基于微波反射法的輸變電鋼筋混凝土腐蝕檢測(cè)

王旭杰，王申華，陳建斌，蔣建紅，黎 鵬，吳 田

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司武義供電公司，浙江 金華 321200；2.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

0 引言

隨著我國電網(wǎng)的快速發(fā)展［1］，許多輸變電工程不可避免地會(huì)經(jīng)過鹽漬土等強(qiáng)腐蝕地區(qū)，而輸變電工程的基礎(chǔ)多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，長期受到環(huán)境的腐蝕作用，會(huì)使鋼筋的力學(xué)性能逐漸退化［2］，從而威脅電網(wǎng)安全，甚至誘發(fā)重大事故［3］，帶來不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。因此，提出有效的輸變電鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕檢測(cè)方法具有重要的實(shí)際意義。

現(xiàn)有的鋼筋混凝土腐蝕檢測(cè)技術(shù)和方法主要包括：CT（計(jì)算機(jī)斷層掃描）檢測(cè)技術(shù)、超聲波法、半電池法和紅外感應(yīng)加熱法。文獻(xiàn)［4］試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，根據(jù)超聲波波速損失率能靈敏反映鋼筋腐蝕率；文獻(xiàn)［5］利用半電池法對(duì)碼頭承臺(tái)鋼筋混凝土腐蝕情況進(jìn)行檢測(cè)，并實(shí)際取樣驗(yàn)證了檢測(cè)的準(zhǔn)確性；文獻(xiàn)［6］利用三維CT 檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了混凝土中鋼筋腐蝕情況的精確檢測(cè)；文獻(xiàn)［7］利用不同腐蝕程度鋼筋在紅外感應(yīng)加熱情況下感應(yīng)溫度不同的特點(diǎn)，通過紅外觀測(cè)實(shí)現(xiàn)了鋼筋混凝土腐蝕程度的區(qū)分。綜合來看，超聲波檢測(cè)具有速度快、現(xiàn)場(chǎng)使用方便等優(yōu)點(diǎn)，但存在漏檢、誤檢和缺陷定性困難等問題，同時(shí)檢測(cè)時(shí)需要耦合劑；半電池法雖然可對(duì)鋼筋腐蝕程度進(jìn)行評(píng)估，但檢測(cè)時(shí)受水灰比、環(huán)境溫度和相對(duì)濕度等影響較大［8］，且插入?yún)⒈入姌O時(shí)會(huì)破壞鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；CT法和紅外加熱檢測(cè)雖然可實(shí)現(xiàn)鋼筋腐蝕的有效檢測(cè)，但均存在檢測(cè)儀器體積較大、操作復(fù)雜等問題。

微波無損技術(shù)始于20世紀(jì)60年代，作為一種新的檢測(cè)技術(shù)日益受到國內(nèi)外的重視［9］。目前，微波檢測(cè)已在材料和電力等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)［9］利用6 mm 波長的微波在復(fù)合材料中成功檢出2 mm 空隙缺陷，證明了M.Rockwitz 理論公式適用于復(fù)合材料的無損檢測(cè)；文獻(xiàn)［10］利用微波輻射探測(cè)技術(shù)對(duì)絕緣子污穢進(jìn)行檢測(cè)，并與相應(yīng)絕緣子鹽密度和灰密度進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了絕緣子污穢度微波帶電檢測(cè)的可行性；文獻(xiàn)［11-13］基于微波透射法和反射法實(shí)現(xiàn)了絕緣子內(nèi)部缺陷的檢測(cè)。相比于其他無損檢測(cè)方法，微波檢測(cè)有其自身特點(diǎn)：微波在非金屬材料中穿透能力強(qiáng)，無需表面接觸，無需耦合劑，大大提高了檢測(cè)的便捷性［14］。

雖然國內(nèi)外關(guān)于微波無損檢測(cè)方面已取得了較多成果，但將微波無損檢測(cè)應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕檢測(cè)卻鮮有報(bào)道。本文提出了基于微波反射原理的輸變電鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕檢測(cè)方法，并通過仿真驗(yàn)證了該方法的有效性。本文方法可為輸變電鋼筋混凝土基礎(chǔ)的腐蝕管理和狀態(tài)評(píng)估提供指導(dǎo)，對(duì)提高輸變電設(shè)備的運(yùn)行可靠性具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。

1 基于微波反射理論的腐蝕檢測(cè)原理

圖1為鋼筋發(fā)生腐蝕時(shí)，微波垂直入射鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)示意圖，設(shè)2個(gè)分界面均為無限大的相互平行平面。圖1 中，d為混凝土的厚度；k為傳播方向；E為電場(chǎng)強(qiáng)度；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；下標(biāo)i、r、t分別表示入射、反射和透射。

