基于超聲理論的橋梁焊接殘余應(yīng)力檢測

(浙江省交通工程管理中心，浙江 杭州 310014)

鋼結(jié)構(gòu)因其顯著的優(yōu)勢已被廣泛應(yīng)用在橋梁工程建設(shè)中，如港珠澳大橋采用約16 km的鋼箱梁和6 km的組合梁[1]。在現(xiàn)代的鋼結(jié)構(gòu)橋梁中，鋼構(gòu)件的連接主要以焊接為主，但是隨著橋梁的跨度和設(shè)計荷載的增加，其鋼板的設(shè)計厚度也在不斷增加。相對于普通板件的焊接，厚鋼板的焊接過程更為復(fù)雜，殘余應(yīng)力問題變得更為突出[2]。金靖等[3]指出鋼結(jié)構(gòu)橋梁的損傷是在應(yīng)力作用下產(chǎn)生了軸向、豎向和彎曲3 個維度的應(yīng)變。因此，在焊接完成后及時對焊縫進(jìn)行應(yīng)力檢測，了解殘余應(yīng)力的大小及其對不同維度產(chǎn)生的應(yīng)變影響是鋼結(jié)構(gòu)橋梁安全設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。目前，殘余應(yīng)力的檢測方法有很多，大致可以分為破壞性測量和非破壞性測量。破壞性測量包括鉆孔法、深孔法和局部逐層銑削盲孔法等，非破壞性測量主要有X射線衍射法、中子衍射法和超聲法等。國內(nèi)外學(xué)者多采用盲孔檢測法[4]，而工程中常采用X射線應(yīng)力檢測法[5]。盲孔法對結(jié)構(gòu)有損傷，X射線應(yīng)力檢測儀器復(fù)雜、操作步驟繁瑣，導(dǎo)致檢測效率低，不適合橋梁鋼構(gòu)件在服役狀態(tài)下的戶外現(xiàn)場檢測。超聲法定位精準(zhǔn)、操作簡便、工作效率高，并且可以實現(xiàn)橋梁鋼結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的無損檢測。2012年，意大利Rossini教授對比分析各種檢測方法后認(rèn)為超聲法是殘余應(yīng)力無損檢測發(fā)展方向上最有前途的技術(shù)之一[6]。

殘余應(yīng)力的超聲檢測技術(shù)主要依靠聲彈性理論，通過國內(nèi)外學(xué)者的完善和總結(jié)，已得到超聲波波速與應(yīng)力的關(guān)系式。隨著科技的進(jìn)步，超聲檢測技術(shù)在工程應(yīng)用中愈發(fā)成熟。筆者首先闡述了殘余應(yīng)力的超聲檢測技術(shù)在應(yīng)用理論上的改進(jìn)，優(yōu)化檢測系統(tǒng)，對檢測系統(tǒng)的性能進(jìn)行指標(biāo)測試；其次通過超聲法、盲孔法和X射線法對鋼構(gòu)件進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測的對比實驗，探究該殘余應(yīng)力超聲檢測系統(tǒng)的可靠性；最后闡述超聲法在某橋梁工程中的應(yīng)用。

1 超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用理論

1953年Hughes等[7]根據(jù)有限變形理論，提出了各向同性材料中聲彈性理論的早期表達(dá)形式，構(gòu)建聲波在材料中傳播速度與應(yīng)力之間的對應(yīng)關(guān)系，從而奠定了聲彈性基礎(chǔ)。之后幾年，物理學(xué)家Benson等[8]發(fā)現(xiàn)了超聲波在有應(yīng)力材料中的雙折射現(xiàn)象，為利用超聲波的聲彈效應(yīng)測量應(yīng)力奠定了物理基礎(chǔ)。之后，人們發(fā)現(xiàn)超聲波的波形和傳播方向?qū)?yīng)力的敏感度有著很大的影響，而且溫度的變化會影響聲波傳播速度，從而對檢測結(jié)果造成一定影響。

