鋼箱梁疲勞裂紋特征超聲波檢測方法試驗研究

吉伯海，袁周致遠(yuǎn)，傅中秋，謝發(fā)祥

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鋼箱梁疲勞裂紋特征超聲波檢測方法試驗研究

吉伯海，袁周致遠(yuǎn)，傅中秋，謝發(fā)祥

(河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京，210098)

采用疲勞裂紋標(biāo)準(zhǔn)試件對鋼箱梁疲勞裂紋長度、寬度、深度、傾斜角度及開裂位置等特征進(jìn)行超聲波檢測試驗，研究鋼箱梁疲勞裂紋特征超聲波檢測方法。依據(jù)理論計算和試驗結(jié)果，對比分析每種裂紋檢測波形及回波參數(shù)，提出1/3測長法，給出測長法判斷依據(jù)的理論解，與實際檢測結(jié)果相符合；針對裂紋深度，提出裂紋深度檢測的精度提高的方法；建立裂紋傾斜角度、開裂位置判定計算公式。分析面板與U肋焊縫處不同類型裂紋檢測結(jié)果，給出裂紋距焊趾距離計算公式，并由建立焊趾、焊根、未溶透部位疲勞裂紋判別方法。研究結(jié)果表明：疲勞裂紋特征與回波參數(shù)存在一定的相關(guān)性，疲勞裂紋特征檢測方法具有較好的準(zhǔn)確性。

鋼箱梁; 疲勞；裂紋特征；超聲波檢測

鋼箱梁具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、抗風(fēng)穩(wěn)定性好等優(yōu)點，是大跨度橋梁采用的主要截面形式之一。隨著我國大跨度橋梁建設(shè)服役年限的增加，鋼箱梁病害亦逐步呈現(xiàn)，其中以疲勞最為嚴(yán)重[1?2]。在車輛荷載的反復(fù)作用下，鋼箱梁焊接缺陷、應(yīng)力集中部位極易產(chǎn)生疲勞裂紋[3]，危害大，會降低鋼箱梁的使用壽命，若不及時進(jìn)行檢測和修復(fù)，影響橋梁的正常運營，嚴(yán)重時會導(dǎo)致橋梁倒塌事故。針對疲勞裂紋的檢測通常分為有損和無損2種方法，而無損檢測[4]是現(xiàn)在最為常用的一種。常規(guī)的無損檢測方法有滲透檢測、磁粉檢測、渦流檢測、射線檢測及超聲波檢測，其中滲透、磁粉只能夠檢測表面裂紋，但檢測范圍大、速度快；渦流和射線檢測技術(shù)難以適應(yīng)復(fù)雜的現(xiàn)場檢測環(huán)境；超聲波檢測[5?6]的特點在于其能夠檢測到內(nèi)部的裂紋，與滲透和磁粉檢測相比具有更大的靈活性。針對鋼箱梁疲勞裂紋的檢測，近幾年相關(guān)學(xué)者開展了一些研究，提出了基于電磁檢測原理[7]和電阻法原理[8]的疲勞裂紋檢測技術(shù)以及利用X線，研究裂紋斷面的3D擴(kuò)展規(guī)律[9]。通過超聲波對表面裂紋的檢測，對金屬的疲勞失效進(jìn)行了評估[10]；采用聲發(fā)射或超聲波檢測技術(shù)對疲勞裂紋的擴(kuò)展進(jìn)行動態(tài)檢測[11?14]及對焊縫附近進(jìn)行自動化探傷[15]。總的來說，超聲波檢測技術(shù)已在鋼箱梁疲勞裂紋檢測中得到應(yīng)用，但現(xiàn)場檢測時，檢測人員對鋼箱梁疲勞裂紋特征認(rèn)識不足，忽略對裂紋的深度、傾斜角度以及特殊部位隱蔽裂紋的檢測，沒有形成系統(tǒng)的鋼箱梁疲勞裂紋超聲波檢測方法，導(dǎo)致疲勞裂紋修復(fù)不完善，殘留裂紋缺陷，產(chǎn)生二次萌生。因此，本文作者針對鋼箱梁疲勞裂紋的不同特征，制作了相關(guān)裂紋標(biāo)準(zhǔn)試件，研究了鋼箱梁疲勞裂紋特征超聲波檢測方法，建立了疲勞裂紋長度、深度、傾斜角度、開裂位置的系統(tǒng)的檢測方法，為疲勞裂紋修復(fù)方案的制定提供科學(xué)有效的參考。