圖1 微波垂直入射三層不同介質(zhì)

微波從空氣垂直入射時(shí)，分界面z=0 和z=d處均會(huì)發(fā)生反射和透射，因此，空氣和混凝土中都存在沿+z和-z方向傳播的入射波和反射波。假定腐蝕層為無限大體，則腐蝕層中只存在沿+z方向傳播的透射波［15］。

假設(shè)波動(dòng)均為沿x方向極化的線極化波，根據(jù)電磁場(chǎng)和電磁波理論可知［15］，界面2 的反射系數(shù)Γ2為：

式中：η2和η3為混凝土和腐蝕層的波阻抗，可以由介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ來計(jì)算：

設(shè)混凝土中的入射波和反射波電場(chǎng)的x分量分別為：

當(dāng)分界面位于界面2時(shí)，作坐標(biāo)變換，則在分界面1 上得到的入射波2 和反射波2 場(chǎng)強(qiáng)的復(fù)有效值為：

可見在z=0 時(shí)，得到分界面2 的反射系數(shù)不再是Γ2，而是：

已知分界面1 右側(cè)的反射系數(shù)，可反推得到該端面的等效阻抗：

式（8）的意義為將混凝土和腐蝕層等效為一種新的介質(zhì)，消去界面2，進(jìn)而得到界面1的有效反射系數(shù)Γ1：

式中：η1為空氣波阻抗。

由式（9）可知：反射系數(shù)與各層介質(zhì)的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和混凝土的厚度等參數(shù)有關(guān)。當(dāng)鋼筋發(fā)生腐蝕缺陷時(shí)，改變了原有的等效介電常數(shù)，即改變了有效反射系數(shù)值Γ1，因此，可根據(jù)反射系數(shù)幅值的變化來實(shí)現(xiàn)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕缺陷的檢測(cè)。

2 數(shù)值仿真模型的建立

2.1 仿真模型

實(shí)際輸變電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了驗(yàn)證本文所提方法的有效性，建立了未腐蝕和腐蝕的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型，分別如圖2、圖3 所示。其中，混凝土結(jié)構(gòu)尺寸為：350 mm×150 mm×150 mm，鋼筋位于正中央，長度和直徑分別為350 mm和22 mm。圖3中，腐蝕層設(shè)置于鋼筋的中間位置，通過改變腐蝕層的深度和長度來分析微波對(duì)不同腐蝕程度鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的檢測(cè)效果。當(dāng)研究腐蝕長度對(duì)檢測(cè)效果的影響時(shí)，腐蝕深度設(shè)置為3 mm，長度分別為20 mm、60 mm 和100 mm；而當(dāng)研究腐蝕深度對(duì)檢測(cè)效果的影響時(shí)，腐蝕長度固定為20 mm，深度分別設(shè)置為3 mm 和6 mm。波導(dǎo)位于鋼筋所在正中間位置，其距混凝土模型表面的垂直距離（提離距離）可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整；利用波導(dǎo)探頭發(fā)射和接收微波信號(hào)，通過比較信號(hào)幅值差異來獲取鋼筋腐蝕的相關(guān)信息。

圖2 未腐蝕模型

圖3 腐蝕模型

2.2 波導(dǎo)選擇

微波檢測(cè)精度受波導(dǎo)工作頻率的影響［16］，在實(shí)際檢測(cè)中，為滿足靈敏度的要求，常用X（8.2～10.9 GHz）波段、Ku（10.9～18 GHz）波段和K（18～36 GHz）波段，甚至擴(kuò)展到W（56～100 GHz）波段［17］，但是頻率越高，微波能量衰減越大。文獻(xiàn)［9］理論給出了檢測(cè)波長和缺陷直徑的關(guān)系：Ka≈1，其中K=2π/λ，λ為波長；a為缺陷直徑。根據(jù)該公式，當(dāng)鋼筋腐蝕缺陷直徑為20 mm 時(shí)，檢測(cè)波長應(yīng)為62.8 mm，即對(duì)應(yīng)的微波檢測(cè)頻率為4.77 GHz。由國際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC 153-2-1974 可知：上述檢測(cè)頻率應(yīng)采用R48 型波導(dǎo)，該波導(dǎo)工作頻率范圍為3.94～5.99 GHz。當(dāng)存在更大的腐蝕缺陷（大于20 mm）時(shí)，R48 也能滿足檢測(cè)要求。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 波導(dǎo)放置方式的影響

