用于输电线路地角螺栓腐蚀程度的检测方法与流程

本发明属于输电线路运维领域，特别涉及用于输电线路地角螺栓腐蚀程度的检测方法。

背景技术：

输电塔是架空输电线路应用极广的一类高耸结构，输电线路作为重要的电能输送“生命线”，输电塔可靠运行具有重要的作用，通常输电塔是通过深埋于土壤内的钢筋混凝土基础根基在固定的位置，依靠地角螺栓将输电塔牢固地固定在钢筋混凝土基础上，地脚螺栓大部分掩埋于土壤下的基础内，小部分位于螺母和塔脚底板内，由于输电线路走廊长，地貌和气候环境复杂，地脚螺栓长期受潮湿环境影响，发生腐蚀作用，致使螺栓、螺母发生严重的腐蚀损伤，导致螺栓强度降低，给输电线路安全带来严重影响，由于地脚螺栓几乎全部被掩盖在螺母、底板和混凝土基础内，从外观无法观察或测量其是否发生腐蚀或发生腐蚀的程度，成为输电线路隐蔽性安全隐患。

工程上通常采用相控阵技术检测紧固螺栓中的缺陷，但一般是对紧固螺栓的螺纹和退刀槽处存在的裂纹等面积型缺陷或螺栓内部存在的渣、孔、疏松等体积型缺陷进行定性检测，检测有特定的技术规范和要求，通常情况下每处缺陷范围较小，与基体有明显的边界，相控阵检测技术特征明显。

分析输电塔地脚螺栓受力特点，螺母处的应力最高，离塔脚越近，对地脚螺栓的强度要求越苛刻，因此在地脚螺栓中上部发生严重腐蚀损伤时，对输电线路的安全运行将产生严重的威胁。一般情况下，地脚螺栓的腐蚀是在一定范围内产生较大面积的表面腐蚀，各处的腐蚀截面可能不完全一致，但腐蚀边界圆滑，外表面附有不同厚度的氧化皮，当输电线路服役时间长、土壤的腐蚀介质较强时，腐蚀介质通过熟化的混凝土进入基础内，在地脚螺栓较长的范围内产生严重的腐蚀，对于这种掩蔽性腐蚀缺陷，采用传统的紧固螺栓相控阵检测方法来检测这类腐蚀形貌的地脚螺栓，相控阵检测的灵敏度和准确性大大降低；而且在腐蚀段因腐蚀表面呈现凹凸不平的情况，对超声波的反射情况也不同，会造成很多反射波的损失，或偏离正常反射轨迹，形成干扰波，对检测的准确性和灵敏度造成严重影响，尤其当检测长度(探头检测端面与待检测位置之间的距离)达到300mm以上时，这一问题更为严重。因此目前还没有一种检测方法能够准确检测出地脚螺栓的腐蚀程度。

技术实现要素：

本发明提供一种用于输电线路地脚螺栓腐蚀程度的检测方法。采用相控阵技术原理，并选用对应的相控阵检测探头来检测螺栓腐蚀程度。经过实验研究和实际应用证实，该方法能够很好地检测地脚螺栓的腐蚀损伤状况。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

用于输电线路地角螺栓腐蚀程度的检测方法，包括：

1)根据地脚螺栓的横截面直径和长度，选择相控阵探头；

2)根据地脚螺栓的横截面直径、长度和相控阵探头的参数，制定相控阵检测工艺；

3)使用同类材料制备系列地脚螺栓模拟试件，模拟试件的直径与待测地脚螺栓的直径相同；

4)在模拟试件上加工地脚螺栓模拟腐蚀形貌，使地脚螺栓各模拟试件的腐蚀深度或腐蚀开口角度不同；

按照已制定的相控阵工艺对地脚螺栓模拟试件进行检测，测定地脚螺栓不同腐蚀深度或腐蚀开口角度的反射波的db数；

6)拟合腐蚀深度或腐蚀开口角度与反射波的db数的关系曲线；

7)将同一相控阵探头放置于已发生腐蚀的待测地脚螺栓端面；

8)检测待测地脚螺栓与地脚螺栓模拟试件相同高度处的反射波的db数，带入步骤6)中获得的关系曲线中进行计算，获得待测地脚螺栓的腐蚀深度或腐蚀开口角度。

一般的，地脚螺栓的长度为1-3m，基础上部200mm-300mm长度范围所受应力较大，对强度要求较高，因此检测该长度范围内的腐蚀状况尤为重要。

但实际检测过程中由于待测地脚螺栓掩盖于底板和钢筋混凝土内，检查或现有检测技术较为困难，腐蚀引起地脚螺栓强度下降引发输电塔倾覆危险。采用本发明拟合的关系曲线，即可较为准确地定量检测地脚螺栓的实际腐蚀程度。