1 實驗設(shè)計

1.1 試件

試件材料為Q345q，采用CO2保護(hù)焊進(jìn)行焊接，焊縫高度f=8.0 mm，針對鋼箱梁U肋與面板焊接構(gòu)造細(xì)節(jié)(圖1)，制作了人工裂紋標(biāo)準(zhǔn)試件，對該部位焊縫的6種不同疲勞裂紋開裂形式進(jìn)行模擬(圖2)。裂紋采用電火花線切割加工，綜合考慮了裂紋的長度、深度、寬度、傾斜角度及位置等特征[3]見圖3所示。表1所示為試驗設(shè)計的主要裂紋參數(shù)，包括裂紋寬度(0.10，0.15和0.20 mm)、裂紋深度(4，6，8和12 mm)、裂紋長度(15，30和40 mm)、裂紋角度(0°，30°和45°)及板厚(6和12 mm)。

圖1 鋼箱梁U肋與面板連接焊縫構(gòu)造

1~6為裂紋位置

圖3 裂紋特征示意圖

表1 裂紋設(shè)計參數(shù)

Table 1 Crack parameters

注：CW型裂紋的最后一位數(shù)字標(biāo)號代表圖2中的具體位置編號。

1.2 儀器

采用SH610數(shù)字超聲波探傷儀，研究鋼箱梁疲勞裂紋特征的超聲波檢測方法。試驗中使用的探頭為 4P8×12 K2.5斜探頭，耦合劑為CG?98型超聲波耦合劑。在探頭使用前，先在標(biāo)準(zhǔn)試塊上對探頭性能進(jìn)行測定和校準(zhǔn)，得到探頭前沿為9.0 mm，斜探頭為2.5，聲束偏斜角為1°，靈敏度余量64 dB。

2 裂紋特征檢測結(jié)果分析

對人工裂紋進(jìn)行檢測時缺陷回波波形呈現(xiàn)明顯的單峰，反射率高；前后、左右移動探頭或轉(zhuǎn)動探頭，回波高度比例發(fā)生改變。裂紋尖端回波高度比例最高，聲波越過尖端后回波高度比例迅速下降。

2.1 裂紋長度

采用絕對靈敏度法[2]對人工裂紋進(jìn)行測長，假設(shè)為入射聲壓，B為返回聲壓，則將超聲波探頭中心(聲束軸線)對準(zhǔn)裂紋邊緣時，聲波傳遞情況如圖4所示。

圖4 超聲波在裂紋邊緣反射情況

返回聲壓B的計算公式為

B=B1+B2(1)

其中，B1=/8，B2=/4，把兩者相加得到：

B=B1+B2=3/8 (2)

從理論推導(dǎo)中可以得到裂紋邊緣的返回聲壓為入射聲壓的3/8。而探頭在裂紋內(nèi)部的返回聲壓可根據(jù)幾何規(guī)則體的回波聲壓計算公式[16]進(jìn)行近似處理，這里為B=。由于超聲波檢測中返回聲壓B與回波高度比例呈正比，即B′/PB″=′/″，所以，超聲波在裂紋邊緣檢測時其回波高度比例比裂紋內(nèi)部回波高度比例低3/8。

對裂紋CP-111-11，CP-112-11和CP-113-11進(jìn)行超聲波測長試驗，尋找到缺陷最高回波，調(diào)節(jié)靈敏度，使最高回波高度比例穩(wěn)定在70%左右，記錄邊緣回波高度比例，得到如圖5所示裂紋不同位置回波高度比例曲線。

圖5 裂紋不同位置回波高度比例曲線

從圖5可以看出：探頭位于裂紋中間時的回波高度比例最高，向兩邊移動時回波高度比例迅速下降，直到裂紋邊緣回波高度比例達(dá)到最低，越過裂紋邊緣后，回波消失。最高回波和最低回波的高度相差約1/3，試驗結(jié)果符合理論計算結(jié)果，為應(yīng)用方便，這里近似取為1/3作為裂紋邊緣的判斷基準(zhǔn)。

