建筑鋼結(jié)構(gòu)焊縫超聲波探傷失誤案例分析*

楊曉東,楊俊芬,李 倩,車航宇,高 原,鄭子涵,王 聰

(1.西安建筑科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710055;2.西安建筑科大工程技術(shù)有限公司,陜西 西安 710055)

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)焊縫無(wú)損檢測(cè)方法有多種,以超聲波回波反射法最為方便快捷,其也是建筑鋼結(jié)構(gòu)焊縫探傷采用的主要方法。然而建筑鋼結(jié)構(gòu)焊縫構(gòu)造有其自身特點(diǎn),超聲波檢測(cè)忽視這些特點(diǎn),往往會(huì)造成漏檢或誤判,導(dǎo)致工程事故。由于建筑鋼結(jié)構(gòu)焊縫探傷方法多是應(yīng)用于機(jī)械、特種設(shè)備等行業(yè),對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)焊縫探傷檢測(cè)失誤分析的研究相對(duì)較少。

目前,國(guó)內(nèi)其他行業(yè)探傷檢測(cè)相關(guān)研究較多,如鋼軌、船舶焊接、有色金屬探傷漏檢問(wèn)題的研究[1-5],壓力容器、核工業(yè)等探傷回波影響因素分析[6-12],井架焊縫探傷真?zhèn)稳毕菪盘?hào)分析[13],不銹鋼焊縫、大規(guī)格鋼棒、鍛件探傷缺陷尺寸定量和定性分析[13-15]等。國(guó)外對(duì)無(wú)損探傷防止漏檢的研究在特種設(shè)備方面較多:采用目測(cè)、染色滲透檢驗(yàn)、相控陣超聲檢測(cè)、應(yīng)力分析和有限元分析等對(duì)催化重整裝置中互連管道的類似裂紋缺陷和瑕疵進(jìn)行全面檢驗(yàn)[16]。為保證結(jié)構(gòu)完整性,采用滲透劑、磁粉、射線照相、超聲波和目視檢測(cè)等無(wú)損檢測(cè)方法可對(duì)缺陷尺寸進(jìn)行量化,提出一種損傷容限方法,對(duì)罐車圓周對(duì)接焊縫的檢驗(yàn)進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。研究超聲波檢測(cè)ERW管道中類似短裂紋缺陷的漏檢,采用獨(dú)特?cái)?shù)據(jù)處理系統(tǒng)可識(shí)別出更多信息,避免管道泄漏[17]。

近幾年,超聲波相控陣探傷技術(shù)有所發(fā)展,如通過(guò)分析超聲波在各向異性焊縫中的探傷靈敏度,評(píng)估相控陣超聲檢測(cè)奧氏體焊縫的可靠性,但目前還處于實(shí)驗(yàn)室階段[18];采用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)鋼軌頭近表面裂紋進(jìn)行全面檢測(cè),解決金屬構(gòu)件表面缺陷較難檢測(cè)問(wèn)題,但技術(shù)復(fù)雜[19]。國(guó)內(nèi)外其他行業(yè)無(wú)損探傷技術(shù)方面的研究可防止探傷的漏檢或誤判,雖然對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)焊縫探傷有所借鑒,但由于研究對(duì)象、材質(zhì)、方法差異,導(dǎo)致研究技術(shù)和結(jié)果較復(fù)雜繁瑣,不適用于建筑鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

針對(duì)目前研究現(xiàn)狀及已發(fā)生的鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)事故,本文分析研究了超聲波探傷失誤的主要原因。

1 工程事故

1.1 工程事故1

某學(xué)校教學(xué)樓總建筑面積約15 000m2,其中地上12 000m2、地下1 900m2,地上6層、地下1層。建筑高度24.0m,地上為鋼結(jié)構(gòu)。方形柱由鋼板焊接而成,內(nèi)澆筑混凝土;梁為H型鋼。鋼柱與梁連接節(jié)點(diǎn)區(qū)域(500mm以內(nèi)),柱鋼板拼接L形縱縫為熔透二級(jí)焊縫,加工單位出廠進(jìn)行超聲波檢測(cè),該處焊縫質(zhì)量合格。施工過(guò)程中,對(duì)柱澆筑混凝土?xí)r,發(fā)現(xiàn)3層柱鋼板拼接L形縱縫開(kāi)裂,如圖1所示。

