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与毫厘较真的混凝土“彩超”

——记长江设计院高分辨率混凝土超声波成像系统

面对混凝土“钢筋铁骨”,如何“毫发不伤”对其“体检”?工程生病,如何探明病灶大小,位置深浅?若需“开刀”治疗,又怎样精确定位,于毫厘间准确“下刀”?由长江设计院研发的高分辨率混凝土超声波成像系统,如同眼尖的混凝土三维“彩超”,将难题一并解决。

高分辨率混凝土超声波成像系统,从外观看,并不打眼。其集成仪器如同一只手持游戏机操作面板,内部的阵列换能器如同一只镶嵌黑色按钮的电视遥控器。检测混凝土建筑时,技术人员只需将集成仪器贴合在混凝土表面来回移动,3秒内便能在电脑上得到混凝土体高清三维图像。空鼓、裂缝、空洞、不密实等混凝土缺陷全都以特殊颜色显示在三维图上,大小、位置纷纷清晰可见,平均误差仅为2-3毫米。

过去,对混凝土进行缺陷探测,往往使用雷达信号。但雷达信号遇上混凝土钢筋时,极易发生散射,对含有大量钢筋的混凝土而言,这样的检测往往让人难以放心。高分辨率混凝土超声波成像系统以超声波技术为基础,声波信号既不畏钢筋,更大幅增加探测深度。该系统的核心组成部分——阵列换能器,不断向混凝土体发射和接收超声波信号,当混凝土体内存在空鼓、裂缝、空洞、不密实等缺陷时,缺陷向仪器反射回特别的超声波信号,且该信号比从墙体反射的信号更早到达接收器。处理软件通过反射信号的到达时间来确定物体内缺陷的位置和大小。

长江设计院物探公司技术部主任蔡加兴告诉记者,高分辨率混凝土超声波成像系统具有四大亮点,确保超声波检测信号传得进去、传导到底、高清成像、高精定位。四大亮点分别为干耦合点接触(DPC)超声波探头、横波传感器、阵列式系统、合成孔径聚焦技术数据处理方法。

如同人体B超,检测前需在皮肤表面涂抹一层胶质物,以保证声波传到身体内部。过去用超声波检查混凝土体时,同样需要涂抹黄油、凡士林这样的“B超胶质物”。但在实际工作中,涂抹这些物质为检测带来极大麻烦。研发人员探索出干耦合点接触技术,保证探头在干爽情况下也能轻松上阵。同时,探头采用的弹簧加载方式,可以跟随凹凸起伏的混凝土体表面“随方就圆”,保证信号不错过任何一个拐角。由陶瓷小固件制作而成的探头传感器,完全适应非常粗糙和不光滑的表面,极大保证了探头与混凝土表面间的良好接触,最终提升超声波检测信号穿透各类混凝土体表面的能力。

当超声波信号穿透空气阻拦进入厚厚的混凝土体后,要想保证声波一传到底,必须狠下功夫。技术人员介绍,超声波在空气中分为横波和竖波两种传播方式,而对于混凝土体缺陷,横波反应更加敏感、细腻,而且传导能力更强。高分辨率混凝土超声波成像系统采用横波传感器和横波检测方法,确保了每个缺陷都能探得清楚,看得清晰。

蔡加兴打开一张阵列换能器的结构照片,一排排的信号点密密麻麻地出现在面前。它们可是保证三维高清成像的头号功臣。正是因为他们连续不断地发射接受超声波信号,将混凝土体三维图像由点及面越描越细,更让缺陷成像越来越清晰。与它配合的合成孔径聚焦技术数据处理方法,进一步提升成像清晰度,保证两个相距极近的反射信号也能独立开来,不至于混为一谈。

2016年8月18日,世界上技术难度最高、规模最大的三峡升船机正式进入试通航阶段。为了确保将1.55万吨的重量安全抬至百米高空,三峡升船机创造性地采用齿轮齿条爬升方式,位于承船厢两侧的混凝土齿条成为升船机安全运行的关键。封闭的巨型齿条,两个咬合面之间进行过3期混凝土浇筑。混凝土注浆是否存在不密实的缺陷,建设是否符合要求?这些问题都关系着齿条咬合是否牢固,船只提升是否安全。技术人员采用高分辨率混凝土超声波成像系统,在齿条封闭后的混凝土体外表面进行测试,不仅操作简单,而且检测结果快捷地反映在一张3D图上。绿色的影像清晰地显示着齿条的形状和注浆状态,让工程验收人员放下心来。在过去,对这样大型的混凝土体进行此类检测根本无法实现。

成像系统不仅让验收人员放心,更让工程抢护人员省心。在一次渡槽工程建设中,由于灌浆工作未达标,导致管道内渗水,冬季时因水体结冰将混凝土管道冻裂形成混凝土空鼓。此时,抢护人员必须精确探明空鼓位置和大小,确定工程是否安全以及抢护方式及具体方案。5家检测单位来到现场都无法实现检测。正在大家束手无策之时,技术人员利用高分辨率混凝土超声波成像系统,精准探明空鼓,最终顺利解决问题。

在南水北调工程、贵州毕威高速公路建设中,高分辨率混凝土超声波成像系统都得到了充分运用,更成功获得2016年度大禹水利科学技术二等奖。眼下,大型水利工程混凝土建筑的安全性要求日益提高,对工程结构体内部三维成像,并逐层显示结构体内部的层断面,以此对混凝土内部缺陷进行高清三维成像已成为业界新宠。这一全新技术更在与毫厘的不断较量中,一步步筑牢大型水利工程建设的安全屏障。

 

文章作者:贾茜 秦建斌责任编辑:贾茜