三種無損檢測技術(shù)在水利工程質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

張健萍

(朝陽市燕都水利設(shè)計有限公司，遼寧 朝陽 122000)

為保證水利工程的長效安全運營，定期檢測工程質(zhì)量狀況，并針對存在的問題及時有效的維修具有重要意義。然而，水利工程服役運行年限越長就越迫切要求無損檢測，如王榮魯?shù)壤锰降乩走_技術(shù)檢測水工結(jié)構(gòu)質(zhì)量，工程存在質(zhì)量問題時會影響圖像清晰度，并針對圖像變化特征利用誤差反向計算和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行處理，使得檢測精度得到明顯的提升；劉幫俊等綜合應(yīng)用超聲脈沖和三維可視化技術(shù)檢測工程質(zhì)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該方法能夠清晰的反映工程整體狀況，并創(chuàng)造良好的立體化檢測環(huán)境，然后利用超聲脈沖的反饋特點檢測更深層次的工程質(zhì)量狀況，該技術(shù)能夠直觀地呈現(xiàn)出最終的反饋結(jié)果，增強檢測數(shù)據(jù)的交互性[1-2]。文章以超聲波、空氣耦合聲場、可視化設(shè)備三種無損檢測技術(shù)為例，深入探討了缺陷信號模態(tài)、檢測信號時頻、聲場相關(guān)系數(shù)測量、數(shù)據(jù)采集和軌跡跟蹤檢測等內(nèi)容，旨在為工程檢測人員提供更加快捷、有效的檢測手段。

1 無損檢測技術(shù)簡介

礦物質(zhì)開采是最早應(yīng)用無損檢測技術(shù)的領(lǐng)域，隨著科技的不斷發(fā)展被逐漸用于工程質(zhì)量檢測領(lǐng)域，而融入數(shù)字化和智能化技術(shù)后更加適用于水利工程領(lǐng)域[3]。

水利工程質(zhì)量檢測具有較強的實時性和長期性，對此應(yīng)保證采樣數(shù)據(jù)的可靠性與精準(zhǔn)度，無損檢測能夠貫穿工程結(jié)構(gòu)、原材料質(zhì)量等各個方面；此外，檢測過程中要求不得破壞工程結(jié)構(gòu)，在不損壞工程結(jié)構(gòu)的情況下無損檢測技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)采集與傳輸；無損檢測技術(shù)還具有遠距離控制的典型特征，水利工程大多建于局限性較高或偏遠地段，采用傳統(tǒng)檢測方法需要近距離采集數(shù)據(jù)，實施難度較大、采集精度低且成本較高，無損檢測技術(shù)的應(yīng)用可以徹底打破這種限制，完成遠距離、全過程實時檢測。

2 三種無損檢測技術(shù)的應(yīng)用

2.1 可視化設(shè)備無損檢測

2.1.1 數(shù)據(jù)采集

無損檢測工程質(zhì)量時可視化設(shè)備要采集、分析相關(guān)數(shù)據(jù)，通過設(shè)置工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，合理設(shè)置水利工程與可視化設(shè)備間的數(shù)據(jù)信道[4]。通過添加數(shù)據(jù)采集芯片、增設(shè)數(shù)據(jù)采集閾值等實現(xiàn)了工程信息的實時可視化展現(xiàn)，系統(tǒng)可操控性好，并且數(shù)據(jù)實時性強。

通過合理設(shè)置參數(shù)、波形掃描、數(shù)據(jù)采集等程序，利用多模式和高頻率設(shè)備進行可視化檢測。保持水工結(jié)構(gòu)外部檢測與內(nèi)部檢測信號輸出一致，將信號傳送至機械控制中心完成數(shù)據(jù)存儲，與此同時快速讀取信號內(nèi)容并規(guī)劃相應(yīng)的質(zhì)量檢測軌跡[5]。

2.1.2 軌跡跟蹤檢測

軌跡跟蹤檢測過程中，要保證工程材料軸線與機械受的操控具有同一水平線，在時間方面保持操控中心與機械手同步接受調(diào)度命令。

完成定點檢測操作后及時紀(jì)錄行動軌跡，并開展進一步的檢測，采集器全過程紀(jì)錄行動軌跡，如圖1所示。

圖1 機械手運行軌跡

2.2 空氣耦合聲場檢測

2.2.1 空氣耦合聲場測量

通過改變空氣耦合的換能器和能量傳遞頻率，實現(xiàn)工程質(zhì)量問題的準(zhǔn)確判斷。考慮工程的位置特征，在實際檢測過程中必須設(shè)定適合的環(huán)境參數(shù)，如空氣耦合聲場測量受環(huán)境參數(shù)的影響表示成：

