，因此，溫度對應(yīng)力-波譜參數(shù)的影響主要集中在鋼構(gòu)件無應(yīng)力狀態(tài)下橫波的傳播聲時t0上。

根據(jù)熱彈性理論，隨著溫度的升高，超聲波波速會逐漸降低，且兩者具有較好的線性關(guān)系[12]，即

νT=νT0(1-ξΔT)

(4)

式中：νT為溫度為T時的超聲波波速；νT0為溫度為T0時的超聲波波速；ξ為溫度-波速因子；ΔT為T與T0的溫差。

設(shè)待測構(gòu)件在超聲橫波傳播方向上的初始尺寸為l0，待測構(gòu)件的線膨脹系數(shù)為β，基準溫度為T0，無應(yīng)力狀態(tài)基準溫度下的波速為νT0，對應(yīng)的傳播聲時為tT0。當溫度發(fā)生變化，溫差達到ΔT時，溫度變化引起待測構(gòu)件的熱脹冷縮，使得超聲回波聲程變?yōu)?l0(1+βΔT)。因此，溫度為T時的超聲回波傳播聲時為

(5)

用麥克勞林公式來表達式(5)，再進行簡化得到

tT=tT0[1+(β+ξ)ΔT]

(6)

基準溫度下，將無應(yīng)力狀態(tài)對應(yīng)的傳播聲時tT0代入式(2)中，可得基準溫度下應(yīng)力-波譜參數(shù)κT0。同理，將發(fā)生ΔT溫度變化后溫度T下的傳播聲時tT代入式(2)中，可得溫度T下應(yīng)力-波譜參數(shù)κT。根據(jù)式(6)，κT0和κT存在關(guān)系

κT=κT0/[1+(β+ξ)ΔT]

(7)

定義λ*為溫度修正因子，其表達式為

λ*=β+ξ

(8)

由此，基于超聲回波幅度譜的鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力檢測，在溫度為T時的修正公式為

(9)

2 溫度修正因子的標定

基于超聲回波幅度譜的鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力檢測修正公式中，基準溫度下應(yīng)力-波譜參數(shù)κT0和應(yīng)力-波譜參數(shù)γ可通過在基準溫度下進行標定試驗得到。對于溫度修正因子λ*，則可以通過其他試驗進一步確定。

結(jié)合式(6)和式(8)，可得

(10)

式(10)揭示了溫度差異導(dǎo)致的傳播聲時變化率tT/tT0-1與溫度差異ΔT之間的關(guān)系。因此，可通過改變溫度來確定溫度修正因子λ*。

溫度修正因子標定的試驗步驟如下。

(1) 以65鋼為研究對象，試件尺寸為50.00 mm×29.71 mm×17.60 mm(長×寬×厚)，在試件的檢測點涂耦合劑，將超聲純橫波探頭對準檢測點并固定在試件上，放入恒溫箱(型號為JQ-2000，生產(chǎn)商為東莞市劍喬試驗設(shè)備有限公司)。選用Olympus V156型超聲純橫波探頭，Olympus 5072PR型超聲發(fā)射接收器，Tektronix MDO3024型示波器。溫度修正因子標定試驗系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 溫度修正因子標定試驗系統(tǒng)構(gòu)成

(2) 從25 ℃開始，以5 ℃為間隔升溫。在每個溫度下維持2 h，以保證試件受熱均勻，然后采集其超聲回波信號。

(3) 以25 ℃為基準溫度T0，對應(yīng)的傳播聲時為tT0。以回波的第一個波谷為參考點，通過計算一次回波與二次回波之間的延遲時間，得到不同溫度下的超聲回波傳播聲時，由此可計算得到溫度差異導(dǎo)致的傳播聲時變化率tT/tT0-1。

(4) 獲得不同溫差ΔT及其對應(yīng)的傳播聲時變化率tT/tT0-1之間的對應(yīng)關(guān)系(見表1)，對其進行擬合，擬合結(jié)果如圖2所示。

