超聲TOFD法在橋梁焊縫檢測中的應(yīng)用

吳海麗

（河北省唐山市灤南交通運(yùn)輸局，河北 灤南 063500）

0 引言

焊縫質(zhì)量是鋼結(jié)構(gòu)橋梁使用性能及壽命長短的關(guān)鍵，超聲TOFD探傷即超聲波衍射時差法是在常規(guī)超聲波探傷技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型無損檢測技術(shù)。最早由20世紀(jì)70年代英國Harwell實驗室提出后便在石油化工及石油天然氣管道、儲罐焊縫檢測領(lǐng)域得到推廣，隨后又在鍋爐壓力容器、電力工業(yè)、核工業(yè)等行業(yè)得到進(jìn)一步應(yīng)用。目前在我國，該技術(shù)也開始得到推廣應(yīng)用，但檢測技術(shù)、結(jié)果精確性等方面仍需提高。

1 超聲TOFD法檢測原理

超聲TOFD法主要通過2個相向設(shè)置的接收探頭，通過發(fā)射并接收經(jīng)過缺陷端部的散射波與衍射波以檢測和評定缺陷。該方法對缺陷尺寸、位置等的測定并不依據(jù)脈沖回波波幅，而是依據(jù)脈沖傳播時間。根據(jù)Huygens-Fresnel原理[1]，當(dāng)超聲波傳遞至缺陷端部時會成為新的聲源，并向四面八方發(fā)射衍射波，通過接收探頭進(jìn)行這種衍射波的檢測，并根據(jù)其衍射波實際傳播時間，通過三角方程式進(jìn)行缺陷實際位置、尺寸大小等的確定。超聲TOFD法檢測過程見圖1，在全部衍射波中，缺陷端部所對應(yīng)的衍射波較弱，必須通過具有較大聲束角度的縱波斜探頭進(jìn)行探測和接收。

圖1 超聲TOFD法檢測過程

圖1中超聲TOFD法能檢測出A、B、C、D四種信號波，其中A波主要為沿構(gòu)件表面?zhèn)鞑サ膫?cè)向波；B波為沿構(gòu)件缺陷上端傳播的散射波；C波為沿構(gòu)件缺陷下端傳播的衍射波；D波為經(jīng)構(gòu)件底面反射的反射波。波束在傳播至構(gòu)件缺陷上端點及底面時遭遇異質(zhì)界面，必將發(fā)生相位轉(zhuǎn)變；而波束在傳播至構(gòu)件缺陷下端點時在缺陷底部發(fā)生了環(huán)繞，相位不變[2]。

鋼構(gòu)件檢測過程中，若構(gòu)件結(jié)構(gòu)內(nèi)無缺陷，則探傷儀將只檢測到A波和D波，若構(gòu)件內(nèi)有缺陷，則探傷儀會檢測到上述A、B、C、D四種信號波。根據(jù)所得到的構(gòu)件內(nèi)部缺陷上下端部散射波和下端部衍射波的傳播時間，便能推算出缺陷尺寸、位置。

2 工程概況

某跨徑40m+200m+40m的中承式提籃系桿拱橋承載力和跨度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、造型優(yōu)美，其鋼結(jié)構(gòu)主要包括主拱肋鋼管拱、系桿、H撐、橫縱梁。該拱橋結(jié)構(gòu)在建設(shè)過程中鋼箱梁、主拱等構(gòu)件均通過焊接工藝安裝，為保證橋梁施工過程及運(yùn)營的安全性，必須進(jìn)行其鋼結(jié)構(gòu)焊縫質(zhì)量的無損檢測。

3 橋梁焊縫檢測

3.1 檢測準(zhǔn)備

在橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊縫檢測時應(yīng)參考借鑒相關(guān)行業(yè)檢測標(biāo)準(zhǔn)，制定合理完善的檢測方案，并嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)檢測技術(shù)規(guī)程。射線檢測雖然被認(rèn)為是一種可靠便捷的Ⅰ級焊縫探傷無損檢測技術(shù)，但超聲探傷檢測效率明顯優(yōu)于射線檢測，且儀器靈敏度更高，在鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊縫檢測及質(zhì)量評價方面更為適用。

3.1.1 儀器及耦合劑選用

該鋼結(jié)構(gòu)拱橋焊縫檢測主要采用MUT-350型全數(shù)字式超聲波真彩顯示探傷儀，該儀器能精準(zhǔn)快速檢測出鋼結(jié)構(gòu)焊縫內(nèi)部裂紋、氣孔、夾渣、未熔合等多種缺陷。該型號探傷儀在實驗室研究及工程現(xiàn)場施工質(zhì)量檢測等方面均有廣泛應(yīng)用。探傷儀主要性能參數(shù)取值情況詳見表1。在每次探傷檢測開始前必須借助標(biāo)準(zhǔn)試塊校驗時基線掃描比例及其距離波幅曲線[3]，并在探傷檢測過程中按照4h的間隔重復(fù)校驗。

表1 MUT-350型全數(shù)字式超聲波探傷儀性能參數(shù)

耦合劑選擇是否得當(dāng)直接關(guān)系到反射缺陷的產(chǎn)生，為保證探傷檢測結(jié)果的精確度，必須選擇透聲性良好、流動性適當(dāng)?shù)囊后w狀耦合劑，使用過程中對鋼構(gòu)件焊縫結(jié)構(gòu)、探傷儀等并無損傷影響，且測后便于清理。

