超聲波沿空鋼管管壁徑向傳播方式研究

張春雨，楊春雷，張 鳳

(云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院，云南昆明650051)

1 研究背景[1-2]

鋼管混凝土拱橋是我國近年來橋梁建設(shè)中發(fā)展起來的新型橋梁結(jié)構(gòu)，具有自重輕、強(qiáng)度大、抗變形能力強(qiáng)、承載能力大的優(yōu)點(diǎn)，并且用料省、安裝重量輕、施工方便、工期短、養(yǎng)護(hù)工作量小，是大跨度拱橋的一種比較理想的結(jié)構(gòu)形式。

鋼管混凝土拱橋把高強(qiáng)度混凝土用高壓泵送到鋼管中，并使其充滿整個鋼管，澆注后的管內(nèi)混凝土是隱蔽的，肉眼無法直接觀察混凝土是否存在脫空和空洞缺陷，因此對澆注混凝土后的拱肋進(jìn)行檢測是非常必要的。

在深入調(diào)研相關(guān)資料和現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，本文對超聲波用于鋼管混凝土拱肋缺陷定量檢測之前開展了超聲波沿空鋼管管壁徑向傳播方式的初步研究。

2 超聲波的物理基礎(chǔ)[3-6]

根據(jù)文獻(xiàn)[3]的調(diào)研資料，超聲波是一種機(jī)械波，是機(jī)械振動在介質(zhì)中的傳播，具有機(jī)械波的物理特性。

2.1 超聲波入射到曲界面上的反射

當(dāng)超聲波入射到球面或圓柱面上時，與光入射到曲面上的情況相似，也會發(fā)生聚焦和發(fā)散等現(xiàn)象，且超聲波在界面上會發(fā)生波型轉(zhuǎn)換。

超聲波入射至曲面時反射情況如圖1所示。平面波束與曲面上各入射點(diǎn)的法線成不同的夾角:入射角為0的聲線沿原方向返回，稱為聲軸；其余聲線的反射則隨著距聲軸距離的增大，發(fā)射角逐漸增大。當(dāng)曲面是球面時，反射線匯聚于一個焦點(diǎn)上；發(fā)射面為圓柱面，反射線匯聚于一條焦線上。

此時，焦距F為

式中:r為曲面的曲率半徑。

2.2 超聲波的傳播速度

超聲波的傳播速度是一個重要的聲學(xué)參數(shù)，它依賴于傳聲介質(zhì)自身的密度、彈性模量及泊松比等參數(shù)。

(1)超聲波的聲速

縱波在無限大固體介質(zhì)中的聲速:

縱波在液體和氣體介質(zhì)中的聲速:

式中:E為介質(zhì)的彈性模量；B為液體、氣體介質(zhì)的體積彈性模量；ρ為介質(zhì)的密度；σ為介質(zhì)的泊松比。

圖1 超聲波入射至曲面時反射情況示意圖

(2)引起超聲波傳播速度變化的因素

對于各向同性均勻介質(zhì)，對應(yīng)于特定材料、特定波型，聲速值為常數(shù)。但是，當(dāng)介質(zhì)本身存在不均勻性，以及介質(zhì)發(fā)生溫度、應(yīng)力等變化時，介質(zhì)的密度、彈性性質(zhì)會有相應(yīng)的變化，從而會引起聲速的改變。

較為重要的是固體與液體溫度的改變對聲速的影響。通常情況下，固體、液體溫度升高會引起聲速降低。

3 超聲波沿空鋼管管壁徑向傳播方式測試

3.1 試驗室內(nèi)對超聲波在空氣中傳播速度的測試

(1)移動超聲波收、發(fā)換能器，對10種不同距離的空氣聲時、聲速、波幅和主頻進(jìn)行測試，分析測試距離對超聲波聲速的影響。

(2)測試結(jié)果

超聲波在空氣中傳播速度測試結(jié)果見表1。

從表1中數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)收、發(fā)換能器間距不小于24 mm時，超聲波在空氣中傳播速度約為340 m/s。

3.2 超聲波在空鋼管管壁中傳播方式測試

參考云南某鋼管混凝土拱橋拱肋尺寸制作模型，模型設(shè)計和制作過程考慮以下因素:

(1)模型材料和尺寸

若選用厚度較小的鋼板，一是模型制作過程中容易變形，二是擔(dān)心未知超聲波在空鋼管管壁中傳播方式影響測試結(jié)果。

表1 超聲波在空氣中傳播速度測試結(jié)果

本次試驗選用厚度為10 mm的鋼板制作模型，鋼管外徑為700 mm。為減少焊縫對試驗結(jié)果的影響，應(yīng)對焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢測，不合格焊縫應(yīng)補(bǔ)焊或重焊。

(2)測試影響因素

模型制作誤差會影響測試結(jié)果，若模型為規(guī)則圓形則通過測量直徑后計算兩測點(diǎn)間的弧線距離；若模型為次規(guī)則圓形則通過測量兩測點(diǎn)兩側(cè)的弧線距離后取較小值。

