超聲波檢測在鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊縫探傷中的技術(shù)研究

摘要 超聲波檢測是一種無損檢測技術(shù)，因其能較為精準(zhǔn)地檢測出焊縫內(nèi)部缺陷，而被廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊縫探傷檢測當(dāng)中。文章闡述了超聲波探傷的工作原理和常用方法，分析了鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊縫的類型和常見缺陷，研究了鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊縫超聲波探傷在探傷時機(jī)、設(shè)備選取、環(huán)境條件、實施步驟及缺陷波形分析等方面的技術(shù)要點，提出了橋梁焊縫探傷質(zhì)量的三方面控制措施。

關(guān)鍵詞 超聲波檢測；鋼結(jié)構(gòu)橋梁；焊縫探傷

中圖分類號 U446 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）19-0136-03

0 引言

焊接是鋼結(jié)構(gòu)橋梁各構(gòu)件的主要連接方式之一，焊縫質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)是否安全。超聲波檢測具有被測對象范圍廣、檢測深度大、缺陷定位準(zhǔn)確、檢測靈敏度高、成本低、使用方便、速度快、對人體無害以及便于現(xiàn)場使用等優(yōu)點[1]，被廣泛應(yīng)用到焊縫探傷檢測當(dāng)中。加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊縫超聲波探傷技術(shù)的研究，有助于提高焊縫探傷質(zhì)量，確保鋼結(jié)構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)安全。

1 鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊縫類型及常見缺陷

1.1 鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊縫類型

鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊縫的常見類型為對接焊縫和角接焊縫，對接焊縫分為管管、板板對接焊縫，如圖1所示；角焊縫分為T形、L形和管板角焊縫，如圖2所示。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊縫常見缺陷

鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊縫常見缺陷分為外觀缺陷和內(nèi)部缺陷，外觀缺陷主要有咬邊、焊瘤、凹坑、未焊滿、燒穿及成形不良、錯邊、塌陷、表面氣孔、各種焊接變形等其他表面缺陷；內(nèi)部缺陷主要有氣孔、夾渣、未熔合、未焊透、裂紋等。

2 鋼結(jié)構(gòu)橋梁超聲波探傷的原理和方法

2.1 超聲波探傷的工作原理

超聲波探傷是利用超聲波在構(gòu)件中傳播并與構(gòu)件材料以及其中的缺陷相互作用，使其傳播方向或特征發(fā)生改變，改變后的超聲波被檢測設(shè)備接收后，通過對超聲波波形特征進(jìn)行處理和分析，從而評估構(gòu)件中缺陷是否存在或存在缺陷的大小、位置等。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊縫超聲波探傷的方法

超聲波探傷按原理的不同分為脈沖反射法、衍射時差法、穿透法和共振法；按采用的波形不同分為縱波法、橫波法、表面波法、板波法和爬波法；按探頭數(shù)目的不同分為單探頭法、雙探頭法和多探頭法；按超聲波進(jìn)入構(gòu)件的角度不同分為直探頭法和斜探頭法。鋼結(jié)構(gòu)橋梁超聲波探傷最常用的方法是單斜探頭橫波脈沖反射法。

3 鋼結(jié)構(gòu)橋梁超聲波探傷的技術(shù)研究

3.1 選擇合適的探傷時機(jī)

焊接接頭是由焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)組成，不同區(qū)位缺陷產(chǎn)生的時間不同，無論是鋼結(jié)構(gòu)加工廠中焊接的焊縫，還是橋址現(xiàn)場拼接時的焊縫，最佳探傷時機(jī)均為焊接完成24 h之后。

3.2 選擇合適的探傷設(shè)備

鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊縫超聲波探傷，最合適的設(shè)備是數(shù)字式超聲波探傷儀，該文以武漢中科HS700超聲波探傷儀為例研究如何選擇合適的探頭和校驗設(shè)備。

（1）選擇合適的探頭：探頭是否合適主要取決于探頭的頻率f、晶片的尺寸和K值是否合適。

1）頻率的選擇：根據(jù)公式

C=λ·f （1）

式中：C——超聲波速（m/s）；λ——超聲波長（m）；f——超聲頻率（Hz）[2]。增大超聲波的頻率，超聲波的波長會減小，有利于發(fā)現(xiàn)微小缺陷，但頻率增大，超聲波的衰減增大，不利于檢出厚鋼板焊縫缺陷。對鋼結(jié)構(gòu)材料厚度小、缺陷小或淺的焊縫進(jìn)行探傷時宜選擇較高頻率的探頭，反之宜選擇較低頻率的探頭。

