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核电站中使用的混凝土成像探地雷达
发布:kittyll   时间:2015/5/5 14:50:05   阅读:807 
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作者:Peter Giamou
 
背景介绍
 
通过对混凝土结构的定期调查研究,我发现了许多具有挑战性的能够延伸混凝土成像技术能力的项目。在本文中,我将重点分析核电站中探地雷达(GPR)成像系统的使用。
 
我在芝加哥市南伊利诺伊州的克林顿发电站完成了GPR混凝土成像调查研究。该研究的目的是在一个1.8×3米(6×10英尺)的区域中安装一个新的移动起重机之前,对于所有嵌入的钢筋及导管深度,映射它们的空间位置。故针对移动起重机,使用一种能够智能安置螺栓的调研工具是非常重要的,同时数据的采集和对结果的解释也必须当场给出。
 
现场工程师需要一种适用于此项目的非破坏性方法,因为建筑物的结构完整性不能受到任何形式的破坏。考虑到核电站不间断的运作模式以及其自身具有的开放式理念,因此出于健康和安全的原因,我们首先排除了使用X射线。不使用X射线还有一些其他顾虑如数据采集的速度、简易性等因素;因为对于该指定的工作区域大小以及混凝土地板的厚度,使用常规的X射线照射时间将会非常长。因此我们选择了GPR成像法,该方法能够提供大面积的快速扫描,并立即给出现场结果。
 
我们使用高频雷达扫描仪来给出350毫米(14英寸)厚的悬浮混凝土厚板的图像。该项目是很复杂的,因为该混凝土板厚度要大于平均厚度,该厚度是由现场的双横梁所导致的;再有该操作必须在一个极其嘈杂且高度安全的区域中进行。该扫描仪给出的品质优良的高分辨率数据使我们能够确定嵌入的结构元素。维护工程师们能够根据这些结果,在不破坏结构完整性的前提下,有效地规划起重机的安置定位点。
 
探地雷达成像系统
 
我们使用现成的、高频率(1 GHz)商业混凝土探地雷达扫描系统进行测量。该成像系统见图1,其中包括一个天线传感器、手柄、里程轮、电池和数字视频记录器。该视频记录器包含了一块用于数据存储的硬盘和采集数据期间用于浏览的显示屏;该部件独立置于一个便携式的、轮式装载盒中,高度约为现场陈列架的两倍。
 
探地雷达使用的是回声探测原理,该雷达系统产生一个无线电波能量的短时间脉冲,这一脉冲会传输到混凝土中。材料组成的变化(其可能会改变电特性)引起一定的能量反射。雷达检测到反射信号并在接收天线中将其放大,然后存储于数据记录器中。因此可以检测到混凝土中所嵌入的对象(钢筋、后张钢丝索、金属/非金属管道和导管)和其它特征(空隙、蜂窝、脱层、裂纹),因为相较于热混凝土,这些对象具有明显不同的电气性质。
 
 

图1 操作中的混凝土成像系统
 
在最近几年中,探地雷达成像系统已得到广泛使用。在网格区域中精确获取的数据将会进行处理,以产生地下的深度切面图。所产生的图像类似于X射线产生的图像,但是其分辨率略低于X射线图像。
 
调研程序
 
工作地点是在一个五层的、现浇的、毗邻核反应堆的钢筋混凝土结构中。这里安置了用于发电厂运作的发电机,辅助设备和耗材。我们重点关注的区域在第五层(顶部),俯瞰整栋建筑中央部分的中层楼边缘附近。地板是由350毫米(14英寸)厚的悬浮混凝土板组成,4#和5#钢筋以双指向性模式安置于300毫米(12英寸)厚的中心的上部和下部垫块中。地板覆以聚氨酯涂层。工作区是空旷的,非常光滑且平整,光线充足,整洁,但由于各种运作的机器的原因,环境略显嘈杂。
 
我们特意将关注的重点区域放在交叉梁楼面结构上,这样大部分的工作就可以直接转化为对钢筋梁的研究。我们总共采集了六个扫描网格的数据,每一个网格为1.2 ×1.2 米(4 ×4英尺),总覆盖区域为2.4 ×3.6米(8 × 12英尺;图2)。最初设备的安装和校准,以及网格布局的设定,大约花了2小时。


图2 测量格网的规划图
 
该数据是在双向模式、100毫米(4英寸)行间距的间隔下,一个方向沿着总共39行钢筋梁、另一个方向沿着总共26行钢筋梁扫描获得的。为了在钢板内提供一个更精确的雷达波速预测,我们在钢板的多个位置对多个波速进行校准,而这是正确处理及获取深度范围数据的必要步骤。在该建筑该位置混凝土中的雷达波速为115 mm/ns(4.5 in./ns),而这也是公认的对于大多数混凝土类型来说最为适宜的速度。对所有六个网格数据的获取大约花了1个小时。
 
