超聲波探傷技術在建筑鋼結構檢測中的應用

王建源

（婺源縣秋溪工程質(zhì)量檢測有限公司，江西上饒 333200）

0 引言

在鐵路貨車運行中注重輪軸質(zhì)量控制工作，分析輪軸質(zhì)量影響因素，從輪軸結構設計、材料選擇、承受重量、使用環(huán)境和使用條件等方面，采取措施提高輪軸質(zhì)量。其中，超聲波探傷工藝屬于一種無損檢測技術，在輪軸損傷檢測中有重要的應用價值，借助計算機技術信息技術完善超聲波自動化探傷系統(tǒng)，為鐵路貨運車輛運行安全性提升奠定良好基礎。

1 超聲波探傷的優(yōu)勢

超聲波在工作的過程中一般是通過各種探頭的工作判斷焊縫出現(xiàn)裂縫的位置，從而采取積極有效的補救措施。而對于建筑行業(yè)來講，由于建筑材料的特殊性能，要求超聲波根據(jù)建筑鋼材料的不同，使用不同種類的探頭。技術人員在檢測過程中也應該采用不同的方法和角度進行探測，這樣才能更準確有效地判斷裂縫的位置[1]。由于超聲波通過不同介質(zhì)時會產(chǎn)生不同的反應，人們根據(jù)這樣的原理對超聲波返回的不同的信息進行分析，以此來判斷鋼結構體系可能出現(xiàn)的問題。超聲波探傷技術和其他技術不同點還在于其有著不受時間、光線等因素影響的特點，所以建筑行業(yè)利用它來檢測鋼結構焊接縫在焊接過程中出現(xiàn)的問題，排除其他因素造成的可能性，準確地判斷存在缺陷的位置。

2 鋼結構所涉及標準

之前鋼結構驗收規(guī)范《鋼結構工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB 50205—2001）中規(guī)定：焊縫超聲波檢測標準按照《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級法》（GB/T 11345—1989）執(zhí)行，對于焊接球節(jié)點網(wǎng)架焊縫、螺栓球節(jié)點網(wǎng)架焊縫及圓管T、K、Y形節(jié)點相關線焊縫，其內(nèi)部缺陷分級及探傷方法應分別符合國家現(xiàn)行標準《鋼結構超聲波探傷及質(zhì)量分級法》（JG/T 203—2007）。兩本檢測標準對比，標準（GB/T 11345—1989）中規(guī)定適用于母材厚度不小于8mm全熔透對接焊縫。而標準《鋼結構超聲波探傷及質(zhì)量分級法》（JG/T 203—2007）中規(guī)定適用于母材厚度不小于4mm全熔透對接焊縫。其他關于檢測靈敏度的調(diào)節(jié)及缺陷波幅和缺陷長度判定基本一致?，F(xiàn)執(zhí)行標準《鋼結構工程施工質(zhì)量驗收標準》（GB 50205—2020）中規(guī)定：焊縫內(nèi)部缺陷的無損檢測應符合下列規(guī)定：①采用超聲波檢測時，超聲波檢測設備、工藝要求及缺陷評定等級應符合現(xiàn)行國家標準《鋼結構焊接規(guī)范》（GB 50661—2011）的規(guī)定；②焊接球節(jié)點網(wǎng)架、螺栓球節(jié)點網(wǎng)架及圓管T、K、Y節(jié)點焊縫的超聲波探傷方法及缺陷分級應符合國家和行業(yè)現(xiàn)行標準《鋼結構超聲波探傷及質(zhì)量分級法》（JG/T 203—2007）的有關規(guī)定。為了更準確地對缺陷進行判定，本文將上述三個常用標準進行對比。