表1 由不同溫差ΔT與傳播聲時變化率tT/tT0-1之間的對應(yīng)關(guān)系

圖2 不同溫差ΔT及其引起的傳播聲時變化率tT/tT0-1的擬合直線

從圖2可以看出，標定試驗中，控制溫度從25 ℃開始上升，隨溫差ΔT的增大，傳播聲時變化率tT/tT0-1也增大，且表現(xiàn)出良好的線性趨勢。擬合得到的表達式可確定溫度修正因子λ*=1.626×10-4℃-1。

溫度對超聲檢測的影響主要體現(xiàn)在兩個方面，即溫度變化對超聲波波速的影響以及溫度變化引起的構(gòu)件熱脹冷縮。根據(jù)式(8)，將溫度的影響集中在溫度修正因子λ*上。溫度修正因子λ*包含兩個部分，待測構(gòu)件的線膨脹系數(shù)β和溫度-波速因子ξ。通過查詢資料，得到鋼的線膨脹系數(shù)β=1.21×10-5～1.35×10-5℃-1。因此，從量級上看，溫度對應(yīng)力檢測的影響主要體現(xiàn)在溫度對波速的影響上。

3 考慮溫度影響的鋼構(gòu)件單向絕對應(yīng)力檢測試驗

同樣以上述試件為試驗對象，通過基于超聲回波幅度譜的鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力檢測方法中標定應(yīng)力-波譜參數(shù)的方法在基準溫度25 ℃下進行標定試驗，來確定應(yīng)力-波譜參數(shù)κT0和γ，結(jié)果分別為13 631.016和1 563.165。結(jié)合溫度修正因子λ*=1.626×10-4℃-1，可得考慮溫度影響的基于超聲回波幅度譜的鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力檢測修正公式，并根據(jù)此公式進行絕對應(yīng)力檢測。

該試驗需要同時進行加載和控溫，因此，采用千斤頂作為加載裝置(見圖3)，試驗時將其與待測構(gòu)件、超聲波探頭放置在步入式恒溫箱(東莞市環(huán)儀儀器科技有限公司生產(chǎn)的HYHW-12A型)中，應(yīng)力檢測試驗現(xiàn)場如圖4所示。

圖3 加載裝置實物

圖4 應(yīng)力檢測試驗現(xiàn)場

為驗證考慮溫度影響后，所提出的鋼構(gòu)件應(yīng)力檢測修正公式的準確性，將試驗結(jié)果與應(yīng)變片法的檢測結(jié)果進行對比。將自補償應(yīng)變片沿受力方向布置在待測構(gòu)件的四周，用502膠水進行黏貼，并與應(yīng)變采集儀連接，以驗證待測構(gòu)件受到軸向力的作用，同時獲取應(yīng)變。通過預(yù)加載，根據(jù)各應(yīng)變片的變化值進行調(diào)整并固定千斤頂，以確保待測構(gòu)件受力為軸向受力。

在搭建的應(yīng)力檢測試驗系統(tǒng)上進行驗證試驗，獲取超聲回波信號，經(jīng)過信號處理，得到第一特征頻率，將其代入標定了溫度修正因子和應(yīng)力-波譜參數(shù)的應(yīng)力檢測溫度修正公式，計算得出不同溫度下鋼構(gòu)件的絕對應(yīng)力。

選擇5個溫度點，在每個溫度點隨機加載，并根據(jù)文中方法求解鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力，并對鋼構(gòu)件重復(fù)進行三組考慮溫度影響的絕對應(yīng)力檢測試驗，三組試驗的檢測結(jié)果如表2～4所示。

從表2～4可以看出，不同溫度下，基于超聲回波幅度譜的鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力檢測結(jié)果與應(yīng)變片法檢測結(jié)果的相對誤差隨控制溫度的上升而增大。產(chǎn)生誤差的主要原因是高溫條件下，超聲回波信號出現(xiàn)了衰減，且受到一定程度的干擾?？傮w而言，通過溫度修正后的應(yīng)力檢測公式，可以在8%的誤差范圍內(nèi)檢測應(yīng)力，說明該方法具有一定的準確性。