1.1 基于聲彈性原理的不同模式超聲波速與應(yīng)力的關(guān)系

張閩[9]在利用超聲檢測技術(shù)對焊縫進(jìn)行質(zhì)量檢測的研究中，采用了模糊理論對其可靠性進(jìn)行分析，確定了超聲檢測技術(shù)在橋梁鋼結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用的可行性。但是，隨著鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計荷載的不斷增加，鋼板設(shè)計厚度也逐漸加厚，楊俊芬等[2]指出在利用超聲法檢測焊縫內(nèi)部的殘余應(yīng)力時，由于波長較長，而試件內(nèi)部殘余應(yīng)力引起的波速變化很微小，即超聲檢測對厚鋼板焊縫內(nèi)部的殘余應(yīng)力不敏感，導(dǎo)致檢測不精確。為探究影響超聲波敏感度的因素，李偉等[10]通過Matlab軟件進(jìn)行仿真，指出超聲法的二維振動優(yōu)于一維振動；孫俊博[11]進(jìn)行了超聲縱波、橫波沿著應(yīng)力方向傳播和垂直應(yīng)力方向傳播對應(yīng)力的敏感度理論推導(dǎo)，得出縱波沿著平行于應(yīng)力方向檢測最為敏感的結(jié)論。為了更全面地探究超聲波對應(yīng)力的敏感度，宋文濤[12]研究了超聲縱波、剪切波和表面波沿應(yīng)力方向傳播、垂直應(yīng)力方向傳播和偏振方向傳播的應(yīng)力敏感度，分別分析了以下7 種情況：沿應(yīng)力方向傳播的縱波波速V111與應(yīng)力σ的關(guān)系；垂直于應(yīng)力方向傳播的縱波波速V113與應(yīng)力σ的關(guān)系；傳播方向沿應(yīng)力方向、偏振方向垂直于應(yīng)力方向的剪切波波速V131與應(yīng)力σ的關(guān)系；傳播方向和偏振方向都垂直于應(yīng)力方向的剪切波波速V132與應(yīng)力σ的關(guān)系；傳播方向垂直于應(yīng)力方向、偏振方向平行于應(yīng)力方向的剪切波波速V133與應(yīng)力σ的關(guān)系；傳播方向平行于應(yīng)力的表面波波速與應(yīng)力σ的關(guān)系；傳播方向垂直于應(yīng)力的表面波波速與應(yīng)力σ的關(guān)系。然后，對不同波的波速與應(yīng)力關(guān)系式進(jìn)行波速V對應(yīng)力σ求導(dǎo)，可得

dV=Kαdσ

(1)

式中：Kα為應(yīng)力敏感系數(shù)，Kα的絕對值越大說明該模式的波對應(yīng)力越敏感，計算結(jié)果如圖1所示。

圖1 低碳鋼中不同模式波與應(yīng)力的敏感系數(shù)|Kα|的對比Fig.1 Comparison of sensitivity coefficient |Kα| of different mode waves and stresses in low carbon steel

比較分析后得出：在低碳鋼單軸拉壓狀態(tài)下，敏感度最大的是沿應(yīng)力方向傳播的縱波，其敏感度遠(yuǎn)高于其他方向。該結(jié)果為利用超聲檢測技術(shù)更加精確地檢測鋼板焊縫殘余應(yīng)力提供了基礎(chǔ)。

1.2 溫度補(bǔ)償理論

聲彈性理論指出溫度變化會影響聲波的傳播，但前期的理論研究是基于實驗的環(huán)境下，所以采用超聲檢測應(yīng)力時，溫度的影響可以忽略不計。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)露天環(huán)境下的溫度變化對鋼構(gòu)件的應(yīng)力檢測有著很大的影響。研究表明：對于普通鋼材，1 ℃的溫度變化可以引起75 MPa左右的應(yīng)力變化[13]。孫俊博[11]指出構(gòu)件所處溫度與室溫相差過大時，需考慮溫度變化對絕對應(yīng)力檢測的影響，即

(2)

張豪等[14]指出可以通過引入系數(shù)將溫度所致的應(yīng)力變化從總的應(yīng)變測量值中分離，所以在露天環(huán)境下用超聲檢測鋼結(jié)構(gòu)橋梁殘余應(yīng)力時，應(yīng)該考慮溫度的影響，并且利用溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償分析。在探究殘余應(yīng)力檢測的溫度補(bǔ)償理論中，通過采用高低溫箱來模擬環(huán)境溫度的變化，找出不同溫度對聲時的影響規(guī)律。在溫度補(bǔ)償實驗過程中，將傳感器和試樣置于高低溫箱內(nèi)，通過精確調(diào)整測試溫度，在保溫一段時間后，測量聲時差，并描繪溫度和聲時差變化量曲線結(jié)果如圖2所示。從實驗結(jié)果可知溫度補(bǔ)償系數(shù)為6.87 ns/℃。說明溫度的變換確實會影響殘余應(yīng)力的超聲檢測。