优选的，所述地脚螺栓和相控阵探头的匹配关系为：

直径为φ20以下地脚螺栓采用10l16-0.3×5或5l16-0.6×10相控阵探头进行检测；

直径为φ20至φ42的螺栓采用5l32-0.5×10探头进行检测；

直径为φ42以上的螺栓采用5l64-0.6×10探头进行检测；

此时，主瓣的宽度最小，旁瓣与主瓣的比值最小、栅瓣完全消除。

φ20以下、φ20至φ42、φ42以上直径与探头匹配组合根据探头面长度来选择，使探头的截面尺寸小于待检螺栓截面尺寸。特别是，由于现有地脚螺栓、相控阵探头的规格较多，在实际的检测过程中，即使可以控制其他的参数在正常范围内，还是容易显示出较多的缺陷，如出现“重影”等问题，而“重影”则容易导致检测准确度降低，容易造成误判。发明人以一维线性相控阵的声束指向性函数为模型，用civa工具编程仿真，探究了相控阵检测工艺对地脚螺栓腐蚀检测准确度的影响。经过试验发现，相控阵探头型号对不同尺寸(如地脚螺栓的横截面直径和待检测地脚螺栓的范围)的地脚螺栓的腐蚀检测准确度影响较大，如果相控阵探头与地脚螺栓的尺寸不匹配，容易产生干扰波，加剧了“重影”现象。针对特定尺寸范围的地脚螺栓使用特定的相控阵探头型号，可以明显缓解“重影”现象，使显示的图像更加清晰。可以显著降低误判的几率。同时，在定量检测时，干扰现象的缓解，可以明显提高定量检测的准确度。

