Ультразвуковая дефектоскопия бетона эхо-методом.

Ультразвуковая дефектоскопия бетона эхо-методом. Состояние и перспективы

Аннотация

В статье изложены основные этапы развития ультразвукового (УЗ) эхо-метода применительно к дефектоскопии изделий и конструкций из бетона. Приведены главные результаты исследований, позволившие создать практическую эхо-импульсную аппаратуру сначала с жидкостным, а затем и с сухим акустическим контактом. Рассмотрены свойства и характеристики УЗ преобразователей с сухим точечным контактом, используемых в новейшей аппаратуре. Приведены реальные отношения сигнал/шум при эхо-импульсном контроле бетона продольными и поперечными УЗ волнами и обоснованы преимущества применения поперечных волн. Показаны возможности приборов с сухим контактом.

Введение

Для дефектоскопии железобетонных конструкций широко применяют УЗ методы. Наиболее распространены импульсные методы сквозного и поверхностного прозвучивания. В последние 10 - 15 лет всё больше используют эхо-метод, который даёт значительно больше дефектоскопической информации и требует лишь одностороннего доступа к обследуемой конструкции.

Однако эхо-импульсная аппаратура для дефектоскопии бетона существенно сложнее приборов для прозвучивания бетонных конструкций. Из-за неблагоприятных акустических свойств бетона для обнаружения внутренних дефектов синтезируют акустическую апертуру больших волновых размеров, которую с помощью компьютера фокусируют в различные точки внутри обследуемой конструкции. Этот метод синтеза, заимствованный из радиолокации, сокращённо называют "САФТ" (по-английски "SAFT" - "Synthetic Aperture Focusing Technique") [1 - 3]. Результаты контроля в такой аппаратуре представляются в виде томограммы внутренней структуры объекта контроля, где различными уровнями яркости или цветом отмечены области, отражающие ультразвуковые волны, то есть вероятные дефекты конструкции.

Грубая и пористая поверхность бетона плохо смачивается контактными жидкостями и надёжный акустический контакт с ней создать очень трудно. Поэтому эхо-импульсная аппаратура с жидкостным акустическим контактом не нашла широкого практического применения и осталась, в основном, на стадии лабораторных исследований [4]. Исключение составляют приборы УИ201С и УТ201М, созданные в НИИ интроскопии МНПО "Спектр", г. Москва в конце 80-х годов [5].

Преодолеть проблему акустического контакта позволили предложенные нами низкочастотные УЗ преобразователи с сухим точечным контактом (СТК) [6]. С их помощью стало возможным вести контроль бетона как продольными, так и поперечными акустическими волнами. Преобразователи обладают малой длительностью рабочих сигналов (относительная полоса частот более 70 %) и низким уровнем собственных реверберационных шумов.

Исследования структурной реверберации УЗ волн в бетоне и других акустических помех, мешающих приёму эхо-сигналов, показали, что для дефектоскопии бетона лучше использовать поперечные волны, чем продольные [7].

Результаты этих исследований позволили создать приборы, используемые в настоящее время для дефектоскопии железобетонных конструкций при строительстве и обследовании эксплуатирующихся сооружений [8 - 10]. Эти приборы основаны на эхо-методе. В них используются решётки УЗ преобразователей с СТК. Работают приборы на поперечных УЗ волнах.

Эхо-метод при контроле бетона

В практике неразрушающего контроля железобетонных объектов значительное место занимают сооружения с односторонним доступом. Это, например, защитные оболочки реакторов атомных электростанций, трубы различного назначения, градирни, мосты, туннели, взлётно-посадочные полосы, гидротехнические сооружения. Применение традиционных методов УЗ низкочастотной дефектоскопии, основанных на сквозном прозвучивании, на таких объектах невозможно. Поэтому на протяжении многих лет в разных странах проводятся исследования с целью применения эхо-метода для УЗ дефектоскопии бетонных конструкций и сооружений [3].

Классический эхо-импульсный дефектоскоп с совмещённым УЗ преобразователем с рабочей частотой не выше 150 - 200 кГц (а именно такие частоты применимы для контроля бетона) не нашёл практического применения. Причина этого - слабая направленность поля излучения-приёма УЗ преобразователя и, как следствие, низкая чувствительность и разрешающая способность аппаратуры. Технологически сложно также изготовить преобразователь с апертурой в несколько длин волн, малой длительностью импульсной характеристики и низким уровнем собственного реверберационного шума [3].