3 鋼結構常見的焊縫缺陷

在建筑鋼結構中按被連接鋼材的方式上可分為對接、搭接、T型連接和角部連接四種。連接所采用的焊縫主要有對接焊縫和角焊縫。其中影響金屬材料焊接質(zhì)量的因素有很多，主要有金屬材料、結構設計、工藝措施、施焊的自然環(huán)境等四個方面。焊接質(zhì)量取決于母材材質(zhì)、焊接材料的金屬化學成分、構件結構形式、焊接方法、焊接工藝等的綜合性能。這些因素均有可能在焊接的施工過程中在焊縫內(nèi)部產(chǎn)生不同類型的缺陷，常見的類型缺陷如夾渣、氣孔、裂紋、未焊透等，這些缺陷焊縫對強度有著不同程度的影響，使其在未來使用中存在重大的安全隱患。因此設計上要求的主要構件位置在制作時需采用先進、快速、有效的無損檢測技術對焊縫進行檢測，精準快速地定位缺陷位置、判斷缺陷類型，從而督促焊接人員采取有效措施并確保重要節(jié)點的焊縫質(zhì)量及性能，保障建筑物質(zhì)量與安全[2]。

4 影響超聲波探測的因素

雖然超聲波探傷技術相對于其他技術而言有一定的抗干擾性，但是其工作仍然會受到一些因素影響。主要有如下4方面。

（1）材料因素。需要探測的材料表面的光滑、干凈程度都能影響探測工作的開展，因為干凈光滑的材料表面更有利于探測頭在上面工作。除此之外，超聲波在傳播的過程中還會受到空氣等的影響，空氣中的溫度、濕度、雜質(zhì)等會干擾到探頭信號及其方向的傳播。所以，在正式工作之前應該模擬工作溫度和環(huán)境，并排除可能的影響因素。

（2）儀器因素。超聲波在工作過程中也對自身的水平程度、探頭角度等有嚴格的要求，如果探頭角度或者水平角度出現(xiàn)偏差，那么探測的結果會受到一定影響。

（3）方法因素。在選擇好材料、做好各項準備工作之后，探測使用的方法也至關重要。在整個探測過程中，由于不同材料、不同質(zhì)量、不同厚度的差異，技術人員應該選擇不同的探測方法，這樣才能夠具體問題具體分析，更好地探測出材料內(nèi)部可能出現(xiàn)裂痕和裂痕的長度。并且技術人員在使用探頭時也會采取不同的方式，都是影響超聲波探傷的重要原因。

（4）焊縫內(nèi)部缺陷的判定。超聲波檢測對焊縫內(nèi)部缺陷性質(zhì)還沒有較好的方式進行準確評判定性，檢測過程中，檢測人員應需合焊接工藝、接頭坡口形式、缺陷所在的位置等實際情況，結合儀器上的缺陷波形的不同，對所檢測的焊縫進行綜合估判。現(xiàn)就不同缺陷的類型估判作以下簡單的描述。①氣孔多數(shù)呈圓形或橢圓形。單個氣孔，從焊縫各個方向進行掃查探測，波形穩(wěn)定，反射回波高度低，探頭稍微移動回波便消失。密集氣孔通常顯示為一簇反射回波，移動探頭時其波幅高度隨氣孔大小變化而變化。②夾渣缺陷。分點狀和條狀，通常形狀不規(guī)則。兩者的回波相似。多呈鋸齒狀回波，波幅不高，回波主峰邊上有小峰，從各個方向進行掃查探測，反射波幅各不相同。③未焊透缺陷。通常位于焊縫中間的根部上，對焊縫兩側探傷，其波形較為穩(wěn)定且大致相同。④未熔合缺陷。在焊縫兩側探測時，有時只有一側才可以探測到，反射波幅有所不同波形較為穩(wěn)定。⑤裂紋缺陷，檢測時儀器顯示回波波幅寬，波幅高度較高，通常出現(xiàn)多個波峰，移動探頭時反射波連續(xù)出現(xiàn)且波幅會有變動，回波的波峰會有上、下錯動。