圖2 溫度補(bǔ)償實驗數(shù)據(jù)Fig.2 Experimental data of temperature compensation

2 檢測指標(biāo)分析和對比實驗

隨著超聲檢測技術(shù)應(yīng)用理論的不斷完善，在超聲檢測系統(tǒng)中，將敏感度最高的縱波和溫度補(bǔ)償應(yīng)用其中，使得檢測系統(tǒng)的敏感度得到提升，而且通過編入溫度和聲時的關(guān)系表達(dá)式，殘余應(yīng)力的超聲檢測結(jié)果更加精準(zhǔn)。基于此系統(tǒng)，通過對超聲檢測系統(tǒng)的指標(biāo)進(jìn)行分析，以及對不同的殘余應(yīng)力檢測方法進(jìn)行對比，探究殘余應(yīng)力超聲檢測系統(tǒng)在革新后的可行性和優(yōu)越性。

2.1 超聲檢測系統(tǒng)的組成

為了更好地適應(yīng)橋梁鋼結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力超聲無損檢測，在原來的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)硬件進(jìn)行了開發(fā)和調(diào)整。整個系統(tǒng)主要由應(yīng)力檢測探頭、高性能數(shù)字隔離電源、信號雙級隔離模塊、超聲信號源、主控制器、數(shù)字分析模塊、兩級溫度補(bǔ)償模塊和終端顯示模塊組成，系統(tǒng)硬件如圖3所示。

圖3 殘余應(yīng)力超聲無損檢測系統(tǒng)硬件Fig.3 Hardware of ultrasonic nondestructive testing system for residual stress

本系統(tǒng)的超聲信號數(shù)據(jù)采集模塊如圖4所示。其工作原理是：超聲激勵模塊發(fā)出高壓脈沖，使超聲換能器產(chǎn)生超聲波，接收換能器檢測到回波信號并將其傳輸?shù)交夭ń邮漳K，數(shù)據(jù)采集模塊經(jīng)過一系列的信號處理后，通過數(shù)字控制模塊和數(shù)據(jù)通信模塊將包含檢測信息的數(shù)字量傳輸給工控機(jī)，然后進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理；與此同時，各模塊的相關(guān)參數(shù)設(shè)置也由工控機(jī)通過數(shù)據(jù)通信與數(shù)字控制模塊完成[12]。

圖4 超聲信號數(shù)據(jù)采集模塊總體方案框圖Fig.4 Overall scheme block diagram of ultrasonic signal data acquisition module

2.2 殘余應(yīng)力檢測的關(guān)鍵指標(biāo)

該超聲檢測系統(tǒng)將敏感度最高的縱波和溫度補(bǔ)償理論應(yīng)用其中，基于上述檢測原理，對技術(shù)革新后的超聲檢測系統(tǒng)進(jìn)行指標(biāo)檢測試驗。

2.2.1 測量效率和精度

單點測試的用時不超過6 s。聲速時延測量精度在0.37 ns內(nèi)，應(yīng)力測量精度在±20 MPa內(nèi)，應(yīng)力測量分辨率不超過0.37KmMPa(Km為聲彈系數(shù))。

2.2.2 線性度(非線性度誤差)

線性度不超過0.3%，測試結(jié)果如圖5所示。使用材料拉壓連續(xù)加載標(biāo)定聲彈系數(shù)，雙向重復(fù)進(jìn)行2 次標(biāo)定，每次線性擬合度方差可達(dá)到0.998 8。

圖5 線性度測量結(jié)果Fig.5 Linearity measurement results

2.2.3 重復(fù)精度

單點重復(fù)測量500 次，測量值波動范圍不超過11KmMPa。圖5為Q345B材質(zhì)，當(dāng)點測試重復(fù)精度500次為0.6 MPa，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 測量重復(fù)精度測試Fig.6 Measurement repeatability test

由上述試驗結(jié)果可知：超聲檢測儀器在測量效率和精度、線性度和重復(fù)精度上的關(guān)鍵性指標(biāo)均符合要求。

與國內(nèi)外其他應(yīng)力檢測裝置(如盲孔法應(yīng)力檢測裝置、X射線應(yīng)力檢測裝置、磁測應(yīng)力檢測裝置等)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行對比，制定了針對鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力的超聲應(yīng)力檢測系統(tǒng)性能指標(biāo)，結(jié)果如表1所示[12]。

表1 超聲應(yīng)力儀檢測系統(tǒng)主要性能指標(biāo)