Повысить разрешающую способность аппаратуры позволил метод САФТ, на основе которого разрабатываются теперь, практически, все приборы и системы для эхо-импульсной дефектоскопии бетона [2, 4]. Апертуру набирают обычно из нескольких прямых контактных УЗ преобразователей с рабочей поверхностью порядка длины волны. Их механически соединяют между собой в блок (антенную решётку), который последовательно переставляют по поверхности исследуемой конструкции, записывая в память компьютера эхо-сигналы от всех преобразователей решётки. Когерентно обрабатывая полученный массив данных от нескольких соседних положений антенной решётки, синтезируют таким образом большую апертуру [4].

Предложенный авторами модифицированный метод САФТ с комбинационным зондированием объекта контроля (САФТ-К) [1] позволил существенно увеличить и чувствительность эхо-импульсных систем, по сравнению с классическим дефектоскопом и простым методом САФТ. Сущность САФТ-К в том, что каждый УЗ преобразователь синтезируемой апертуры принимает из объекта контроля акустические колебания, вызванные не только посылкой зондирующего импульса самим преобразователем (как при обычном методе САФТ), но и поочерёдно от всех остальных преобразователей апертуры. То есть апертура синтезируется всеми возможными парными комбинациями преобразователей (излучатель - приёмник). Практически для этого используется матричная решётка УЗ преобразователей, так как комбинационно сканировать поверхность объекта контроля парой преобразователей очень неудобно и долго. В результате общее количество реализаций акустических колебаний, принятых такой решёткой из n преобразователей, равно [1]

Обычный метод САФТ даёт лишь n реализаций. Поэтому выигрыш в отношении сигнал/шум по мощности от комбинационного зондирования составляет

Разработанные нами приборы УИ201С и УТ201М [5] основаны на методе САФТ-К. В эхо-импульсном томографе УИ201С использована решётка из 44 (4 ґ 11) преобразователей. В качестве контактной жидкости применяется вода. Она с помощью насоса, управляемого компьютером, подводится в зону контакта решётки с бетоном. Возможен контроль как горизонтальных, так и вертикальных поверхностей. Толщиномер бетонных конструкций УТ201М работает с 8-элементной решёткой. Для неё можно использовать как воду, так и вязкие масла. На рис. 1 показан рабочий момент сканирования бетонной конструкции антенной решёткой томографа УИ201С и внешний вид решётки толщиномера УТ201М.

УЗ визуализирующая система, представленная в [4], работает с решёткой из 10 УЗ преобразователей. Для акустической связи решётки с бетоном используется вода или глицерин. Система рассчитана на контроль горизонтальных поверхностей.

Большая трудоёмкость подготовки поверхности бетона к контролю, нестабильность жидкостного акустического контакта и трудности его поддержания в течение всего процесса УЗ зондирования являются главными препятствиями для широкого практического применения такой аппаратуры.

Ультразвуковые преобразователи с сухим точечным контактом

В последние годы развитие эхо-метода для дефектоскопии бетона шло по пути совершенствования алгоритмов обработки УЗ сигналов. Способ же излучения и приёма этих сигналов: с помощью апертурных преобразователей продольных волн с жидкостным контактом, оставался неизменным [3, 4]. В то же время, надёжную акустическую связь УЗ преобразователя с твёрдым телом можно обеспечить и без жидкой промежуточной среды, если площадь контакта сделать много меньше длины волны. Такие конструктивные решения известны. В них УЗ колебания рабочей поверхности обычного низкочастотного пьезопреобразователя передаются к объекту контроля с помощью концентратора, плавно сужающегося в точку акустического контакта. Общий недостаток таких концентраторов в том, что они, являясь резонансными элементами, существенно искажают и затягивают передаваемый сигнал. Поэтому такой способ акустического контакта нашёл пока достаточно ограниченное применение, главным образом в приборах для измерения времени прохождения УЗ сигналов через материал.

Очевидно, что более логично генерировать колебания не на значительной площади и затем собирать их в точку контакта, а сразу в этой точке, то есть, в идеале, генерировать сосредоточенную силу. Это можно сделать, если выполнить пьезоэлемент преобразователя достаточно малых размеров в плоскости, параллельной поверхности объекта контроля. Высота протектора преобразователя, акустически связывающего пьезоэлемент с объектом контроля, должна быть существенно меньше длины волны УЗ колебаний в материале протектора. Это сделает его почти апериодическим.

Основываясь на этих принципах, нам удалось разработать УЗ преобразователи с СТК, генерирующие на поверхности твёрдого тела нормальную или касательную к ней колебательную силу [6]. Эти преобразователи можно использовать не только как элементы антенных решёток, но и как выносные преобразователи для контроля бетона, композитов и пластмасс. Внешний вид их показан на рис. 2. Протекторы преобразователей выполнены из титана. Точкой их акустического контакта с объектом контроля служит вершина конуса или выпуклая поверхность керамической вставки, стойкой к абразивному износу.