圖1 內(nèi)澆混凝土鋼柱焊縫開(kāi)裂

1.2 工程事故2

某物流倉(cāng)庫(kù)建筑物長(zhǎng)66.00m、寬24.40m,地上3層,每層高度6.5m,室內(nèi)外高差0.15m,工程結(jié)構(gòu)形式為鋼框架。方形柱由鋼板焊接而成,內(nèi)澆筑混凝土;梁為H型鋼。鋼柱與梁連接節(jié)點(diǎn)區(qū)域(500mm以內(nèi)),柱鋼板拼接L形縱縫為熔透二級(jí)焊縫,加工單位出廠進(jìn)行超聲波檢測(cè),該處焊縫質(zhì)量合格。工程主體鋼結(jié)構(gòu)施工完畢,澆筑樓面和屋面板后不久,發(fā)現(xiàn)1層柱L形熔透縱縫開(kāi)裂,如圖2所示。

圖2 主體鋼結(jié)構(gòu)完工后鋼柱焊縫開(kāi)裂

上述2個(gè)工程事故均為構(gòu)件出廠檢測(cè)合格,后續(xù)經(jīng)專業(yè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)工廠加工L形熔透縱縫存在大量根部未焊透或未熔合缺陷,缺陷距離底面0.5～2.0mm,是典型的超聲波漏檢或誤判。

2 探傷失誤分析

調(diào)查加工廠超聲波探傷檢測(cè)方案,如表1所示。施工L形熔合焊縫構(gòu)造如圖3所示,焊接方式為CO2氣體保護(hù)焊。施工L形熔合焊縫幾何參數(shù)如表2所示?，F(xiàn)場(chǎng)L形焊縫探傷復(fù)測(cè)方案如表3所示。

圖3 熔合焊縫構(gòu)造

表1 工廠超聲波探傷檢測(cè)方案

表2 焊縫構(gòu)造幾何參數(shù)

表3 現(xiàn)場(chǎng)L形焊縫探傷復(fù)測(cè)

2.1 超聲波入射角分析

根據(jù)工程構(gòu)件焊縫構(gòu)造,要使探頭的橫波直射法和一次反射法能掃查到整個(gè)焊縫截面,超聲波入射角度β需滿足tanβ≥(a+L0)/t,其中a為焊縫外表面寬度,L0為探頭前沿,t為鋼板厚度。超聲波入射角分析如表4所示。

表4 超聲波入射角分析

由表4分析可知,工程1超聲波入射角度β要滿足tanβ≥1.9～2.8,工程2超聲波入射角度β要滿足tanβ≥1.8～2.2。2個(gè)工程所選擇的探頭超聲波入射角度均不能完全滿足焊縫全截面掃查(工程1,tanβ=2.0～2.5;工程2,tanβ=1.5～2.0),必然會(huì)造成超聲波探傷漏檢。

2.2 探傷方法分析

工廠超聲波探傷探測(cè)面為單面單側(cè),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件分析,方法較合理;超聲波采用直射法和一次反射法,對(duì)于具體建筑焊縫而言,此方法有一定局限性?，F(xiàn)場(chǎng)復(fù)檢采用的是直射法和多次反射法,彌補(bǔ)了不足。直射法和多次反射法探傷如圖4所示。

圖4 直射法和多次反射法探傷

由圖4可知,采用直射法檢測(cè)焊縫根部,受焊縫余高及探頭前沿影響,探頭前移受阻,超聲波不能完全掃查到全部焊縫根部?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)采用多次反射法,超聲反射波掃查焊縫根部的區(qū)域變大,探頭5P6×6A65和5P6×6A55(入射角度分別為65°,55°)。多次反射法完全掃查焊縫根部,探頭的入射角度滿足的條件為tanβ≥a/t?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)多次反射法超聲波入射角分析如表5所示。

由表5可知,工程1和工程2現(xiàn)場(chǎng)復(fù)測(cè),采用多次反射法探傷,工程1超聲波入射角度β要滿足tanβ≥1.1～1.6,工程2超聲波折射角度β要滿足tanβ≥1.1～1.4。2種探頭超聲波入射角度分別為65°(tanβ=2.14)和55°(tanβ=1.43),可完全掃查焊縫根部,避免探傷漏檢,檢測(cè)出大量工廠漏檢焊接缺陷。

