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與毫厘較真的混凝土“彩超”

——記長江設計院高分辨率混凝土超聲波成像系統

面對混凝土“鋼筋鐵骨”,如何“毫發不傷”對其“體檢”?工程生病,如何探明病灶大小,位置深淺?若需“開刀”治療,又怎樣精確定位,于毫厘間準確“下刀”?由長江設計院研發的高分辨率混凝土超聲波成像系統,如同眼尖的混凝土三維“彩超”,將難題一并解決。

高分辨率混凝土超聲波成像系統,從外觀看,并不打眼。其集成儀器如同一只手持游戲機操作面板,內部的陣列換能器如同一只鑲嵌黑色按鈕的電視遙控器。檢測混凝土建筑時,技術人員只需將集成儀器貼合在混凝土表面來回移動,3秒內便能在電腦上得到混凝土體高清三維圖像。空鼓、裂縫、空洞、不密實等混凝土缺陷全都以特殊顏色顯示在三維圖上,大小、位置紛紛清晰可見,平均誤差僅為2-3毫米。

過去,對混凝土進行缺陷探測,往往使用雷達信號。但雷達信號遇上混凝土鋼筋時,極易發生散射,對含有大量鋼筋的混凝土而言,這樣的檢測往往讓人難以放心。高分辨率混凝土超聲波成像系統以超聲波技術為基礎,聲波信號既不畏鋼筋,更大幅增加探測深度。該系統的核心組成部分——陣列換能器,不斷向混凝土體發射和接收超聲波信號,當混凝土體內存在空鼓、裂縫、空洞、不密實等缺陷時,缺陷向儀器反射回特別的超聲波信號,且該信號比從墻體反射的信號更早到達接收器。處理軟件通過反射信號的到達時間來確定物體內缺陷的位置和大小。

長江設計院物探公司技術部主任蔡加興告訴記者,高分辨率混凝土超聲波成像系統具有四大亮點,確保超聲波檢測信號傳得進去、傳導到底、高清成像、高精定位。四大亮點分別為干耦合點接觸(DPC)超聲波探頭、橫波傳感器、陣列式系統、合成孔徑聚焦技術數據處理方法。

如同人體B超,檢測前需在皮膚表面涂抹一層膠質物,以保證聲波傳到身體內部。過去用超聲波檢查混凝土體時,同樣需要涂抹黃油、凡士林這樣的“B超膠質物”。但在實際工作中,涂抹這些物質為檢測帶來極大麻煩。研發人員探索出干耦合點接觸技術,保證探頭在干爽情況下也能輕松上陣。同時,探頭采用的彈簧加載方式,可以跟隨凹凸起伏的混凝土體表面“隨方就圓”,保證信號不錯過任何一個拐角。由陶瓷小固件制作而成的探頭傳感器,完全適應非常粗糙和不光滑的表面,極大保證了探頭與混凝土表面間的良好接觸,最終提升超聲波檢測信號穿透各類混凝土體表面的能力。

當超聲波信號穿透空氣阻攔進入厚厚的混凝土體后,要想保證聲波一傳到底,必須狠下功夫。技術人員介紹,超聲波在空氣中分為橫波和豎波兩種傳播方式,而對于混凝土體缺陷,橫波反應更加敏感、細膩,而且傳導能力更強。高分辨率混凝土超聲波成像系統采用橫波傳感器和橫波檢測方法,確保了每個缺陷都能探得清楚,看得清晰。

蔡加興打開一張陣列換能器的結構照片,一排排的信號點密密麻麻地出現在面前。它們可是保證三維高清成像的頭號功臣。正是因為他們連續不斷地發射接受超聲波信號,將混凝土體三維圖像由點及面越描越細,更讓缺陷成像越來越清晰。與它配合的合成孔徑聚焦技術數據處理方法,進一步提升成像清晰度,保證兩個相距極近的反射信號也能獨立開來,不至于混為一談。

2016年8月18日,世界上技術難度最高、規模最大的三峽升船機正式進入試通航階段。為了確保將1.55萬噸的重量安全抬至百米高空,三峽升船機創造性地采用齒輪齒條爬升方式,位于承船廂兩側的混凝土齒條成為升船機安全運行的關鍵。封閉的巨型齒條,兩個咬合面之間進行過3期混凝土澆筑。混凝土注漿是否存在不密實的缺陷,建設是否符合要求?這些問題都關系著齒條咬合是否牢固,船只提升是否安全。技術人員采用高分辨率混凝土超聲波成像系統,在齒條封閉后的混凝土體外表面進行測試,不僅操作簡單,而且檢測結果快捷地反映在一張3D圖上。綠色的影像清晰地顯示著齒條的形狀和注漿狀態,讓工程驗收人員放下心來。在過去,對這樣大型的混凝土體進行此類檢測根本無法實現。

成像系統不僅讓驗收人員放心,更讓工程搶護人員省心。在一次渡槽工程建設中,由于灌漿工作未達標,導致管道內滲水,冬季時因水體結冰將混凝土管道凍裂形成混凝土空鼓。此時,搶護人員必須精確探明空鼓位置和大小,確定工程是否安全以及搶護方式及具體方案。5家檢測單位來到現場都無法實現檢測。正在大家束手無策之時,技術人員利用高分辨率混凝土超聲波成像系統,精準探明空鼓,最終順利解決問題。

在南水北調工程、貴州畢威高速公路建設中,高分辨率混凝土超聲波成像系統都得到了充分運用,更成功獲得2016年度大禹水利科學技術二等獎。眼下,大型水利工程混凝土建筑的安全性要求日益提高,對工程結構體內部三維成像,并逐層顯示結構體內部的層斷面,以此對混凝土內部缺陷進行高清三維成像已成為業界新寵。這一全新技術更在與毫厘的不斷較量中,一步步筑牢大型水利工程建設的安全屏障。

 

文章作者:賈茜 秦建斌責任編輯:賈茜
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