2）晶片尺寸的選擇：晶片尺寸越大，超聲波能量越大，超聲波能量也越集中，有利于檢出聲速軸線附近和遠(yuǎn)距離的缺陷，但不利于對缺陷進(jìn)行定位和定量。對鋼結(jié)構(gòu)材料厚度較小的焊縫進(jìn)行探傷時宜選擇小晶片探頭，反之宜選擇大晶片探頭。

3）K值的選擇：根據(jù)公式

K=tanθ （2）

式中：θ——晶片傾斜角度（°）。K值越大，θ也越大，一次波的聲程也就越大，越有利于發(fā)現(xiàn)焊縫頂部的缺陷。對鋼結(jié)構(gòu)材料厚度小的焊縫進(jìn)行探傷時，宜選擇K值較大的探頭，反之宜選擇K值較小的探頭。

對于小管徑管材軸向和環(huán)向焊縫的探傷，還需對探頭進(jìn)行打磨，加工成與鋼管外徑相吻合的曲面形狀，如圖3和圖4所示。

（2）正確校驗設(shè)備

1）斜探頭校驗：第一步是前沿測試，第二步是K值測試。前沿測試是將探頭放置在CSK-ⅠA試塊R100圓弧圓心處，左右平移探頭找到最高回波位置，用鋼直尺測量該位置探頭前端與試塊頂端的距離值L（mm），探頭前沿即為（100-L）（mm）。K值測試是將探頭放置在CSK-ⅠA試塊K值測試處，左右平移找到最高回波位置，此時儀器上的K值測試值即為探頭實際的K值，如圖5所示。

2）距離—波幅曲線制作：將探頭放置在RB-Ⅱ試塊上，分別測量不同深度處同一尺寸橫孔的波幅dB值，以孔深為橫坐標(biāo)，以dB值為縱坐標(biāo)描繪出的曲線即為距離—波幅曲線，如圖6所示。

3.3 選擇合適的探傷條件

（1）合理選擇探傷面：根據(jù)焊縫的檢測等級，結(jié)合焊縫坡口形式和厚度等進(jìn)行選擇，具體可根據(jù)《焊縫無損檢測 超聲檢測 技術(shù)、檢測等級和評定》（GB/T 11345—2023）附錄A[3]要求決定是采取單面單側(cè)、單面雙側(cè)還是雙面雙側(cè)進(jìn)行探傷。

（2）科學(xué)打磨探傷面：應(yīng)打磨出足夠的探頭移動區(qū)寬度[對于對接焊縫，寬度≥1.25P，P為跨距（mm）]，同時要打磨該區(qū)域內(nèi)的飛濺物、氧化皮、凹坑、銹蝕、油垢及其他雜質(zhì)。

（3）選擇合適的耦合劑：常用的耦合劑有水、甘油、機(jī)油以及化學(xué)糨糊等，機(jī)油、化學(xué)糨糊因其附著力、黏度和潤濕性都較好，適用于現(xiàn)場探傷檢測中。

3.4 規(guī)范實施探傷的步驟

采用先粗探傷后精探傷的步驟進(jìn)行。

（1）粗探傷：對焊縫有無缺陷和分布情況做大致了解的全面掃查，常采用鋸齒形掃查方式，如圖7所示。如發(fā)現(xiàn)波幅高于評定線，則該位置可能存在缺陷，需進(jìn)行精探傷。

（2）精探傷：對粗探傷發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行定性、定量和定位，常采用前后、左右、轉(zhuǎn)角和環(huán)繞四種方式，如圖8所示。

3.5 正確分析缺陷的波形

實際探傷過程中，在剖開焊縫進(jìn)行探查之前，很難對缺陷的性質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確定性，只能通過缺陷的回波特征給出缺陷是什么形狀的。

（1）點狀缺陷：指細(xì)小的缺陷，如氣孔和小夾渣等，其回波幅度較小，顯示器上顯示一個尖銳回波。探頭前后、左右掃查時，其動態(tài)波形波幅平滑地由零上升到最大值，然后又平滑地下降到零，轉(zhuǎn)動掃查時情況相同。

（2）線性缺陷：指能夠檢測出長度但不能準(zhǔn)確檢測出寬度和自身高度的缺陷，如線性的夾渣、未焊透或未熔合等。在不同的位置進(jìn)行缺陷檢測時，顯示器上均顯示一個尖銳回波，進(jìn)行前后掃查時，其動態(tài)波形的波幅由零平滑地上升到最大值，然后又平滑地下降到零。進(jìn)行左右掃查時，其動態(tài)波形一開始波幅由零平滑地上升到最大值，繼續(xù)移動探頭時，回波的波幅基本不變，或者變化很小，最后又平滑地下降到零。

