超聲技術(shù)在鋼橋檢測(cè)中的應(yīng)用

王 強(qiáng) 李乾龍

(山東省建筑科學(xué)研究院，山東濟(jì)南 250001)

0 引言

通過超聲技術(shù)檢測(cè)鋼橋主要是指利用超聲波對(duì)鋼橋的構(gòu)件進(jìn)行作用，并通過反射或散射、衍射的波進(jìn)行分析，對(duì)于鋼橋的構(gòu)件缺陷(如裂縫)，力學(xué)特性變化和幾何特性變化等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，在鋼橋的檢測(cè)中應(yīng)用十分廣泛。

我國(guó)的超聲檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)有50多年的發(fā)展歷史。在這段時(shí)間，超聲檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)工程，交通工程等各個(gè)工程領(lǐng)域。它主要包括三個(gè)方向，即超聲波無損探傷(NDI)、超聲波無損檢測(cè)(NDT)以及超聲無損評(píng)價(jià)(NDE)。由于它具有適用面廣，穿透能力強(qiáng)，靈敏度較高等特點(diǎn)，在鋼橋檢測(cè)中主要運(yùn)用于鋼橋焊縫檢測(cè)，已使用鋼橋的缺陷檢測(cè)(如隱藏裂紋探測(cè))等方面。文章通過超聲探傷技術(shù)在鋼橋焊縫檢測(cè)中的控制要點(diǎn)、超聲探傷對(duì)于鋼橋的缺陷檢測(cè)以及超聲衍射技術(shù)在鋼橋檢測(cè)中的發(fā)展幾方面來闡述超聲技術(shù)在鋼橋檢測(cè)中的應(yīng)用。

1 超聲探傷在鋼橋檢測(cè)中的應(yīng)用

現(xiàn)階段超聲檢測(cè)技術(shù)在我國(guó)公路鋼橋的主要運(yùn)用就是基于超聲技術(shù)的構(gòu)件探傷，相對(duì)于常規(guī)觀測(cè)手段，無損檢測(cè)方法更有利于提高評(píng)估的準(zhǔn)確性，進(jìn)而提升計(jì)算剩余壽命的精準(zhǔn)度。

1．1 超聲探傷技術(shù)的基本原理

超聲波探傷檢測(cè)既是把高頻聲波(一般在1 MHz～5 MHz)從探頭射入被探構(gòu)件，如果構(gòu)件內(nèi)部存在缺陷，那么一部分的入射超聲波就會(huì)在缺陷處被反射，利用探頭來接收信號(hào)，這樣就可以不必?fù)p傷被探構(gòu)件而測(cè)出缺陷的部位以及尺寸。超聲波探傷可以根據(jù)被探測(cè)構(gòu)件的情況，通過橫波、縱波以及表面波來進(jìn)行探傷，在鋼橋檢測(cè)中一般采用橫波探傷的辦法。

橫波探測(cè)一般又稱為斜角探測(cè)。它是主要利用透聲斜楔塊使得縱波斜入射至指定界面，從而在構(gòu)件中就會(huì)產(chǎn)生折射橫波。為了在構(gòu)件中獲得單一的橫波波形，一般要求所射入縱波的入射角需要在第一臨界角以及第二臨界角之間。當(dāng)鋼橋構(gòu)件沒有缺陷時(shí)，超聲波只能接收到構(gòu)件上下表面反射回來的始波和底波，當(dāng)鋼橋構(gòu)件出現(xiàn)缺陷時(shí)，在始底波之間就會(huì)顯示出缺陷波的存在，通過觀察缺陷波在屏幕中顯示的位置就能明確缺陷在構(gòu)件中的位置。

1．2 超聲探傷技術(shù)的基本方法

根據(jù)《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級(jí)》以及《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)程》，對(duì)鋼橋構(gòu)件實(shí)際缺陷的評(píng)定，會(huì)根據(jù)構(gòu)件缺陷的形狀以及缺陷性質(zhì)的不同，分為缺陷回波高度法、缺陷延伸度定量評(píng)定法、當(dāng)量法以及底波回波高度法等。