3.1.2 探傷面清理

在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊縫質(zhì)量探傷檢測前必須全面清理焊件表面的油污、氧化皮、飛濺物、銹蝕，并按照探頭值×焊件板厚×2+50mm的尺寸修正焊縫兩側(cè)探傷面，也就是說，當(dāng)焊件母材實際厚度為10mm時，則探傷檢測時必須在焊縫兩側(cè)分別打磨出寬100mm的探傷面。

3.2 檢測內(nèi)容

本鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊縫質(zhì)量檢測主要依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范》（GB50205—2001），其中規(guī)定：焊縫探傷Ⅰ級但評定等級Ⅱ級的缺陷應(yīng)進(jìn)行100%超聲波探傷；施工圖要求的質(zhì)量等級Ⅱ級但評定結(jié)果Ⅲ級的缺陷，必須按20%抽查探傷；Ⅲ級焊縫可不探傷。根據(jù)該鋼結(jié)構(gòu)提籃系桿拱橋設(shè)計要求，鋼管拱肋對接環(huán)縫、鋼管和腹桿角接環(huán)縫、腹桿對接環(huán)縫、鋼管和綴板角接環(huán)縫、橫縱梁對接焊縫和角接焊縫等質(zhì)量等級均為Ⅰ級，且均采用超聲波探傷技術(shù)，檢測比例100%。

3.3 檢測結(jié)果

任何構(gòu)件焊縫質(zhì)量無損檢測完成后必須做好記錄，為焊接質(zhì)量整體評價及缺陷對構(gòu)件性能潛在危害程度的評估提供依據(jù)。該鋼結(jié)構(gòu)拱橋第一部分焊件超聲探傷結(jié)果顯示，所檢測的30條焊縫中，僅編號A-G1-8-1、A-G2-4-1、AG3-1-1及A-G3-4-1焊縫焊接質(zhì)量不合格，A-G1-8-1焊縫折射角63.4°、缺陷至探頭的水平距離16.7mm、缺陷深度36.7mm、缺陷至探頭的直線距離70mm，為Ⅳ級焊縫；AG2-4-1焊縫折射角63.4°、缺陷至探頭的水平距離15.8mm、缺陷深度34.9mm、缺陷至探頭的直線距離60mm，為Ⅳ級焊縫；A-G3-1-1焊縫折射角63.4°、缺陷至探頭的水平距離16.6mm、缺陷深度36.8mm、缺陷至探頭的直線距離80mm，為Ⅳ級焊縫；A-G3-4-1焊縫折射角63.4°、缺陷至探頭的水平距離17.5mm、缺陷深度38.6mm、缺陷至探頭的直線距離50mm，為Ⅳ級焊縫。

鋼結(jié)構(gòu)拱橋第二部分焊件超聲探傷結(jié)果顯示，所檢測的30條焊縫中，僅編號A-G4-11-1、A-G5-2-1、A-G5-3-1焊縫焊接質(zhì)量不合格，其中A-G4-11-1焊縫折射角63.4°、缺陷至探頭的水平距離13.8mm、缺陷深度30.2mm、缺陷至探頭的直線距離150mm，為Ⅳ級焊縫；A-G5-2-1焊縫折射角63.4°、缺陷至探頭的水平距離16.5mm、缺陷深度34.4mm、缺陷至探頭的直線距離110mm，為Ⅳ級焊縫；A-G5-3-1焊縫折射角63.4°、缺陷至探頭的水平距離21.0mm、缺陷深度17.5mm、缺陷至探頭的直線距離60mm，Ⅳ級焊縫。

鋼結(jié)構(gòu)拱橋第三部分焊件超聲探傷所檢測的30條焊縫中，僅A-G6-3-1、A-G7-6-1焊縫質(zhì)量不合格。兩條焊縫折射角均為63.4°、缺陷至探頭的水平距離分別為17.9mm和12.5mm、缺陷深度39.1mm和27.7mm、缺陷至探頭的直線距離50mm和60mm，均為Ⅳ級焊縫。

在該鋼結(jié)構(gòu)拱橋焊縫超聲探傷檢測的基礎(chǔ)上，又進(jìn)行了實際檢測波形分析。若焊縫缺陷處回波超出判廢線，則應(yīng)判定為該焊縫不合格，必須立即返修，修好且復(fù)檢結(jié)果合格后方可投入使用；若焊縫缺陷回波超出評定線而未超出判廢線，則應(yīng)測量缺陷實際長度，如果長度超標(biāo)，則焊縫質(zhì)量不合格，但如果缺陷長度未超標(biāo)，除非存在夾渣、裂紋、未焊透等問題，否則無需返修。按照以上原理對所檢測出的該鋼結(jié)構(gòu)拱橋三個部分焊件焊縫病害重新進(jìn)行了檢測波形分析，結(jié)果顯示，所檢測出的焊縫缺陷長度未超標(biāo)，且不存在夾渣、裂紋、未焊透等缺陷，故無需返修，僅進(jìn)行相應(yīng)記錄即可。

4 結(jié)語

綜上所述，超聲TOFD探傷檢測技術(shù)是當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊縫無損檢測的常用手段之一，其通過聲波在焊縫結(jié)構(gòu)缺陷端部產(chǎn)生的傳播時間差測定缺陷尺寸、深度、位置的做法比常規(guī)的回波幅度檢測結(jié)果更加可靠。為提升缺陷檢測分辨率并保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度，必須加強(qiáng)超聲TOFD探傷儀探頭參數(shù)及探頭間距的合理確定，以便在準(zhǔn)確探測出側(cè)向波及焊縫缺陷端衍射波傳播時間后推算出缺陷端部距離構(gòu)件表面的距離（即缺陷深度），根據(jù)該距離再求得板厚方向缺陷的高度（即缺陷尺寸）。