2.3 回波能量分析

超聲波探傷機(jī)理是探頭發(fā)出的脈沖超聲波信號(hào)遇到異質(zhì)介質(zhì)發(fā)生反射,一定能量反射信號(hào)被接收到,才可進(jìn)行回波信息分析。反射回波能量與脈沖頻率、反射面方向及脈沖能量傳播損失等有關(guān)。

2.3.1不同規(guī)格探頭反射回波分析

橫波斜探頭超聲波的產(chǎn)生是探頭中第一介質(zhì)中縱波在界面折射進(jìn)入第二介質(zhì)而形成。橫波脈沖反射回波能量與超聲場(chǎng)聲壓成正比關(guān)系,可用回波聲壓(或波幅)表示。

橫波波源軸線上的聲壓為:

(1)

式中:K為系數(shù);FS為波源面積;f為第二介質(zhì)橫波頻率;C為第二介質(zhì)橫波速度;X為軸線上某點(diǎn)至假想波源距離;β′為橫波折射角;α為縱波入射角。

其他條件相同,由式(1)可知,超聲波頻率越高,回波聲壓越高即反射波波幅越大。以φ3mm×40mm孔為對(duì)比反射體,采用2.5P13×13K2.0,2.5P13×13K2.5,2.5P10×16K1.5,5P6×6A55,5P6×6A55探頭分別制作距離-波幅曲線,再分別測(cè)試φ1mm×6mm,φ3mm×40mm孔回波能量差(dB),如表6所示。

表6 φ1mm×6mm孔與φ3mm×40mm孔回波能量差

由表6可知,2.5P13×13K2.0,2.5P13×13K2.5,2.5P10×16K1.5(頻率2.5MHz)探頭反射回波能量均低于5P6×6A65,5P6×6A55(頻率5.0 MHz)探頭,工廠探傷采用2.5P13×13系列探頭,對(duì)于較小危害性缺陷易漏檢或誤判。

2.3.2脈沖能量傳播損失分析

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件鋼板內(nèi)、外表面進(jìn)行電鏡掃描分析,如圖5,6所示(工程1中14mm厚鋼板)。鋼板背面表面狀況如圖5所示,鋼板正面表面狀況如圖6所示。微觀分析可看出未經(jīng)打磨的鋼板2個(gè)面表面平整度相差較大。超聲波從一個(gè)面入射,再經(jīng)另一個(gè)面反射,探測(cè)表面狀態(tài)對(duì)脈沖能量的影響。

圖5 鋼板背面SEM照片(150倍)

圖6 鋼板正面SEM照片(150倍)

鋼板表面狀態(tài)不同對(duì)超聲波傳播及反射能量均有一定影響,若打磨探頭移動(dòng)區(qū)域,只能打磨1面,采取補(bǔ)償4dB方法探傷并不能完全消除表面狀態(tài)不同對(duì)超聲波多次反射波能量的影響。模擬現(xiàn)場(chǎng)鋼板表面狀態(tài),制取不同深度φ3mm長(zhǎng)橫孔試件,用2.5P13×13K2.0探頭測(cè)試其與RB系列試塊(標(biāo)準(zhǔn)試塊)上φ3mm長(zhǎng)橫孔回波幅度差值,如表7,8所示。

表7 14mm厚試件與RB試塊φ3mm長(zhǎng)橫孔回波能量差值

表8 20mm厚試件與RB試塊φ3mm長(zhǎng)橫孔回波能量差值

由表7,8所示測(cè)試數(shù)據(jù)可知,未打磨的鋼板試件φ3mm 長(zhǎng)橫孔回波能量小于RB試塊上φ3mm長(zhǎng)橫孔回波能量,但差值大多數(shù)<4dB,這是由鋼板表面粗糙度不同引起。14mm厚鋼板正面探傷中,直射波回波能量差值為-2.0～-8.5dB,一次反射波回波能量差值為0～-6.7dB;14mm厚鋼板背面探傷中,直射波回波能量差值為-4.7～-6.0dB,一次反射波回波能量差值為-1.6～-2.9dB。20mm厚鋼板正面探傷中,直射波回波能量差值為-1.3～-5.9dB, 一次反射波回波能量差值為-3.6～-4.7dB;20mm厚鋼板背面探傷中,直射波回波能量差值為-7.0～-9.0dB, 一次反射波回波能量差值為-6.9～-8.3dB。 工廠探傷表面能耗損失補(bǔ)償4dB,多數(shù)情況下會(huì)將超標(biāo)缺陷誤判為可允許存在的缺陷。