我們?cè)诶贸曁絺夹g(shù)對(duì)鋼橋進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，會(huì)應(yīng)用到工程力學(xué)來進(jìn)行全橋重要桿件超聲波探傷的指導(dǎo)。在分析過程中，首先需要建立準(zhǔn)確的橋梁結(jié)構(gòu)分析模型，然后進(jìn)行失效安全分析來確定重點(diǎn)構(gòu)件，對(duì)于不具備足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的構(gòu)件應(yīng)該需要進(jìn)行斷裂安全分析，而超聲探測(cè)技術(shù)就是針對(duì)這些構(gòu)件進(jìn)行的。例如在某鋼桁架橋中，經(jīng)過建立模型進(jìn)行分析后確認(rèn)吊桿、下弦桿以及斜腹桿等均為不具備足夠結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的構(gòu)件，而這些桿件與節(jié)點(diǎn)板的結(jié)合部位首排鉚釘?shù)乃跀嗝媸芰ψ畲?，此處就容易形成與桿件軸線相垂直的向鉚釘孔的兩側(cè)擴(kuò)展的疲勞裂縫。使用超聲技術(shù)對(duì)鉚釘周邊桿件鋼板的檢測(cè)，就能確定鋼板在鉚釘孔的周圍是否會(huì)產(chǎn)生裂紋。

1．3 基于超聲技術(shù)的鋼橋焊縫檢測(cè)要點(diǎn)

利用超聲檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行鋼橋檢測(cè)，最多是應(yīng)用于鋼橋焊縫檢測(cè)。由于超聲檢測(cè)技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)靈敏度較高、快速便捷等優(yōu)點(diǎn)，我國(guó)對(duì)鋼橋焊縫的內(nèi)部缺陷探傷很多都采用超聲檢測(cè)手段，對(duì)于鋼橋焊縫檢測(cè)中的基本要點(diǎn)如下:

1)根據(jù)規(guī)范GB/T 11345-89鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級(jí)的規(guī)定，探傷儀需要使用A型顯示脈沖反射式探傷儀，工作頻率范圍的值為1 MHz～5 MHz，而且探傷儀需要配備衰減器或者是增益控制器，要求的精度是在任意相鄰的12 dB內(nèi)誤差在1 dB。根據(jù)規(guī)范的規(guī)定，有關(guān)于探頭的要求主要如下:探頭的主聲束垂直方向的偏離，不應(yīng)該存在明顯的雙峰;芯片的有效面積應(yīng)該小于500 mm2，且任一邊長(zhǎng)的大小應(yīng)在25 mm以內(nèi);而且聲束軸線的水平偏離角應(yīng)該不大于2°。

2)在進(jìn)行超聲波檢測(cè)的時(shí)候，若焊縫有?；鹨螅欢ㄒ鹊叫；鹜瓿梢院笤龠M(jìn)行超聲波的檢測(cè)。而且原則上是需要用一次波通過。如果有特定的要求(如受拉應(yīng)力焊縫1/4上檢測(cè)面時(shí)可以用二次波進(jìn)行檢測(cè))，可以使用多次波進(jìn)行檢測(cè)，但是在檢測(cè)時(shí)橫波縱波同時(shí)使用需要考慮。

3)在超聲波對(duì)鋼橋焊縫的檢測(cè)中，以下幾個(gè)部位的檢測(cè)是需要重點(diǎn)注意的:對(duì)于100%要求超聲波檢測(cè)以及全熔透的部位是需要用超聲波檢測(cè)的。承受拉應(yīng)力或者反向應(yīng)力的每一個(gè)接頭處是需要超聲檢測(cè)的。由于端頭部位是起弧的起點(diǎn)和收弧收尾處，比較容易產(chǎn)生缺陷，所以端頭部位也是需要重點(diǎn)檢測(cè)的位置。除此以外對(duì)于重復(fù)加熱部位和需要返修的部位也應(yīng)該進(jìn)行超聲波的檢測(cè)。