2.3 對比實驗

為進(jìn)一步驗證超聲法測量橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力的有效性，對Q235B和Q345D鋼板焊接試件的殘余應(yīng)力分別采用超聲法、X射線法和盲孔法進(jìn)行測量，比較3 種測量方法的精度。

2.3.1 實驗現(xiàn)場

對比試驗采用Q235B和Q345D兩種鋼材制成的試件，分別如圖7(a，b)所示。超聲法和X射線法檢測試件殘余應(yīng)力的現(xiàn)場分別如圖8，9所示。

圖7 試件圖Fig.7 Specimen drawing

圖8 超聲檢測現(xiàn)場Fig.8 Ultrasonic testing site

圖9 X射線檢測現(xiàn)場Fig.9 X-ray inspection site

2.3.2 測量過程

超聲法檢測的是宏觀殘余應(yīng)力，其檢測區(qū)域最大，而且是無損檢測。因此，首先利用超聲法檢測殘余應(yīng)力；其次在超聲法檢測殘余應(yīng)力的區(qū)域內(nèi)標(biāo)記若干部位，利用X射線法檢測其殘余應(yīng)力；最后在X射線法檢測殘余應(yīng)力的區(qū)域內(nèi)標(biāo)記若干部位，利用盲孔法檢測其殘余應(yīng)力。

1) 超聲法測量過程

鑒于Q235B鋼試件上有一條焊縫，其熱影響區(qū)

垂直于焊縫的應(yīng)力是導(dǎo)致焊縫開裂的主要應(yīng)力。因此，在焊縫兩側(cè)垂直于焊縫方向分別標(biāo)記3 個檢測部位，并進(jìn)行編號，檢測時以某個部位為基準(zhǔn)進(jìn)行零應(yīng)力標(biāo)定，然后檢測其他部位。如圖7(a)中長方形外框即為殘余應(yīng)力的超聲檢測區(qū)域。Q345D鋼試件為7 個表面噴丸處理過的試件和1 個表面未噴丸處理過的試件。在每個試件上標(biāo)記一個檢測部位，同樣進(jìn)行編號，并在未噴丸處理過的試件上進(jìn)行零應(yīng)力標(biāo)定，然后檢測其他試件。如圖7(b)中長方形外框即為殘余應(yīng)力的超聲檢測區(qū)域。每個長方形外框內(nèi)的實際殘余應(yīng)力超聲檢測區(qū)域為4 mm×30 mm。

2) X射線法檢測殘余應(yīng)力的過程

在超聲檢測區(qū)域內(nèi)均勻地標(biāo)記5 個2 mm×2 mm 的正方形框作為X射線法檢測殘余應(yīng)力的區(qū)域，然后對每個區(qū)域進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖7(a，b)所示。

3) 小孔法檢測殘余應(yīng)力的過程

由于小孔法檢測殘余應(yīng)力時要求檢測部位間隔較遠(yuǎn)，因此只能在X射線法檢測的5 個部位中選擇2 個部位進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖10所示，檢測區(qū)域示意圖如圖11所示。

圖10 盲孔法檢測實物圖Fig.10 Blind detection of physical images

圖11 檢測區(qū)域示意圖Fig.11 Detection area diagram

2.3.3 數(shù)據(jù)處理與實驗結(jié)果

根據(jù)上述方案完成檢測后，作如下數(shù)據(jù)處理：

1) 在超聲法檢測的區(qū)域內(nèi)，通過X射線法檢測了5 個部位，通過小孔法檢測了2 個部位，分別求得X射線法與小孔法檢測的平均值作為該方法檢測結(jié)果。

2) Q235B試件沒有超聲法檢測需要的零應(yīng)力試塊，只能得到相對應(yīng)力，因此需要將X射線法、小孔法檢測結(jié)果減去超聲法檢測時進(jìn)行零應(yīng)力標(biāo)定部位的檢測結(jié)果，得到其余部位X射線法、小孔法檢測的相對應(yīng)力值。

3) Q345D鋼有零應(yīng)力試塊，因此可直接對3 種方法檢測結(jié)果進(jìn)行比較。

3 種方法的檢測結(jié)果分別如圖12(a，b)所示。

圖12 應(yīng)力比較圖Fig.12 Stress comparison diagram

由圖12可知：針對Q235B和Q345D試件，3 種檢測方法測量的殘余應(yīng)力變化趨勢大致相同。相較于盲孔法，超聲法的檢測結(jié)果更加接近X射線法的檢測結(jié)果。雖然X射線法的理論和應(yīng)用都比較完善，各國都有相應(yīng)的檢測標(biāo)準(zhǔn)，檢測精度和結(jié)果相對可靠[5]，但是其檢測成本高昂、檢測要求高，并不能在實際工程中被簡單地操作使用。與X射線法相比，超聲法的檢測結(jié)果雖然有一些差距，但是上述指標(biāo)檢測證實其檢測精度符合指標(biāo)要求，并且超聲法的操作更加便捷、成本低，滿足現(xiàn)代大多橋梁工程的普遍需求，有很大的發(fā)展空間。