При точечном акустическом контакте УЗ преобразователя с поверхностью твёрдого полупространства при любом направлении смещений точки контакта (нормальном или касательном к поверхности) в объём полупространства и вдоль его поверхности излучаются все основные типы объёмных и поверхностных акустических волн. Ориентация вектора смещений точки контакта влияет на преимущественные направления излучения этих волн. Это относится и к режиму приёма. Поэтому преобразователи с точечным контактом можно называть преобразователями продольных или поперечных волн лишь условно, подразумевая под этими названиями то, что они способны излучать (и принимать) по нормали к поверхности полупространства, соответственно, продольные или поперечные УЗ волны. Более точно их следует называть преобразователями с продольными или поперечными колебаниями протектора или, что, то же самое, точки акустического контакта. При продольных колебаниях протектора в объём полупространства излучаются продольные волны с максимумом излучения в направлении продольной оси преобразователя, при поперечных колебаниях - поперечные волны в том же направлении.

На рис. 3 приведены диаграммы направленности преобразователей с СТК, полученные на специальном полусферическом образце мелкоструктурного бетона. Лепестки диаграмм пронормированы на максимумы сигналов соответствующих типов волн. Из диаграмм видно, что направленность полей излучения (и приёма) данных преобразователей весьма широкая. У преобразователя поперечных колебаний в плоскости, перпендикулярной вектору смещений, она вообще отсутствует (см. рис. 3, в). Вдоль поверхности полупространства от этого преобразователя в обе стороны от точки контакта перпендикулярно вектору смещений уходят поперечные волны с горизонтальной поляризацией (SH волны). Скорость их, как известно, равна скорости объёмных поперечных волн. В перпендикулярном направлении вдоль поверхности в обе стороны от точки контакта этого преобразователя с полупространством излучаются продольные волны (см. рис. 3, б, кривая 2). Эти свойства преобразователей поперечных колебаний открывают дополнительную возможность измерений скоростей продольных и поперечных волн в материалах способом поверхностного прозвучивания.

На рис. 4 показан типичный вид сигналов и спектров разработанных преобразователей. Осциллограммы записаны при сквозном прозвучивании образца из фторопласта диаметром 120 мм и толщиной 40 мм парой одинаковых преобразователей. База прозвучивания равна 40 мм. Верхняя осциллограмма получена от преобразователей с продольными колебаниями протектора, нижняя - от преобразователей с поперечными колебаниями. Справа от осциллограмм приведены амплитудные спектры импульсов продольной (вверху) и поперечной (внизу) волн. Спектры вычислены на интервалах, содержащих принятые сигналы и выделенных вертикальными линиями. Сигналы имеют малое число периодов заполнения. Их спектры незначительно искажаются при распространении волн в бетоне. Такие сигналы близки к оптимальным для контроля бетона эхо-методом [1].

Поперечные ультразвуковые волны при дефектоскопии бетона

Проведённые нами исследования соотношений уровней полезных сигналов, структурного шума и прочих помех при эхо-импульсном контроле бетона продольными и поперечными УЗ волнами показали, что при использовании поперечных волн можно добиться лучших характеристик дефектоскопической аппаратуры.

На рис. 5 представлены результаты измерений амплитуд донных сигналов, эффективных значений структурного шума sш бетона и уровней различных акустических помех при контроле бетона эхо-методом УЗ преобразователями с СТК. По горизонтали отложено время от зондирующего импульса. По вертикали - амплитуды эхо-сигналов, помех и sш. За 0 дБ принят уровень сигнала, полученный при непосредственном контакте протекторов излучающего и приёмного преобразователей.

Если сравнить эти соотношения сигналов и помех, то можно заключить, что помеховая ситуация при контроле бетона поперечными волнами более благоприятна. Основные причины этого в следующем:

• Однотипные помехи от поверхностных волн, независимо от используемых преобразователей, имеют одинаковые времена прихода на приёмный преобразователь при равных базах, тогда как эхо-сигналы для одинаковых глубин располагаются на оси времени по-разному, поскольку скорости продольных и поперечных волн отличаются почти вдвое.
• Уровни донных сигналов с одинаковых глубин приблизительно равны, поскольку различие только в длине волны при отражении от плоскости и точечных излучателе и приёмнике не играет роли. Однако уровни Рэлеевских помех у преобразователей поперечных колебаний примерно на 10 дБ меньше. Это можно объяснить тем, что Рэлеевская волна сильнее действует на преобразователь продольных колебаний, чем поперечных, так как нормальные смещения точек поверхности в Рэлеевской волне в 1,4 - 1,6 раза больше касательных.