5 超聲波探傷的具體使用

5.1 探傷檢測人員應具有較高的專業(yè)技術能力

由于超聲波探傷主要是利用聲波反射原理實現(xiàn)對鋼結構進行檢測，檢測結果波形等信息反映在熒光屏（示波屏）上，要求探傷檢測人員據(jù)此判斷出鋼結構內(nèi)部缺陷情況，檢測結果準確性高低與探傷檢測人員專業(yè)能力有著極為密切的聯(lián)系。因而要求探傷檢測人員應具有較高專業(yè)能力，包括持有相應等級資格證書以及具備豐富從業(yè)經(jīng)驗等。此外需要注意的是，由于超聲波探傷等級資格證書一般分為3級，探傷檢測人員必須嚴格按照自己所取得等級資格證書開展相應鋼結構檢測工作，嚴禁越級作業(yè)[3]。

5.2 超聲波探測的過程

超聲波探傷一般分為初探、精探兩個過程。初探的過程較快，是對探測角度、方位的確定，在初探過程中首先應該確定鋼結構焊縫中有無質(zhì)量缺陷，并提前判斷應該使用哪幾種方法才能更好地進行探測。精探則相比初探來講速度較慢，在初探的基礎上改變之前不合適的探測方式和探測角度，記錄下收回的聲波信息進行細致分析，與之前的信息進行比較，最后做出準確的判斷。

5.3 無損檢測技術的分類及在建筑鋼結構上的應用

對于焊縫內(nèi)部質(zhì)量的缺陷，無損檢測通常有兩種檢測方法，分別為超聲波探傷檢測和射線探傷檢測。射線探傷檢測其主要優(yōu)點是被測結果可以在膠片上直觀顯示，檢測所使用的射線膠片可以長期保存，適用于各種材料的檢測，金屬材料、非金屬材料、復合材料的檢測，最適合檢驗體積型缺陷，即具有一定空間分布、一定厚度的缺陷，但其缺點是操作程序較為復雜，成本投入較大，對裂紋類型缺陷有方向性的限制。尤其在建筑鋼結構中構件接頭形式多為T型接頭的情況下，射線探傷對這種形式的焊接接頭檢測效果差，且對此類焊縫的裂紋、未熔合的缺陷檢出率比較低。在建筑鋼結構中射線探傷只在特殊情況下作為內(nèi)部缺陷檢驗的一種補充手段。然而超聲波探傷與其則恰恰相反，超聲波檢測在操作程序上探傷速度快，效率高，穿透能力強，檢測靈敏度高，可發(fā)現(xiàn)與直徑十分之幾毫米的空隙反射能力相當?shù)姆瓷潴w，能準確判定反射體的位置、深度、大小。儀器操作簡單，設備輕巧，機動性強，現(xiàn)場高空檢測更為實用。對于建筑鋼結構中的各種形式焊縫接頭都非常適用，世界上許多國家都是采用超聲波探傷檢測這一無損檢測方法。焊縫表面檢測在實際中也是作為外觀檢查的一種補充手段，其檢驗方法也有兩種：①磁粉探傷；②滲透檢測。對比兩種檢驗方法，就靈敏度而言，磁粉探傷要高于滲透探傷。特別在建筑鋼結構中，因為需外觀檢測的焊縫大部分為角焊縫，此類焊縫的位置清渣困難，所以使用滲透探傷的效果要比磁粉探傷的效果差。磁粉探傷可以檢測近表面的缺陷。因此，在建筑鋼結構中為了提高表面缺陷的檢出率，人們都會采用磁粉檢測方法。當受到構件形狀等原因影響時，如檢測空間太小的情況下，不能采用磁粉探傷時，才會使用滲透探傷檢測。

5.4 焊縫質(zhì)量缺陷分析

一般情況下超聲波是無法對焊縫質(zhì)量缺陷做出準確無誤的判斷的，只有專業(yè)技術人員通過超聲波傳來的聲波信息才能分析出焊縫是否出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，再結合實際的焊接技術、鋼結構材料的厚度等因素，判斷焊縫缺陷的具體位置。鋼結構探傷在檢測中使用較多的探傷技術就是超聲波探傷技術，這種技術不僅能夠保證及時全面地探測出材料焊縫中出現(xiàn)的質(zhì)量問題，而且能夠為技術人員采取措施提供一定的信息。