3 工程應(yīng)用

為了檢測改進(jìn)后的殘余應(yīng)力超聲檢測系統(tǒng)，某工程項目組開展了對寧波某大橋及接線工程典型焊接殘余應(yīng)力的檢測應(yīng)用研究。該大橋主橋為單跨過江矮塔斜拉橋，跨徑布置(64+86) m+400 m+(86+64) m，主橋全寬29 m，主梁采用混合梁形式，部分邊跨和中跨468 m范圍區(qū)段內(nèi)主梁采用鋼箱梁，其他區(qū)段采用組合梁。主塔采用鋼結(jié)構(gòu)V型塔，斜拉索共36 對。該大橋V型塔柱的北塔橫梁采用環(huán)口焊縫(增補(bǔ)的焊縫)，橫梁鋼材質(zhì)為Q370，項目組在該大橋V型塔橫梁焊接完成后，對鋼箱梁9號節(jié)段吊裝完成和12號節(jié)段吊裝完成兩個不同工況下V型塔北塔橫梁西側(cè)腹板對接焊縫44 個點位進(jìn)行服役應(yīng)力的超聲無損檢測。下面選取2 個北塔橫梁西側(cè)腹板對接縫點位的檢測結(jié)果進(jìn)行說明。

如圖13所示，在安裝9號梁段后北塔橫梁西側(cè)腹板對接縫殘余應(yīng)力較小，在100 MPa以內(nèi)，但在安裝完12號梁段后1～7，11號測點的應(yīng)力大幅上漲，其中1號測點上漲了164.28 MPa，上漲了13.6倍。

圖13 中興大橋V型塔北塔橫梁西側(cè)腹板對接縫應(yīng)力折線圖Fig.13 The stress broken line diagram of the west side web of the crossbeam of V-type tower north tower of bridge

如圖14所示，在安裝9號梁段后北塔橫梁西側(cè)腹板對接縫殘余應(yīng)力除3號和9號測點應(yīng)力較高外，其余測點的應(yīng)力均較小，小于120 MPa；在安裝完12號梁段后除4號、10號和11號測點外，其余測點的應(yīng)力上漲幅值較小，小于50 MPa，11號節(jié)點漲幅最大，達(dá)到145 MPa。

圖14 大橋V型塔北塔橫梁西側(cè)腹板對接縫應(yīng)力折線圖Fig.14 The stress broken line diagram of the west side web of the crossbeam of V-type tower north tower of bridge

由該工程實例可知：大橋V型塔橫梁腹板對接第1次應(yīng)力測量(鋼箱梁9號節(jié)段吊裝完成后)與第2次應(yīng)力測量(鋼箱梁12號節(jié)段吊裝完成后)的應(yīng)力趨勢圖基本一致，且第2次測量值較第1次測量值均增大，說明隨著鋼箱梁節(jié)段的增加，V型主塔橫梁所受服役應(yīng)力也隨之增加，符合理論受力情況。由此可以看出，殘余應(yīng)力超聲檢測系統(tǒng)在實際工程中的檢測結(jié)果符合理論結(jié)果。

4 結(jié) 論

筆者建立的超聲檢測系統(tǒng)利用縱波殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測，并且考慮溫度補(bǔ)償，在關(guān)鍵指標(biāo)分析和對比實驗的分析中得出，超聲檢測技術(shù)在超聲檢測系統(tǒng)中的檢測精度達(dá)到指標(biāo)要求，同時也準(zhǔn)確反映了殘余應(yīng)力的變化趨勢。對某大橋?qū)雍缚p的44 個點位進(jìn)行不同工況下的焊縫應(yīng)力檢測，得出的檢測結(jié)果符合理論計算的結(jié)果。綜上所述，隨著超聲檢測技術(shù)理論的不斷完善，超聲檢測法在實際工程檢測中越發(fā)精準(zhǔn)，并且超聲法的操作便捷、成本低，滿足現(xiàn)代大多鋼結(jié)構(gòu)橋梁工程的大范圍焊接質(zhì)量檢測的需求。