数据的处理与解释
 
我们对六个网格的数据进行了处理,从而产生全面的截面图像,每一个图像都在现场进行了单独的解释。基于GPR屏幕显示的测量读数,我们在地板上每一个网格的四个边都绘制了小刻度线。刻度线是用铅笔绘制的,因为现场工程师要求不能留下永久性标记。现场联系人得到指示,要保障工作区域不能接触任何水、不能进行清洗,所以为了保护所做的标记直到完成解释工作,我们使用胶带连接这些记号,从而来创建一个最终的嵌入式混凝土面板特征的解释性平面图。这个过程花了大约3小时完成。
 
为了确认解释结果,我们对所有单个的雷达侧面图进行了逐行审查。这在任何混凝土扫描项目中,都应该是一个标准的质量保证程序。在有些情况下,一个经验丰富的技术员可以通过肉眼就挑出一个不同寻常的特点,而这个特点在所执行的规划图中的深度截面中是很难发现的。审核雷达侧面图与深度截面的解释有些不同。它需要对GRP系统工作的原理,电磁信号在介质中的传播方式,以及各种特征中反射的鲜明特点有一个更深入的理解。尽管如此,任何技术人员都可以学会这些诀窍,从而使一个单人小组在大多数现场完成雷达扫描的调研。
 

图3 样品截面的探地雷达成像典型显示结果
 
在现场,我们可以在GRP剖面图中看到板底映象和边梁。操作员可以看到所获取的每一个雷达截面,从而提供更好的质量控制。图3所示为网格3中样品的雷达截面图(网格3见图2的规划图上)。该部分给出了两个上部钢筋垫、一个底板钢筋垫(仅右侧)、板底(仅右侧)、边梁,以及从箍筋平行至剖面基线方位的信号响应。
 
横梁的存在使得解释更有挑战性,因为装载于横梁的钢筋数量要显著大于其它位置的数量。较之于在横梁位置的第一层钢筋,更厚的混凝土,更密集的加筋间距,以及额外的钢筋垫的有线信号都需要更深地穿透。六个网格所处理的雷达数据综合示于图4a中,针对的板下截面厚度为75~100毫米(3~4英尺)。网格间的数据匹配显示了准确的网格配准和详细的数据采集。综合所有六个网格的合成图像就能够很容易地对交叉横梁的位置做出解释。额外的钢筋(推断为箍筋笼)在图像中突出显示。图4b中给出了一张典型的箍筋笼照片,以供参考。
 
右上网格更详细的视图见图5。图5a中的GPR图像显示了图像左半边的横梁。箍筋的数量可以由此计算,其参差不齐的位置也可以得到测量。更深的部分(图5b)显示了携带电流的钢板的对角特征(通过电力线信号检测装置测得),同时将其解释为一根电子电缆管道。
 
图4 雷达和可见光图像: (a)由六个网格代表的75~100mm(3~4英尺)之间,梁用预制钢筋骨架贯穿整个区域中心的深度截面组成的复合俯视图。
(b)用于混凝土横梁结构的预制箍筋笼的例子
 


图5 网格6:(a)展示在75~100毫米(3~4英尺)所述横梁结构的细节。  
(b)详细视图显示300和325毫米(12和13英寸)深度之间的弱对角走向特征,之后确定为一个嵌入式电导管。
 
总结和结论
 
GPR以最小的侵入性和破坏性成功运用于该核电厂的操作项目中。整个作业在一天内完成,当场获得结果。针对指定的需要扫描的区域和混凝土厚度的情况,在核电站严格要求的工作条件下,本文提出的探地雷达系统证明是当前最合适的技术。
 
当前的历史经验证明了探地雷达是一种对混凝土结构快速无创性检测的工具。整个项目当场完成,满足了项目工程师的需求。在这个场地使用GPR的一些主要优势是:
 
●它没有表现出任何的安全隐患,无需清除工作区的人员;
●快速测量的能力,立竿见影的效果;
●易于适应各种场地条件;
●只需从地板的一侧进入即可;
●给出结构深度的精确估计;
●提供易于客户理解的结果;
●数字结果记录以便将来查阅;
●不会对结构造成任何破坏或损坏。
 
GPR常用于许多工程建设项目中(地面,墙壁,悬挂和地面板结构,桥面,柱形物,等等)。随着行业经验的增长以及对工程建筑的深入认识,GPR已经成为构建检测项目中的重要组成部分。
 
自本文第一次发表以来,数据处理速度的进步以及3D数据文件生成,都使得最近的GPR技术得到了进一步发展。硬件上的发展,包括设备尺寸的减小,重量的减轻,使得我们能够在更困难的环境下(墙,拱腹)更容易地进行检测,包括针对高精度定位的远程操作和自动触发操作。
 
原文出处:《The NDT Technician》第14卷第2期



来源:材料与测试
译者:兔子小光

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