6 超聲波探傷自動化發(fā)展

結合鐵路貨車輪軸超聲波探傷工藝探究能夠了解到，此項技術還需進一步地完善與創(chuàng)新。應用新技術、新設備，構建輪軸超聲波自動探傷系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中開展各項探傷工作，詳細記錄各項工作環(huán)節(jié)產(chǎn)生的信息數(shù)據(jù)，為制定探傷方案提供重要參數(shù)，提高貨車輪軸檢測效率與技術水平。采用穩(wěn)定的通過門式結構橫跨在鋼軌上，控制系統(tǒng)控制超聲波探頭移動執(zhí)行機構，整個設備的外觀比較簡潔，內(nèi)部結構不混亂，依據(jù)檢測工作要求可對其合理化操作，均可實現(xiàn)預期檢測目的。探傷機內(nèi)部結構包括探測頭、控制卡和由伺服器帶動的曲柄連桿機構。借助小角度探頭對輪座底部探測，調(diào)整適合的運動速度，能實現(xiàn)對輪軸缺陷從粗查到精細排查。在整個排查過程中產(chǎn)生大量的信息數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會在各項工作開展時把所產(chǎn)生的信息數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，利用超聲卡采集到的超聲波信息數(shù)據(jù)，準確掌握輪軸探傷情況與具體位置，明確輪軸缺陷位置，并有報警、打印報表等功能。在鐵路貨車輪軸超聲波探傷自動化發(fā)展過程中要求探傷機具有較強的自檢功能，才可確保輪軸超聲波探傷效率與質(zhì)量。我國鐵路企業(yè)快速發(fā)展對超聲波探傷新工藝提出更高要求，使探傷向自動化、系統(tǒng)化、數(shù)字化等方向發(fā)展。①應用現(xiàn)代化科技手段，解決舊工藝的技術問題，如車輪缺陷大小、形狀等，依據(jù)檢測中所獲取的信息數(shù)據(jù)，利用成像技術突出展示其缺陷，為新工藝創(chuàng)新發(fā)展提供有利條件；②對比超聲波新工藝與舊工藝，應用自動化技術能解決人力、物力、財力等分配不均問題，注重各項資源的合理應用，使超聲波探測儀器向智能化發(fā)展；③在超聲波舊工藝與新工藝轉化過程中，考慮到超聲波新工藝質(zhì)量與效率，能在實際應用過程中借助現(xiàn)代化科學技術，提高整體自動化技術水平，明確超聲波新工藝檢測內(nèi)容及標準，以《鐵路貨車輪軸組裝、檢修及管理規(guī)則》政策內(nèi)容為主要依據(jù)，使鐵路貨車輪軸損傷檢測工作順利開展，依據(jù)檢測結果制定相應的解決措施與方案，為鐵路企業(yè)穩(wěn)定發(fā)展帶來積極影響；④注重超聲波與斷裂力學結合應用，分析鐵路貨車輪軸部件重要作用，通過開展鐵路貨車輪軸損傷檢測工作，準確掌握鐵路貨車輪軸使用情況，注重新工藝的質(zhì)量控制，可對鐵路貨車輪軸使用壽命延長帶來積極影響，為鐵路貨車輪軸運行安全提供良好的基礎保障，提高貨車運行安全性，為鐵路企業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益。

7 結語

綜上所述，對建筑行業(yè)而言，鋼結構的廣泛應用對建筑行業(yè)質(zhì)量的提升產(chǎn)生了重要的影響。因此，鋼結構質(zhì)量的高低嚴重影響整個建筑物的質(zhì)量，其中最重要的問題就是鋼結構中的焊接問題，焊接是鋼結構材料拼接在一起的關鍵技術。但是由于焊接技術容易受到環(huán)境、溫度、技術等因素的影響，導致焊接縫的質(zhì)量成為建筑行業(yè)關注的重要問題之一。而超聲波探傷技術正好可以利用抗干擾能力強，定位準確等優(yōu)勢來探測鋼結構中的焊縫質(zhì)量缺陷，更好地保證建筑工程質(zhì)量。