2 超聲衍射技術(shù)在鋼橋檢測(cè)中的應(yīng)用

超聲衍射技術(shù)是近幾年在我國(guó)發(fā)展起來的一種鋼橋檢測(cè)技術(shù)，并且在一定程度上被應(yīng)用于鋼橋檢測(cè)中。這項(xiàng)技術(shù)是將國(guó)外較為先進(jìn)的衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)技術(shù)以及超聲相控陣技術(shù)引進(jìn)到鋼橋焊縫的檢測(cè)中來。

在鋼橋檢測(cè)中，超聲衍射時(shí)差法就是利用一對(duì)尺寸、頻率以及角度都相同的橫波斜探頭進(jìn)行對(duì)稱相向放置，作為收放裝置，其中一探頭向試件內(nèi)部發(fā)射一個(gè)較短的超聲脈沖波。超聲波經(jīng)過橋梁構(gòu)件的上表面、缺陷上下尖端以及鋼橋構(gòu)件的下表面這一歷程到達(dá)另一接收探頭。如果鋼橋構(gòu)件內(nèi)部沒有缺陷時(shí)，超聲波只能接收到構(gòu)件上下表面反射回來的直通波和底波，當(dāng)缺陷存在并且具有足夠高度時(shí)，兩尖端所產(chǎn)生的缺陷波會(huì)先后到達(dá)接收探頭，且位于直通波與底波之間。這樣，就可以通過先后到達(dá)接收探頭的四束超聲波的時(shí)差來計(jì)算裂紋的上下端部距離檢測(cè)面的距離，從而計(jì)算出裂紋本身的長(zhǎng)度。超聲衍射技術(shù)相較于常規(guī)的超聲檢測(cè)技術(shù)具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì):

1)常規(guī)的超聲檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)過程無法實(shí)現(xiàn)全程的記錄，利用波幅對(duì)缺陷長(zhǎng)度以及高度來進(jìn)行測(cè)量，出現(xiàn)的誤差會(huì)比較大。一般的常規(guī)檢測(cè)缺陷長(zhǎng)度與高度比實(shí)際會(huì)偏小。但是利用相控陣技術(shù)就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的全記錄并且可以精準(zhǔn)地定位出缺陷位置的高度以及長(zhǎng)度。而且可以通過視圖對(duì)缺陷做出進(jìn)一步的判定。

2)在對(duì)角接焊縫、T接焊縫、對(duì)接焊縫、Y接焊縫以及異型相貫焊縫的不同類別缺陷的檢測(cè)，超聲相控技術(shù)具有較好的效果。相對(duì)于常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)，一些受幾何條件的約束而無法檢測(cè)的焊縫也可以達(dá)到檢測(cè)效果，而且在檢測(cè)過程中具有安全無輻射的優(yōu)勢(shì)。

3)超聲衍射技術(shù)在對(duì)于鋼橋焊縫的檢測(cè)中，還具有無輻射、操作技術(shù)簡(jiǎn)單、易于攜帶、定位定性十分準(zhǔn)確，對(duì)焊縫的檢測(cè)效率有很大的提高。

4)除了上述技術(shù)優(yōu)勢(shì)以外，相對(duì)于常規(guī)的超聲檢測(cè)技術(shù)，采用超聲衍射技術(shù)以及超聲相控陣技術(shù)在檢測(cè)過程中方便直接，而且檢測(cè)之前不需要進(jìn)行清場(chǎng)，這樣就減少了大量的檢測(cè)費(fèi)用以及人工費(fèi)用，而且還能縮短檢測(cè)周期，對(duì)于整個(gè)工程具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)語

超聲檢測(cè)技術(shù)作為一種先進(jìn)的無損檢測(cè)技術(shù)，在鋼橋檢測(cè)中具有十分廣泛的應(yīng)用。尤其是在各種焊縫的檢測(cè)，以及對(duì)于已建鋼橋的各種缺陷的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于裂紋的快速準(zhǔn)確的探測(cè)，隨著超聲技術(shù)的不斷發(fā)展，如超聲衍射技術(shù)這類結(jié)合傳統(tǒng)超聲技術(shù)的新型改進(jìn)技術(shù)也會(huì)發(fā)展，并逐漸應(yīng)用于鋼橋檢測(cè)中來。

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