Рис. 5. Соотношения уровней сигналов и помех при эхо-импульсном контроле бетона УЗ преобразователями с СТК продольных (а) и поперечных (б) колебаний протектора:
1 - структурный шум, 2 - помеха от Рэлеевской волны, 3 - помеха от SH волны, 4 - донный сигнал.
• Кривая структурного шума у преобразователей поперечных колебаний проходит на 10 - 12 дБ ниже кривой шума, снятой преобразователями продольных колебаний. Это можно объяснить тем, что, как известно, при любом направлении возбуждающей полупространство силы больше энергии источника уходит в объём в виде поперечных волн, а не продольных. Следует добавить, что волновые размеры локальных отражателей для поперечных волн почти вдвое больше, чем для продольных. Поэтому можно ожидать для них лучших отношений сигнал/шум на поперечных волнах. Заполненные жидкостью трещины в бетоне лучше отражают поперечные волны, чем продольные, из-за большего скачка импедансов. Таким образом, применение поперечных УЗ волн для дефектоскопии бетона эхо-методом более предпочтительно, чем продольных.

Практическая аппаратура

Полученные результаты позволили создать простые в эксплуатации приборы для эхо-импульсной дефектоскопии железобетонных конструкций. Они работают на поперечных УЗ волнах, излучение и приём которых выполняется с помощью матричных решёток преобразователей с СТК.

Устройство и результаты применения одного из этих приборов - ультразвукового томографа А1230 - изложены в [8, 10]. Он был разработан в 1994 году. А1230 представляет собой электронный блок с 36-элементной (6ґ6) антенной решёткой, подключённый к персональному компьютеру. При ручном сканировании антенным блоком поверхности исследуемого объекта синтезируется УЗ апертура размером до 1 метра в направлении сканирования. Это позволяет визуализировать внутреннюю структуру бетонной конструкции на такую же глубину. Чувствительность А1230 достаточна для обнаружения в бетонах марки 400 с наибольшей крупностью заполнителя 20 мм пустот объёмом порядка 30 см3 на глубинах до 300 мм или протяжённых пустотных дефектов диаметром 15 - 20 мм на глубинах до 500 мм.

Пример изображения с экрана А1230 приведён на рис. 6. Это томограмма типа В получена при обследовании фундамента здания, построенного методом скользящей опалубки. Она иллюстрирует характерный вид образов плоских отражателей: полки стальной двутавровой балки и донной поверхности бетонного массива. Балка замоноличена в бетон так, что плоскость её полки параллельна внешней поверхности бетона и находится на глубине Z около 230 - 240 мм. Толщина бетона фундамента 450 мм. Сканирование фундамента антенным блоком было выполнено перпендикулярно продольной оси балки. На томограмме (рис. 6) образ балки в виде прерывистой широкой полосы, располагается в интервале от 300 до 750 мм по горизонтальной оси X. Поскольку балка затеняет собой донную поверхность бетона, образ донной поверхности виден лишь в левой и правой нижних частях томограммы в интервале 70 - 270 и 760 - 900 мм по оси Х. Под образом балки на удвоенной глубине можно различить более слабое второе отражение от балки.

Другой прибор - ультразвуковой дефектоскоп А1220 - разработан в 1998 году. В настоящее время он производится серийно и экспортируется в страны Восточной и Западной Европы. Его внешний вид приведён на рис. 7. А1220 состоит из антенного устройства с решёткой из 24 (4ґ6) УЗ преобразователей с СТК и электронного блока с графическим экраном. Кроме того, к прибору можно подключать выносные УЗ преобразователи с СТК для сквозного и поверхностного прозвучивания бетонных изделий продольными и поперечными УЗ волнами.

Контроль конструкций эхо-методом выполняют путём сканирования поверхности объекта антенным устройством вдоль прямой. На встроенном экране возможны 2 варианта представления информации:

• А-развёртка эхо-сигналов при каждом положении антенного устройства;
• В-развёртка сигналов, превышающих некоторый выбранный уровень.

Углублённый анализ записанных данных возможен на компьютере, связанном с прибором инфракрасным каналом. Компьютер отображает данные в виде полутоновых томограмм и в виде трёхмерного изображения структуры объекта контроля.