表2 考慮溫度效應(yīng)的第一組應(yīng)力檢測結(jié)果

表3 考慮溫度效應(yīng)的第二組應(yīng)力檢測結(jié)果

表4 考慮溫度效應(yīng)的第三組應(yīng)力檢測結(jié)果

4 溫度對超聲橫波信號傳播衰減的影響

在溫度修正因子標定試驗中發(fā)現(xiàn)，高溫條件下，超聲回波信號會出現(xiàn)衰減，且受到一定程度的干擾。圖5，6分別為25 ℃和45 ℃下的超聲回波信號。

圖5 25 ℃下的超聲回波信號

圖6 45 ℃下的超聲回波信號

分析信號傳播衰減的原因，主要考慮以下三個方面：① 由于長時間處于高溫狀態(tài)，耦合劑的界面耦合作用減弱；② 高溫影響了探頭對信號的發(fā)射接收；③ 在高溫環(huán)境下，超聲橫波信號的傳播受到阻礙，原因是傳播介質(zhì)即鋼試件中的粒子熱運動加劇，使得傳播介質(zhì)傳遞波的能力減弱。對于第一點，筆者所選用的耦合劑適用溫度最高為550 ℃(其對超聲信號影響不大)，因此，文章針對后兩點可能造成超聲信號衰減的原因進行試驗，探求超聲信號衰減的主因。

以基準溫度下超聲回波信號幅值的峰值為基準峰值，用不同溫度下超聲回波信號幅值的峰值與基準峰值做比(即幅值峰值比)來反映超聲信號的衰減程度。幅值峰值比越接近于1(100%)，說明超聲信號衰減程度越小，反之，幅值峰值比越小則代表超聲信號衰減程度越大。

第一組試驗采用兩個超聲橫波探頭對接(一發(fā)一收)，轉(zhuǎn)動兩探頭使得直角連接器朝向一致，以確保兩探頭發(fā)射和接收的橫波偏振方向相同，并用膠布對其固定。完成一組變溫試驗后，交換兩探頭發(fā)射和接收的作用，重復(fù)一組變溫試驗，試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 探頭對接變溫試驗中接收信號幅值峰值比曲線

由圖7可以看出，隨著溫度的升高，接收信號幅值的峰值比降低，但因探頭受高溫影響而產(chǎn)生的超聲波衰減程度并不嚴重，說明所選用的探頭在工作時受溫度的影響不大，性能較為穩(wěn)定。

第二組試驗研究了傳播介質(zhì)溫度對超聲回波信號幅值衰減的影響，將探頭固定在鋼試件上后，用具有信號屏蔽功能的膠布包裹探頭，減少外部干擾對探頭的影響；再將探頭和鋼試件放入恒溫箱進行變溫試驗，計算幅值峰值比，試驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 介質(zhì)變溫試驗中接收信號幅值峰值比曲線

分析圖8可知，接收信號幅值的峰值比隨著溫度的升高顯著降低。當溫度達到75 ℃，幅值峰值比下降到20.30%，此時接收信號嚴重衰減，其強度已經(jīng)接近噪聲信號強度。如果溫度繼續(xù)上升，將難以分辨噪聲信號和接收信號。對比探頭對接試驗結(jié)果，可以認為超聲信號的衰減主要是在介質(zhì)中傳播時產(chǎn)生的，溫度升高導(dǎo)致了鋼試件內(nèi)部粒子熱運動加劇，超聲橫波信號的傳播受到阻礙，傳播介質(zhì)傳遞波的能力減弱。

5 結(jié)語

(1) 提出了基于超聲回波幅度譜的鋼構(gòu)件應(yīng)力檢測受溫度影響的修正公式，并進行了考慮溫度影響的鋼構(gòu)件單向絕對應(yīng)力檢測試驗，驗證了所提方法的可靠性和準確性。

(2) 探究得出高溫影響下超聲信號衰減的主因，即溫度升高導(dǎo)致傳播介質(zhì)即鋼試件中的粒子熱運動加劇，傳播介質(zhì)傳遞波的能力減弱。

本文獲“2022 Evident杯超聲檢測技術(shù)優(yōu)秀論文評選”活動三等獎。