(1)

式中：T、P、f為該地區(qū)的溫度、壓強和空氣濕度；T0、P0為該地區(qū)年均氣溫和標(biāo)準(zhǔn)氣壓。在合理設(shè)定環(huán)境參數(shù)的條件下，將干硬芯片增設(shè)于換能器內(nèi)，從而提高空氣耦合能量的感應(yīng)和識別精度。

換能器發(fā)揮著圖譜轉(zhuǎn)換和波形識別的重要作用，當(dāng)達到設(shè)定閾值時將發(fā)生規(guī)律性震動，因此要減少能量轉(zhuǎn)換的能耗。聲場測量環(huán)境必須符合無氣流要求，而氣流接受孔主要體現(xiàn)了空氣耦合程度，通過向接受孔傳射輻射完成空氣耦合檢測，該過程要保持波長與孔徑的協(xié)調(diào)一致[6]。

2.2.2 空氣耦合質(zhì)量檢測

不同傳播介質(zhì)的檢測精度具有明顯差異，主要受散射和吸收兩種衰減作用的影響。溫度達到信息傳播要求時，空氣流體將受到吸收衰減的強烈干擾，衰減系數(shù)α的計算公式為：

(2)

式中：ω為空氣溫度；p、c為正常和特定氣壓下的空氣比熱容；o、γ為流體黏滯系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)。

一般條件下空氣的信號傳播能力較差，要達到信號的標(biāo)準(zhǔn)傳輸頻率需要經(jīng)過流體的改善，信號傳播頻率隨流體密度的增大而減小。因此，可以利用超聲波來減少流體密度，后期流體的使用程度隨發(fā)出源系數(shù)的減少而降低，所對應(yīng)的傳播范圍也更廣，超聲波加壓原理如圖2所示。

空氣耦合檢測主要流程為：①合理設(shè)置工程建設(shè)技術(shù)參數(shù)和基礎(chǔ)原料參數(shù)，確保完成空氣和超聲波加壓技術(shù)的實施；②充分考慮可操作性要求安設(shè)轉(zhuǎn)能起，最大程度的保持構(gòu)件與儀器的頻率相同，規(guī)范化、程序化信號傳播；③換能器位置適當(dāng)調(diào)節(jié)，確保待測量建筑與檢測探頭的精準(zhǔn)對接，保證波形信號的隨時接受與發(fā)送；④及時傳輸波形信號，利用掃描裝置準(zhǔn)確紀(jì)錄信號變化過程，當(dāng)達到氣壓安全閾值時則停止掃描。此外，質(zhì)量檢測對象比較復(fù)雜時，為進一步提升檢測精度必須多次加壓密封空間。

圖2 空氣耦合超聲波加壓原理

2.3 超聲波無損檢測

2.3.1 時頻變換

信號時頻是超聲波檢測的重要參數(shù)，一般利用函數(shù)分解時間和頻率。傳統(tǒng)的解析方法有傅里葉變換法和小波變換法，這種方法是先從整體的層次上提取超聲波信號時頻數(shù)據(jù)，再應(yīng)用系統(tǒng)函數(shù)解析數(shù)據(jù)，運算不穩(wěn)定且過于依賴數(shù)據(jù)源。因此，文章對檢測信號時頻擬利用Hilbert-Hwang法進行變換[7-8]。該方法主要是利用時頻來分析不同頻譜中的信號分好，能夠保證信號的精準(zhǔn)度，匯總與分析流程如圖3所示。

(a)匯總圖 (b)分析圖

對于信號時頻的規(guī)律性利用本征模態(tài)函數(shù)進行分析，結(jié)合瞬時頻率生成信號的震動模式和規(guī)律，函數(shù)在瞬時值與平均值達到交匯點時開始統(tǒng)計數(shù)據(jù)條件。具體而言，采用函數(shù)方程將復(fù)雜信號按照時間、振幅、頻率分解成多個分量，可利用以下公式代表初始信號s(t)的分解過程：

(3)

式中：c為分解成分；i、r為函數(shù)的分解時段和分解參與。一般地，可利用分解成分確定頻譜的極值和均值，該過程中要考慮信號變換瞬時值的相互影響。結(jié)合信號的實時更新特征有必要利用各檢測時段內(nèi)的信號，計算局部區(qū)域內(nèi)的平均值和極值，利用下式計算瞬時值：