對裂紋CW-111-2和CW-111-3進(jìn)行測長實驗，結(jié)果見表2。從表2可見：通過1/3測長法判斷裂紋邊緣位置，并測量裂紋有效長度方法可行，測量相對誤差小于5%，具有較高準(zhǔn)確度，對表面裂紋和隱蔽裂紋都具有較好的適用性。

表2 焊縫處裂紋測長結(jié)果

Table 2 Results of crack length measurement

2.2 裂紋寬度

超聲波測量缺陷大小通常采用當(dāng)量法，將缺陷大小轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的平底孔孔徑。在相同靈敏度下根據(jù)缺陷回波的差異，可計算出缺陷大小。在疲勞裂紋尖端處，可近似當(dāng)作橫孔，其返回聲壓計算公式如下：

式中：為水平距離。

測量不同寬度(裂紋CP-122-11，CP-222-11，CP-322-11)的3種裂紋的回波高度比例，將裂紋CP-122-11的回波聲壓作為基準(zhǔn)入射聲壓，則由式(4)計算得到3種裂紋的當(dāng)量，結(jié)果見表3。

表3 裂紋當(dāng)量計算結(jié)果

Table 3 Results of crack equivalent calculation

3種裂紋的當(dāng)量比為1.0:1.6:2.2，與3種裂紋寬度比1.0:1.5:2.0近似，說明超聲波檢測中可通過當(dāng)量法來定性區(qū)分缺陷大小，但對裂紋寬度進(jìn)行定量檢測還存在一定局限性。

2.3 裂紋深度及水平位置

根據(jù)缺陷回波的聲程、指示深度和指示水平距離(，，由儀器給出)，可以對裂紋深度和水平位置進(jìn)行檢測。如圖6所示為針對同一裂紋分別采用直射法和一次反射法進(jìn)行檢測的缺陷回波。從圖6可以看出：直射法產(chǎn)生的缺陷回波距離比一次反射法的近，并且回波高度比例較高，具有缺陷判別能力，因此宜優(yōu)先采用直射法進(jìn)行疲勞裂紋檢測。

(a) 直射法缺陷回波；(b) 一次反射法缺陷回波

從人工標(biāo)準(zhǔn)試件中選擇不同深度的裂紋進(jìn)行試驗，分別采用直射法和一次反射法進(jìn)行檢測，結(jié)果如表4所示。由表4可知：直射法測量得到的裂紋深度比實際深度偏大，而一次反射法測得的裂紋深度偏小。這是由于超聲波聲束有一定的擴(kuò)散角，裂紋的最高回波未必是裂紋尖端。并且超聲波探頭存在一定的近場區(qū)，直射法的檢測精度比一次反射法的低。將直射法和一次反射法檢測結(jié)果取平均值，其相對誤差接近0，檢測結(jié)果與實際吻合良好。因此，在探傷條件允許(可分別進(jìn)行直射和一次反射法)的前提下，宜取兩者結(jié)果的平均值作為裂紋的實際深度；在探索條件不允許(無法進(jìn)行直射法)時，宜采取一次反射法，其檢測結(jié)果偏小。

表4 直射法和一次反射法檢測結(jié)果

Table 4 Detection results of single and double traverse technique

2.4 裂紋角度

實際疲勞裂紋開裂時沿板厚方向呈一定角度擴(kuò)展，并非完全垂直于表面，因此對疲勞裂紋角度的測量十分重要。圖7所示為疲勞裂紋角度測量的幾何方法。圖7中：為探頭前端距裂紋開口距離；為探頭前沿；為裂紋水平投影長度；1和2分別為探頭在裂紋尖端和裂紋開口時的指示水平距離；1和2分別為探頭在裂紋尖端和裂紋開口時的指示深度。

(a) 可見裂紋角度判定方法；(b) 隱蔽裂紋角度判定方法

對于可見裂紋，計算公式如下：

對于隱蔽裂紋，計算公式如下：

選取人工裂紋標(biāo)準(zhǔn)試件中不同傾斜角度的裂紋進(jìn)行超聲波角度檢測試驗，結(jié)果見表5。

表5 裂紋角度超聲判定結(jié)果

Table 5 Results of crack angel under ultrasonic testing

從表5可以看到：裂紋CP-122-11，CP-122-21，CP-142-21和CP-142-22的傾斜角度計算結(jié)果與實際值接近，兩者相差在10°以內(nèi)，具有較好的精度；而裂紋CP-122-31由于裂紋傾斜角度較大，聲束難以在裂紋尖端形成良好的反射，缺陷最高回波未必在裂紋尖端，并且裂紋CP-122-31垂直深度較小，處在探頭近場區(qū)內(nèi)，檢測精度較低，導(dǎo)致測量誤差較大。