由于R48 矩形波導(dǎo)的尺寸為50.8 mm×25.4 mm，當(dāng)采用水平和豎直的放置方式時(shí)，將造成與鋼筋的正對(duì)面積不同，從而影響腐蝕鋼筋檢測(cè)效果。因此，有必要對(duì)波導(dǎo)的放置方式開展研究。

利用波導(dǎo)對(duì)如圖2所示模型進(jìn)行掃頻，固定提離距離為2 mm，得到不同放置方式下的回波損耗S11隨頻率的變化規(guī)律，如圖4 所示。由圖4 可知：波導(dǎo)水平和豎直放置下得到的曲線振蕩特性基本一致，且整體隨頻率的增加呈衰減振蕩，雖在5.58 GHz 附近波導(dǎo)水平放置條件下衰減峰值小于豎直放置，但波導(dǎo)豎直放置時(shí)的整體衰減程度明顯更大。因此，確定后續(xù)仿真中，波導(dǎo)的放置方式為豎直放置。

圖4 不同放置方式下的掃頻結(jié)果

3.2 提離距離的影響

因采用非接觸式檢測(cè)，在波導(dǎo)探頭和混凝土表面之間存在空氣層，因此，檢測(cè)時(shí)需保持波導(dǎo)探頭與混凝土表面的距離不變。當(dāng)提離距離太小時(shí)，會(huì)造成電磁波的多次折反射，影響檢測(cè)效果；而當(dāng)提離距離過大時(shí)，電磁波的能量會(huì)發(fā)生較大的衰減，從而影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性［8］，且不同頻率的微波存在不同程度的衰減，考慮其對(duì)檢測(cè)效果可能造成的影響，有必要就提離距離的影響進(jìn)行分析。

在鋼筋中心位置設(shè)置腐蝕深度為3 mm和腐蝕長度為20 mm的缺陷，假設(shè)提離距離在1～20 mm均勻變化，設(shè)置20 組進(jìn)行仿真對(duì)比分析。經(jīng)仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)：當(dāng)提離距離為1～7 mm 和13～20 mm時(shí)，腐蝕前后S11幅值的變化遠(yuǎn)小于8～12 mm，因此，此處僅分析提離距離為8～12 mm的結(jié)果。不同提離距離下腐蝕前后的S11幅值與頻率的關(guān)系如圖5所示。

圖5 不同提離距離的S11幅值

由圖5 可知，腐蝕前后S11曲線的形狀基本一致，均存在多個(gè)諧振頻率。對(duì)圖5 中腐蝕前后S11幅值的最大值和最小值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體如表1 所示。當(dāng)提離距離在9～12 mm范圍內(nèi)時(shí)，腐蝕前后S11幅值的最大值與最小值幾乎保持穩(wěn)定，變化較??；而當(dāng)提離距離為8 mm時(shí)，雖然腐蝕前后最大值同樣變化較小，但最小值由原來的-42 dB 減小至-66.96 dB，差異明顯。為直觀獲得不同提離距離下腐蝕前后S11幅值差ΔS11與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將腐蝕前后的S11幅值作差，得到ΔS11的結(jié)果，如圖6所示。

表1 S11幅值最大、最小值統(tǒng)計(jì)

圖6 ΔS11隨頻率的變化

由圖6可知，不同提離距離下ΔS11隨頻率的變化規(guī)律相似，在部分頻率附近呈脈沖變化，幅值較大。特別當(dāng)提離距離為8 mm時(shí)，在5.332 GHz附近ΔS11遠(yuǎn)大于其他頻率，約為35.89 dB。說明當(dāng)提離距離為8 mm時(shí)，對(duì)腐蝕缺陷的檢測(cè)效果較好，因此，后續(xù)仿真中波導(dǎo)的提離距離確定為8 mm。

3.3 工作頻率的影響

為了分析波導(dǎo)工作頻率對(duì)檢測(cè)效果的影響，對(duì)圖3所示模型進(jìn)行固定位置的掃頻，設(shè)置鋼筋腐蝕深度為3 mm，腐蝕長度分別為20 mm、60 mm和100 mm，得到如圖7 所示S11隨頻率的變化情況。由圖7可知，不同腐蝕長度下，S11存在2個(gè)主要的諧振頻點(diǎn)，分別為5.295 GHz 和5.533 GHz，且在5.295 GHz附近時(shí)衰減程度最大。圖8為腐蝕長度為20 mm、腐蝕深度為3 mm 和6 mm 的檢測(cè)結(jié)果。由圖8可知：當(dāng)腐蝕長度相同、腐蝕深度不同時(shí)，同樣在5.295 GHz附近存在明顯的衰減；腐蝕深度為3 mm 和6 mm 時(shí)，S11的幅值差異達(dá)到12.11 dB，遠(yuǎn)大于5.533 GHz 處的5.28 dB。因此，確定微波的工作頻率為5.295 GHz。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，在3.94～5.99 GHz 的頻率范圍內(nèi)，不同腐蝕程度下S11曲線的幅值差異明顯，說明微波可實(shí)現(xiàn)鋼筋腐蝕程度的檢測(cè)。