（3）體積狀缺陷：指能測量出長度、寬度和自身高度的缺陷，如球狀的大夾渣。在不同的位置進(jìn)行缺陷檢測時，顯示器上均顯示一個尖銳回波或者一個參差不齊的回波，移動探頭時，回波的幅度起伏很不規(guī)則。

（4）平面狀缺陷：指既能檢測出長度又能檢測出自身高度的缺陷，如裂紋、面狀未熔合或未焊透等。在不同的位置進(jìn)行缺陷檢測時，顯示器上的回波顯示為一系列鐘形的連續(xù)小波峰，移動探頭時，回波幅度呈現(xiàn)很不規(guī)則的起伏，波幅起伏較大。

（5）多重缺陷：距離間隔很近、無法用超聲波進(jìn)行逐一定位和定量的一群缺陷，如密集氣孔或再熱裂縫等。探頭掃查時，每個單獨的信號回波顯示同點狀缺陷。進(jìn)行前后、左右掃查時，各個缺陷產(chǎn)生的回波在時基線上出現(xiàn)的位置不同，順序也不規(guī)則。

4 鋼結(jié)構(gòu)橋梁超聲波探傷質(zhì)量的控制

4.1 制定詳細(xì)的探傷檢測方案

編制方案前，需要收集鋼構(gòu)件的厚度、焊縫種類和等級、施工工藝、評定和檢驗等級等一系列資料，以便選擇合適的超聲波探傷方法和探傷設(shè)備。方案編制過程中，根據(jù)探傷的技術(shù)要點，逐項明確具體措施和做法，如探傷面的選取、打磨的尺寸、耦合劑的類型等，具體工作盡可能詳細(xì)，方案編制完成后，上報技術(shù)負(fù)責(zé)人進(jìn)行審核把關(guān)，方案批準(zhǔn)后應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行。

4.2 嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范的檢測規(guī)定

按照《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50205—2020）第5.2.4條[4]規(guī)定，采用超聲波探傷時，對于一級焊縫，缺陷評定等級Ⅱ級、檢驗等級B級，檢測比例為100%；對于二級焊縫，缺陷評定等級Ⅲ級、檢驗等級B級，檢測比例為20%。按照《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG F80/1—2017）[5]規(guī)定，鋼結(jié)構(gòu)橋梁的節(jié)段制作和安裝應(yīng)進(jìn)行100%的焊縫探傷，焊縫探傷應(yīng)按照施工自檢、監(jiān)理抽檢、第三方檢測的順序逐步開展，達(dá)到焊縫質(zhì)量的分級控制。

4.3 提升探傷人員的專業(yè)水平

提高探傷人員對焊縫焊接的形式、方法、工藝以及超聲波探a98phhHLRZGMHEkqh5Ti4A==傷的原理等基礎(chǔ)知識的掌握，熟悉鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊縫探傷相關(guān)規(guī)范，熟練掌握常規(guī)探傷設(shè)備的性能和操作流程。加強(qiáng)實操練習(xí)，熟練掌握鋸齒型、前后、左右、轉(zhuǎn)動、環(huán)繞等掃查方式的具體手法，注重經(jīng)驗總結(jié)，提高缺陷的檢出率和定性定量的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語

超聲波檢測是鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊縫探傷中應(yīng)用最廣泛的無損檢測技術(shù)之一，為保證探傷質(zhì)量，需要了解鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊縫的類型和常見缺陷，熟悉超聲波探傷的原理和常用方法，熟練掌握如何選擇探傷時機(jī)、探傷設(shè)備、探傷條件，規(guī)范實施探傷步驟，正確分析缺陷波形等技術(shù)要點，并從制定詳細(xì)探傷方案、嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范規(guī)定、提升探傷人員專業(yè)水平等方面加強(qiáng)對探傷質(zhì)量的控制。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇雨露.鋼結(jié)構(gòu)焊縫內(nèi)部缺陷的超聲波探傷檢測技術(shù)應(yīng)用[J].集成電路應(yīng)用，2024，41（01）：78-79.

[2]高翔.公路鋼橋焊縫超聲波檢測標(biāo)準(zhǔn)研究[D].西安：長安大學(xué)，2012.

[3]焊縫無損檢測 超聲檢測 技術(shù)、檢測等級和評定：GB/T 11345—2023[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2023.11.

[4]鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)：GB 50205—2020[S].北京：中國計劃出版社，2020.8.

[5]公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)：JTG F80/1—2017[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2018.5.

收稿日期：2024-06-20

作者簡介：賀永坤（1989—），男，碩士研究生，工程師，主要從事公路工程橋梁隧道試驗檢測工作。