综上，地脚螺栓尺寸与相控阵探头良好的匹配性和特定的检测工艺，是保证定量检测的准确性的重要影响因素。

优选的，待测螺栓与相控阵仪器发射电压的匹配关系为：

直径为φ20以下地脚螺栓采用40v-60v发射电压；

直径为φ20至φ42的螺栓采用45v-75v发射电压；

直径为φ42以上的螺栓采用50v-100v发射电压。

优选的，上述检测方法中，相控阵仪器的脉冲宽度为80-360ns。

优选的，10l16-0.3×5或5l16-0.6×10相控阵探头的采样点为80-200个，压缩系数为20-32；

5l32-0.5×10相控阵探头的采样点为150-600，压缩系数为25-55；

5l64-0.6×10相控阵探头的采样点为330-650，压缩系数34-62。

优选的，10l16-0.3×5或5l16-0.6×10相控阵探头的重复频率为6-12hz；

5l32-0.5×10相控阵探头的重复频率为9-20hz；

5l64-0.6×10相控阵探头的重复频率为14-30hz。

优选的，直径为φ20以下地脚螺栓采用的声束半角为5°-20°；

直径为φ20至φ42的螺栓采用的声束半角为15°-25°；

直径为φ42以上的螺栓采用的声束半角为20°-30°。

由于相控阵探头在扫描时，扫描范围为对称的扇形，声束半角是指扫描扇形的一半对应的角度。

优选的，步骤7)中，将待测地脚螺栓的端面清除杂物，使其表面粗糙度小于或等于6.3μmm。

将检测面进行平整光滑处理，便于相控阵探头的自由扫查。

进一步优选的，检测时，相控阵探头扫查的速度为0.01m/s，转动的角速度为1°-5°/s，探头旋转移动时，使得扫查覆盖大于探头面积的5％-20％。

优选的，所述地脚螺栓的直径为φ15-φ50。

优选的，上述检测方法，还包括在地脚螺栓的端面涂上耦合剂，将相控阵探头进行固定的步骤。耦合剂为医用超声耦合剂、甘油或机油等糊状液体。

本发明还提供了一种检测输电线路输电塔地角螺栓腐蚀状况的工具包，包括：相控阵仪器、探头、耦合剂；

其中，所述相控阵仪器的探头为10l16-0.3×5探头、5l16-0.6×10探头、5l32-0.5×10探头或5l64-0.6×10探头。

优选的，所述螺栓直径和探头的对应关系为：

直径为φ20以下地脚螺栓采用10l16-0.3×5探头或5l16-0.6×10探头进行检测；

直径为φ20至φ42的螺栓采用5l32-0.5×10探头进行检测；

直径为φ42以上的螺栓采用5l64-0.6×10探头进行检测。

本发明还提供了上述的工具包在检测输电线路地脚螺栓中的应用。

本发明的有益效果为：

(1)本发明采用相控阵技术，根据地脚螺栓的规格选用规定的探头，来检测地脚螺栓的腐蚀情况，可以提高相控阵探头与地脚螺栓的匹配程度，提高了检测的效率和准确度。经过实验研究和实际应用，该方法能够很好地检测地脚螺栓的腐蚀损伤状况，进而降低了输电塔倾覆的风险。

(2)本发明检测方法简便、高效、准确度高、实用性强，易于推广。

附图说明

图1u型模拟腐蚀图。

图2v型模拟腐蚀(包含45°、60°)图。

图3锥型模拟腐蚀图。

图4输电线路地脚螺栓埋藏示意图。

图5从地脚螺栓端部做相控阵检测示意图。

图6制造的模拟腐蚀试块现场检测图，其中，(1)机械打磨腐蚀形状、(2)机加工u型腐蚀形状、(3)机加工v型腐蚀(60°)形状、(4)机加工v型腐蚀(45°)形状、(5)机加工锥形腐蚀形状；

图7相控阵原理图；

图8中(a)扇形动态聚焦图，(b)垂直动态聚焦图；

图9本发明检测功能示意图；

图10(a)为腐蚀螺栓示意图，(b)为相控阵检测图；

图11(c)为腐蚀螺栓示意图，(d)为相控阵检测图；

图中，1、地脚螺栓，2、输电线路铁塔钢筋混凝土基础，3、相控阵探头。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

实施例1

(一)检测方法

检测输电线路地角螺栓腐蚀状况，本方法采用相控阵技术，并利用选取的特定探头，来观察螺栓腐蚀形状情况。

整个螺栓大部分埋于地下(钢筋混凝土基础里)(如图4所示)，从露出钢筋混凝土基础地脚螺栓端面进行检测。因此，我们制定的检测方式是从端部做相控阵检测(如图5所示)，

步骤：

1)根据螺栓直径大小及长度，选择探头；

2)开机，根据螺栓规格、探头参数设置仪器；

3)调校相控阵仪器并校准；

4)开始检测，将螺栓待测端端面涂上适量耦合剂；

5)探头垂直放于螺栓端部；

6)边调节仪器检测范围，边旋转探头；

7)观察显示屏；

8)发现腐蚀显示，保存。

(二)参数和性能指标

1、实验用地角螺栓规格：φ15-φ50。

2、相控阵仪器达到的基本性能指标/参数(至少要达到以下性能指标/参数)如表1所示。

表1

满足以上性能指标的相控阵仪器基本可以实现检测螺栓腐蚀状况。

(三)选取对应探头

直径为φ20以下地脚螺栓采用10l16-0.3×5探头或5l16-0.6×10相控阵探头进行检测；

直径为φ20至φ42的螺栓采用5l32-0.5×10探头进行检测；

直径为φ42以上的螺栓采用5l64-0.6×10探头进行检测；

此时，主瓣的宽度最小，旁瓣与主瓣的比值最小、栅瓣完全消除。

(四)模拟螺栓腐蚀

螺栓腐蚀属于局部向外扩散型腐蚀，最终形成一个内凹、类似纺线锤型腐蚀凹沟形状。因此，我们设计制造几种模仿腐蚀缺陷的螺栓，模拟形状：图1为u型模拟腐蚀，图2为v型模拟腐蚀(包含45°、60°)，图3为锥型模拟腐蚀。

(五)实验结果

检测制造的模拟腐蚀试块，如图6所示。经过实验检测，我们这种方法基本将机械及机加工模拟腐蚀情况检测出来。

相控阵原理如下图7：

由惠更斯原理可知，任何超声波的波阵面可以看成若干个子波源各自发射相干超声波的合成。反之亦然，整齐排列的微小换能器(阵列探头)发射的相干超声波能形成特定的波束和波阵面。而通过控制器使激励阵列探头各晶片的电脉冲按一定规律(聚焦法则)延时，就能使超声波束的形状和传播方向随延时规律的变化而发生改变。