圖7 不同腐蝕長度下微波工作頻率的影響

圖8 不同腐蝕深度下微波工作頻率的影響

3.4 腐蝕長度的檢測(cè)效果

當(dāng)微波工作頻率和提離距離分別為5.295 GHz和8 mm時(shí)，研究波導(dǎo)移動(dòng)掃描條件下對(duì)鋼筋不同腐蝕長度的檢測(cè)效果。波導(dǎo)水平移動(dòng)掃描和檢測(cè)結(jié)果分別如圖9、圖10 所示。由圖10 可知，在模型邊緣附近S11幅值波動(dòng)較大，這主要是由于微波的散射特性造成的，且不同腐蝕長度下S11曲線幾乎重合；但在腐蝕區(qū)域附近存在較大的差異，特別是在鋼筋中間位置，腐蝕前后S11存在明顯不同，且隨著腐蝕長度的增加，變化區(qū)域有所擴(kuò)大，說明通過微波反射系數(shù)的變化能有效鑒別鋼筋腐蝕情況。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)：腐蝕長度為20 cm 時(shí)，腐蝕部位的S11幅值衰減最為明顯，變化幅度遠(yuǎn)大于其他腐蝕長度，這主要與微波工作頻率是根據(jù)腐蝕缺陷尺寸20 mm 進(jìn)行選取的有關(guān)，因此，腐蝕長度為20 mm時(shí)的檢測(cè)效果最好。

圖9 移動(dòng)掃描示意圖

圖10 移動(dòng)掃描條件下不同腐蝕長度檢測(cè)結(jié)果

對(duì)不同腐蝕長度下S11曲線腐蝕中間位置附近3 個(gè)典型波峰的幅值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體如表2 所示。由表2可知，腐蝕長度越長，整體峰值越大，說明鋼筋腐蝕后會(huì)使腐蝕部位的S11峰值增大。進(jìn)一步計(jì)算S11曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積（包絡(luò)面積），得到腐蝕長度為0、20 mm、60 mm 和100 mm 時(shí)，面積分別為10 572、10 480、10 140 和9 943?？梢?，鋼筋腐蝕后S11與坐標(biāo)軸圍成的面積比腐蝕前明顯減小，且腐蝕長度越長，減小程度越大。因此，S11幅值和包絡(luò)面積的變化均可反映腐蝕情況。

表2 S11的峰值

3.5 腐蝕深度的檢測(cè)效果

波導(dǎo)移動(dòng)條件下不同腐蝕深度的檢測(cè)結(jié)果如圖11 所示。由圖11 可知，腐蝕鋼筋的S11曲線除了在腐蝕區(qū)域附近外，其余區(qū)域與未腐蝕鋼筋的S11曲線基本重合；腐蝕部位的S11幅值增大，中間出現(xiàn)明顯衰減，且與未腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比存在明顯的差異。同樣，計(jì)算S11曲線與坐標(biāo)圍成的面積，未腐蝕、3 mm 和6 mm 腐蝕深度對(duì)應(yīng)的包絡(luò)面積分別為10 572、10 480 和10 443，可見，隨著腐蝕深度的增加，包絡(luò)面積逐漸減小。因此，通過腐蝕位置S11的幅值與包絡(luò)面積可一定程度表征鋼筋的腐蝕深度。

圖11 移動(dòng)掃描條件下不同腐蝕深度檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

本文針對(duì)輸變電鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕檢測(cè)問題，提出了微波腐蝕無損檢測(cè)方法，確定了最優(yōu)檢測(cè)參數(shù)。經(jīng)過理論分析和仿真驗(yàn)證了基于微波反射法的鋼筋混凝土腐蝕檢測(cè)的可行性，并得到如下結(jié)論：

1）波導(dǎo)豎直放置的檢測(cè)效果優(yōu)于水平放置，采用R48 型波導(dǎo)進(jìn)行反射法腐蝕檢測(cè)時(shí)，提離距離為8 mm時(shí)反射系數(shù)的衰減程度最大，對(duì)腐蝕缺陷檢測(cè)效果最佳。

2）通過計(jì)算分析反射系數(shù)幅值的變化以及與坐標(biāo)圍成的包絡(luò)面積可有效反應(yīng)鋼筋的腐蝕程度。