(4)

式中：Smax(t)、Smin(t)統(tǒng)一范圍內(nèi)的最大和最小值。通過以上處理獲取的新時頻序列就是初始信號與瞬時值之差，可表示成h(t)=s(t)-m(t)，對不同時段的變換函數(shù)提供信號數(shù)據(jù)。

在新序列中的極值與平均值交叉點出不超過1的條件下，應(yīng)利用本征模態(tài)函數(shù)重新分解初始信號，經(jīng)多次迭代運算直至交叉點數(shù)>1。采用時頻最高成分搭建新時序模型，具體如下：

(5)

通過運行物理程序、合理設(shè)定函數(shù)模型、明確函數(shù)序列特征等充分體現(xiàn)超聲波檢測工程質(zhì)量的物理學(xué)特征。

2.3.2 模態(tài)分解

工程質(zhì)量存在問題時，超聲信號會發(fā)出缺陷信號，為有效識別和詳細(xì)分析所存在的問題，檢測人員必須全面正確地理解缺陷信號[9]。一般地，模態(tài)分析是最佳的缺陷信號分析方法，其主要流程如下：①采用超聲波濾波的的方式檢查其他頻率內(nèi)是否存在缺陷信號，從頻率、時間、干擾程度等角度與正常信號比對；②通過模型分解，全面掌握缺陷信號特點及其組成成分；③完成缺陷信號頻譜的組建，在正常更新頻率條件下持續(xù)探測缺陷信號時頻，并對缺陷信號的能量密度進行計算[10-13]。

2.4 試驗研究

本研究通過設(shè)計對比試驗，驗證了無損檢測的技術(shù)可行性和使用有效性。采用空氣耦合換能器檢測時，其主要流程為：首先，將檢測信號傳送至控制界面，為達到信號接受強度用降低信噪比法增強波形信號；檢測過程中，將傳播信號的最大頻率和瞬時功率增大至8MHz、6kW，保證信號傳輸通道暢通和原材穩(wěn)定。

通過對比發(fā)射波和回波實現(xiàn)底部結(jié)構(gòu)物的無損檢測，若回波持續(xù)時間而發(fā)射波時間長，則代表空氣耦合正常；通過對比標(biāo)準(zhǔn)信號波與反射信號波的周期、波形峰值等參數(shù)，若反射信號時間較長則代表可能被水工結(jié)構(gòu)吸收，即內(nèi)部可能缺陷缺陷。較傳統(tǒng)方法，空氣耦合檢測技術(shù)能夠及時精準(zhǔn)地反映被檢測結(jié)構(gòu)的質(zhì)量情況，基于不同方法的檢測頻譜如圖4。

(a)文章方法 (b)方法1 (c)方法2

從圖4可以看出，文章所用方法能夠更加精準(zhǔn)地顯示檢測信號，反射波長幅值總體控制在0.4以內(nèi)，其它兩種方法處于0.8-1.0范圍，樣品存在質(zhì)量缺陷時能夠客觀反映檢測波形幅值、檢測時間等信息。試驗過程中，還對水利工程底部樣品利用超聲波技術(shù)進行檢測，隨著超聲波波長以及發(fā)送信號強度的改變，所獲取的反饋信號波長可以更加精準(zhǔn)地驗證檢測結(jié)果。

對于加厚樣品，文章所用方法可以精準(zhǔn)輸出信號時頻和波形幅值，向厚度相同的樣品構(gòu)件發(fā)射超聲波，接收到的波形幅值與缺陷波形保持較好一致性。文章所用方法的信號波形最高可穿透30mm厚構(gòu)件，而另外兩種方法的最高穿透厚度為20mm、15mm。

3 結(jié) 論

文章系統(tǒng)探討了3種典型的無損檢測技術(shù)，通過函數(shù)模擬和轉(zhuǎn)換信號時頻，數(shù)據(jù)化分析了其檢測結(jié)果，通過搭建信號傳播信道改善了空氣耦合換能器測量方式，通過靈敏度補償增強了可視化設(shè)備檢測結(jié)果精度。雖然，這三種無損檢測技術(shù)能夠明顯提升檢測效果，但仍在一定程度上受到應(yīng)用場所的限制，超聲波檢測需要有良好的介質(zhì)環(huán)境，空氣耦合檢測受周邊環(huán)境的影響較大，并且技術(shù)難度較高，可視化設(shè)備對操控程序具有更高的穩(wěn)定性要求。因此，必須結(jié)合實際情況合理選用這三種檢測技術(shù)。