為排除探頭和被測鋼管管壁間的空氣，測試過程應(yīng)使用耦合劑，耦合劑應(yīng)適量使用(本文測試采用凡士林做為耦合劑)，測試前應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)塊反測出耦合劑對聲速的影響。

溫度的變化對聲速的影響較大，測試時應(yīng)選擇溫度較平穩(wěn)的早晨時段進(jìn)行。

試驗共檢測了四組空鋼管(EST-Empty Steel Tube)，制作成型的空鋼管見圖2。空鋼管 EST-1、EST-2用來檢測超聲波沿空鋼管管壁縱向傳播速度，空鋼管EST-3、EST-4用來檢測超聲波沿空鋼管管壁徑向傳播速度。

圖2 制作成型的空鋼管

(3)超聲波沿空鋼管管壁縱向傳播速度測試

超聲波收、發(fā)換能器布置在空鋼管管壁縱向，測試超聲波沿空鋼管管壁縱向傳播速度，測試結(jié)果見表2。

表2 超聲波沿空鋼管管壁縱向傳播速度測試結(jié)果

從超聲波沿空鋼管管壁縱向傳播速度測試結(jié)果可知，鋼材的聲速在5 400 m/s左右，測試結(jié)果的變異系數(shù)最大為1.59%。

(4)超聲波沿空鋼管管壁徑向傳播速度測試

超聲波收、發(fā)換能器布置在空鋼管壁徑向，測試超聲波沿空鋼管管壁徑向傳播速度，測試結(jié)果見表3。

由超聲波沿空鋼管管壁徑向傳播速度測試結(jié)果可知，徑向聲速為2 100 m/s左右，環(huán)向聲速為3 200 m/s左右，測試結(jié)果的變異系數(shù)最大為2.77%。

(5)超聲波沿空鋼管管壁徑向傳播方式分析

試驗?zāi)Ｐ弯摪搴穸群弯摴苤睆街苯佑绊懗暡ǖ娜肷浣嵌?，是影響超聲波沿空鋼管管壁傳播速度的重要因素。在相對固定的試驗?zāi)Ｐ秃头€(wěn)定的測試條件(溫度、溫度等)下對測試結(jié)果的影響可抵消。

由超聲波在空氣中傳播速度測試和超聲波沿空鋼管管壁傳播速度測試結(jié)果分析可知，如果超聲波是沿空鋼管外壁直接傳播，聲速在3 200 m/s左右，與鋼材聲速5 400 m/s左右不符；如果超聲波是沿鋼管徑向直接傳播，聲速在2 100 m/s左右，與空氣聲速340 m/s左右不符。

表3 超聲波沿空鋼管管壁徑向傳播速度測試結(jié)果

根據(jù)相關(guān)的超聲波傳播理論，本文提出超聲波 在空鋼管管壁中的傳播途徑是以與空鋼管外壁切線成α的入射角度進(jìn)入鋼管，通過鋼管內(nèi)壁反射回到鋼管外壁，如此反復(fù)，折線前進(jìn)傳播。

設(shè)鋼管弧長為l，超聲波在鋼管中聲速為vs，在鋼管管壁中傳播時間為ts，入射角為α。則:

4 結(jié) 語

根據(jù)相關(guān)的超聲波傳播理論，結(jié)合超聲波在空氣中傳播速度測試和超聲波沿空鋼管管壁傳播速度測試研究，本文取得如下成果:

(1)本次試驗得到超聲波沿空鋼管管壁環(huán)向傳播速度約為3 200 m/s，隨鋼板厚度和鋼管直徑不同(入射角度不同)聲速不同。

(2)基于理論和試驗研究，首次提出超聲波在空鋼管壁中徑向傳播途徑是以與鋼管外壁切線成 α的入射角度進(jìn)入鋼管，通過鋼管內(nèi)壁反射回到鋼管外壁，如此反復(fù)，折線前進(jìn)傳播。

(3)超聲波在鋼管壁中的有效傳播場速為vscosα，對定量檢測缺陷尺寸起判別作用。即當(dāng)超聲波通過缺陷聲速小于超聲波在鋼管管壁中傳播聲速時，通過鋼管壁傳播的超聲波將成為首波，此時，理論上無法采用首波檢測出缺陷尺寸[7]。

[1]陳寶春.鋼管混凝土拱橋設(shè)計與施工[M].北京:人民交通出版社，1999.

[2]陳寶春，楊亞林.鋼管混凝土拱橋調(diào)查與分析[J].世界橋梁 ，2006 ，(2):73-77.

[3]《國防科技工業(yè)無損檢測人員資格鑒定與認(rèn)證培訓(xùn)教材》編審委員會編.超聲檢測[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[4]吳新璇.混凝土無損檢測技術(shù)手冊[M].北京:人民交通出版社，2003.

[5]《新編混凝土無損檢測技術(shù)》編寫組編.新編混凝土無損檢測技術(shù)[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

[6]劉福順，湯 明.無損檢測基礎(chǔ)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[7]張春雨，楊春雷.鋼管混凝土缺陷超聲波定量檢測技術(shù)初步研究[J].公路交通技術(shù)，2012，(2):67-70.