2.3.3回波反射面分析

超聲波探傷以反射波幅判斷缺陷,反射波幅受諸多因素影響。例如,入射波與缺陷反射面垂直,反射波幅最大,但由于具體焊縫構(gòu)造特點(diǎn),根部未焊透或未熔合缺陷的反射面未必會(huì)與入射超聲波垂直,檢測(cè)到的回波幅度將變小,如缺乏仔細(xì)分析會(huì)漏檢或誤判。工程1,2反射面分析如圖7所示,焊縫構(gòu)造坡口鈍邊p為0～1mm,當(dāng)鈍邊p不為0,超聲波入射點(diǎn)在圖7中1,2點(diǎn)時(shí),未焊透或未熔合缺陷的反射面均不與入射超聲波垂直,反射回波幅度均很小,探傷時(shí)若忽略會(huì)造成漏檢;當(dāng)鈍邊p=0,一次反射波方向與坡口面接近90°,反射波幅度雖較大(見(jiàn)圖7中4點(diǎn)),但被判斷為熔敷金屬與襯板結(jié)合處(見(jiàn)圖7中3點(diǎn))的反射,作為非缺陷信號(hào)處理,會(huì)造成誤判。

圖7 反射面對(duì)缺陷回波幅度分析

2.3.4非缺陷回波干擾分析

斜探頭橫波探傷中,入射橫波在缺陷弧面反射的同時(shí),還會(huì)產(chǎn)生波形轉(zhuǎn)換和折射現(xiàn)象,即超聲波經(jīng)過(guò)缺陷弧面時(shí),產(chǎn)生變形縱波L′和折射橫波S′,如圖8所示。

圖8 變形縱波和折射橫波產(chǎn)生

變形縱波L′和折射橫波S′傳播到較光滑的表面上,如入射角度與表面夾角接近90°,則再次沿原傳播路徑返回,被探頭接收。此時(shí)探頭接收到的反射波信號(hào)包括入射橫波、變形縱波、折射橫波。理論計(jì)算變形縱波、折射橫波回波位置分別如式(2),(3)所示,工程1,2理論計(jì)算變形縱波、折射橫波回波位置如表9所示。

表9 不同種類超聲波顯示回波位置

(2)

(3)

式中:dL為變形縱波顯示深度(mm);dS為折射橫波顯示深度(mm);VS為鋼板中橫波聲速(m/s);VL為鋼板中縱波聲速(m/s);t為鋼板厚度(mm);β為橫波入射角度;LL為縱波顯示水平距離(mm);LS為橫波顯示水平距離(mm)。

由表9理論分析可知,變形縱波和折射橫波顯示的缺陷位置不在焊縫上,入射橫波顯示缺陷在焊縫上。探傷時(shí)由于入射橫波與根部缺陷的反射面夾角較小,反射能量較小,波高較低,而變形縱波與焊縫表面處近乎垂直,反射能量高,數(shù)字式超聲波探傷儀缺陷參數(shù)均是按最高反射能量自動(dòng)計(jì)算,導(dǎo)致以變形縱波反射信號(hào)計(jì)算缺陷參數(shù),將缺陷信號(hào)判斷為非缺陷顯示(計(jì)算出的缺陷不在焊縫上),導(dǎo)致漏檢。

事故工程焊縫表面采用埋弧焊成型,焊縫表面光滑,變形縱波信號(hào)強(qiáng)烈,干擾了缺陷信號(hào)的判別,造成漏檢。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于建筑鋼結(jié)構(gòu)焊縫,探傷失誤的主要原因?yàn)?探頭規(guī)格、探傷方法選擇不合理,導(dǎo)致掃查焊縫截面不全面和缺陷回波信號(hào)較弱產(chǎn)生漏檢;回波信號(hào)分析失誤,表面能耗補(bǔ)償不合理,產(chǎn)生誤判。

為避免焊縫探傷漏檢和誤判,探傷前要分析焊縫構(gòu)造,選擇折射角度相差10°以上小晶片、頻率相對(duì)較高探頭組合;探傷方法采用多次反射法和直射法結(jié)合;采用構(gòu)件鋼板加工對(duì)比反射體,以避免表面能耗補(bǔ)償;提高檢測(cè)人員分析變形波等非缺陷信號(hào)的技能。