相控阵系统发射超声波，通过控制器发出有微小时差的电脉冲依次激励阵列探头各晶片来获得想要的波束。而来自材料中某一点(如缺陷)的回波以一定时差返回，各换能器晶片上接收到的回波信号均有时差，同样需要通过相控阵控制器调节接收延时，使信号汇合后形成的a-扫描图形能正确显示材料中该点的回波特性，以及材料中其它各点的回波特性。

通过软件计算控制电脉冲延迟时间依次激励阵列探头各晶片来获得想要的波束。

一、16、32晶片

1、实现左右扇形动态聚焦扫查，如图8(a)所示；

2、垂直动态聚焦，如图8(b)所示；

3、工作原理：调校仪器控制延迟使波束以下方式动态聚焦扫查，采集数据，最后经过软件程序对采集的数据分析组合，形成我们需要的图像，如图9所示。

4、数据分析：

基础对比灵敏度ф25螺杆长305mm，底面反射波37db(作为参考校准波)。

以下均为40％波高的db数。

地脚螺栓设定埋入深度的腐蚀深度与db数的关系曲线的制作方法，包括如下步骤：

1)制作8个地脚螺栓标准件，使用同类材料制备系列地脚螺栓模拟试件，模拟试件的直径与待测地脚螺栓的直径相同；

2)在模拟试件上加工地脚螺栓模拟腐蚀形貌，使地脚螺栓各模拟试件的腐蚀深度或腐蚀开口角度不同；

3)按照已制定的相控阵工艺对地脚螺栓模拟试件进行检测，测定地脚螺栓不同腐蚀深度或腐蚀开口角度反射波的db数；

4)拟合腐蚀深度或腐蚀开口角度与反射波db数的关系曲线。

1、ф20螺杆，长度为1.5米(采用5l16-0.6×10探头，发射电压为50v，相控阵仪器的脉冲宽度为150ns，相控阵探头的采样点为200，压缩系数为20，重复频率为12hz，声束半角为20°，探头扫查的速度为0.01m/s，转动的角速度为5°/s，探头旋转移动时，使得扫查覆盖大于探头面积的10％)

腐蚀深度与反射db数的关系：

拟合得到的埋入混凝土基础表面200mm处的腐蚀程度(x)与反射波的db数(y)的关系曲线为y＝52.16-2.16x+0.13x²。

开口角度与反射db数的关系：

拟合得到的埋入混凝土基础表面200mm处的腐蚀开口角度(x’)与反射波的db数(y)的关系曲线为y＝32.47+0.2x’。

将检测得到的db数带入y＝52.16-2.16x+0.13x²和/或y＝32.47+0.2x’中，即可得到该深度处的腐蚀的深度或腐蚀的创口处的截面开口角度。

2、ф50螺杆(采用5l64-0.6×10探头，发射电压为70v，相控阵仪器的脉冲宽度为300ns，相控阵探头的采样点为370，压缩系数为50，重复频率为20hz，声束半角为25°，探头扫查的速度为0.01m/s，转动的角速度为4°/s，探头旋转移动时，使得扫查覆盖大于探头面积的20％)

开口角度与反射db数的关系：

拟合得到的埋入混凝土基础表面200mm处的腐蚀开口角度(x’)与反射波的db数(y)的关系曲线为y＝35.69+0.18x’。

同理，200mm处的腐蚀程度与反射波的db数的关系曲线为y＝55.8-4.01x+0.33x²；

依此类推，可以获得不同螺栓直径、不同位置处腐蚀深度或腐蚀开口大小(x)与反射波的db数(y)的关系曲线。

1)输电铁塔ф20地脚螺栓腐蚀，螺栓的一侧沿螺栓轴向方向的螺纹被腐蚀掉并腐蚀成平面状，另一侧腐蚀处成凹沟型，经相控变检测仪器定性检测，埋入混凝土基础200mm处地脚螺栓的腐蚀深度最大，腐蚀凹沟上边界到至最大腐蚀深度处的宽度为29mm，如图10所示。经相控变检测仪器定量检测(检测时各项参数与上面ф20地脚螺栓关系曲线建立时的参数相同)，最大腐蚀深度处的反射波的db数为43.88db，经计算得腐蚀深度为6mm，腐蚀的开口角度为57°。

2)输电铁塔ф20地脚螺栓腐蚀，螺纹被腐蚀掉，腐蚀掉螺纹处宽度12mm，如图11所示。

其他直径的地脚螺栓不同深度处的腐蚀情况均可以用本发明的方法进行检测，由于不同环境中的地脚螺栓腐蚀情况不同，在此不再一一列举。

最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。