Минимальные диаметры дефектов, обнаруживаемых дефектоскопом А1220 в бетоне марки 400 с отношением сигнал/шум более 6 дБ, равны:

• 50 мм до глубины 400 мм, если дефект протяжённый;
• 80 мм до глубины 250 мм, если дефект сосредоточенный.

На рис. 8 даны фотографии фрагмента железобетонного моста с двумя незабетонированными полостями и изображения на экране А1220, полученного после контроля фрагмента с верхней поверхности. Фрагмент был выпилен при ремонте моста. Линия сканирования пересекала полости под углом 90о к их осям. Записаны эхо-сигналы при 40 положениях антенного устройства и шаге сканирования 20 мм. Чёрные дуги на экране прибора индицируют положение верхних поверхностей этих полостей.

Дальнейшее развитие эхо-импульсной дефектоскопии бетона

Перспективными на наш взгляд представляются следующие усовершенствования аппаратуры, визуализирующей внутреннюю структуру бетона:

• Селекция отражённых сигналов по поляризации волн, на которую влияет ориентация протяжённых дефектов;
• Анализ фазы отражённого сигнала для определения характера дефекта по знаку скачка импедансов на границе среда - дефект;
• Синтез томограмм с адаптацией к форме отражателей, то есть изменение фокусировки апертуры на разные типы дефектов: точечные, объёмные, плоские, протяжённые и т. д.

Выводы

• УЗ преобразователи с СТК устраняют проблему обеспечения акустического контакта через жидкость и дают возможность использовать поперечные УЗ волны;
• Для дефектоскопии бетона эхо-методом лучше использовать поперечные УЗ волны, чем продольные. Отношения сигнал/помеха приблизительно на 10 дБ выше;
• Эхо-импульсная аппаратура с СТК, работающая на поперечных УЗ волнах, проста в эксплуатации и может применяться в полевых условиях.

Литература

1. А. В. Ковалёв, В. Н. Козлов, А. А. Самокрутов, В. Г. Шевалдыкин, Н. Н. Яковлев, "Импульсный эхо-метод при контроле бетона. Помехи и пространственная селекция", Дефектоскопия, № 2, 1990, с. 29 - 41.
2. M. Schickert, "Towards SAFT-Imaging in Ultrasonic Inspection of concrete", International Symposium Non-Destructive Testing in Civil Engineering (NDT-CE), September 26 - 28, 1995, pp. 411 - 418.
3. P. A. Gaydecki, F. M. Burdekin, "Nondestructive Testing of Reinforced and Pre-stressed Concrete Structures", Nondestructive Testing and Evaluation, Vol. 14, 1998, pp. 339 - 392.
4. M. Krause, F. Mielentz, B. Milman, H. Wiggenhauser, W. Muller, V. Schmitz, "Ultrasonic imaging of concrete members using an array system", Insight, Vol. 42, No. 7, 2000, pp. 447 - 450.
5. A.V. Kovalev, A.A. Samokrutov, V.G. Shevaldykin, V.N. Kozlov, I.Yu. Pushkina, S. Hubbard, "Instruments and Means for Reinforced Concrete Structures Inspection", 15th World Conference on Nondestructive Testing, Roma (Italy) 15-21 October, 2000.
6. В. Н. Козлов, А. А. Самокрутов, В. Г. Шевалдыкин, "Ультразвуковой низкочастотный преобразователь", Патент РФ № 2082163, Бюлл., изобр., № 17, 1997.
7. В. Г. Шевалдыкин, А. А. Самокрутов, В. Н. Козлов, "Поперечные ультразвуковые волны в эхо-импульсной дефектоскопии опор трубопроводов", 3-я Международная конференция Диагностика трубопроводов, Москва, 21 - 26 мая 2001 г. Тезисы докладов. М.: 2001. С. 182.
8. V.G. Shevaldykin, V.N. Kozlov, A. A. Samokrutov, "Inspection of Concrete by Ultrasonic Pulse-Echo Tomograph with Dry Contact", 7th European conference on Non-Destructive Testing, Copenhagen, 26 - 29 May, 1998.
9. V.N. Kozlov, A. A. Samokrutov, V. G. Shevaldykin, "Thickness Measurements and Flaw Detection in Concrete Using Ultrasonic Echo Method", Nondestructive Testing and Evaluation, Vol. 13, 1997, pp. 73 - 84.
10. Yu. V. Lange, V. F. Moujitski, V.G. Shevaldykin, V.N. Kozlov, A. A. Samokrutov, "Non-destructive testing of multiplayer structures and concrete", Insight, Vol. 40, No. 6, 1998, pp. 400 - 403.