3 開裂位置檢測結(jié)果分析

3.1 檢測方法

U肋與面板部位易產(chǎn)生疲勞裂紋，且裂紋種類較多[5]。利用開裂標(biāo)準(zhǔn)試件及現(xiàn)場檢測試驗，采用直射法或一次反射法對人工裂紋進(jìn)行檢測試驗研究，分析得到了如圖8所示的不同種類裂紋的檢測方法。

(a) 裂紋1；(b) 裂紋2；(c) 裂紋3；(d) 裂紋4；(e) 裂紋5；(f) 裂紋6

裂紋1，2和3的開裂方向較垂直，采用直射法或一次反射法，位置如探頭1，2；裂紋4，5的開裂方向接近水平，從面板處檢測時無回波產(chǎn)生，只能從U肋處采用一次反射法檢測，位置如探頭1；裂紋6相對于U肋其垂直性較好，采用直射法，位置如探頭1。采用上述檢測方法，測量了人工裂紋的具體參數(shù)，建立如圖9所示的聲波水平距離和聲程相互關(guān)系。

圖9 裂紋回波參數(shù)點陣圖

從圖9可以看出：裂紋1，2，3的回波參數(shù)點接近，說明三者回波參數(shù)值近似，并且該3種裂紋所采用的檢測方法相同，起裂位置相近，無法直接區(qū)分，需進(jìn)一步研究分析；裂紋4，5，6的點陣較分散，其中裂紋4于面板焊趾處起裂，與另外2種裂紋存在明顯區(qū)別，容易判別區(qū)分。

3.2 開裂位置判別分析

針對上述裂紋1，2，3的檢測結(jié)果分析，提出了3種裂紋開裂位置判別具體方法：通過測量探頭前端與焊趾距離，來計算裂紋與焊趾距離并與f進(jìn)行比較，見圖10。當(dāng)＞f時，為裂紋3；當(dāng)≈f時，為裂紋2；當(dāng)＜f，且焊趾處有明顯的缺口，可判定為裂紋1。

圖10 裂紋位置判定

圖10中，計算公式為

=??(8)

試驗中針對每條被測焊縫，分別測量f，根據(jù)式(8)計算。表5給出了焊縫處開裂標(biāo)準(zhǔn)試件裂紋1(未溶透部位)、裂紋2(焊跟處)、裂紋3(焊趾處)的超聲波檢測結(jié)果及f。

由表6可知：焊趾處計算的都比實際f小，焊跟處普遍與f接近，而未溶透部位的都大于f。其中裂紋測量得到的CW-212-2的不滿足上述規(guī)律，可能是超聲波檢測中對缺陷波主觀判斷錯誤所致。

表6 面板內(nèi)部裂紋位置判定實驗結(jié)果

Table 6 Results of crack position judgment

注：試驗中探頭前沿=9 mm。

4 結(jié)論

1) 提出了鋼箱梁疲勞裂紋超聲波檢測的1/3測長法，并進(jìn)行了理論分析。通過1/3測長法確定裂紋的邊緣位置，從而得到裂紋長度。

2) 裂紋寬度跟回波高度比例存在相關(guān)性，采用當(dāng)量法可以定性地判斷裂紋寬度。直射法檢測的裂紋深度相對偏大，一次反射法的偏??；宜將兩者檢測值取平均，作為裂紋實際深度。

3) 建立了裂紋傾斜角度計算方法和公式，試驗表明裂紋垂直性好，深度大，角度檢測準(zhǔn)確。

4) 針對U肋與面板焊接構(gòu)造中沿面板方向擴(kuò)展的3種裂紋，提出了具體位置判別的法；試驗表明法具有良好的判別效果。

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(編輯 趙俊)

Fatigue crack features in steel box girder by ultrasonic testing

JI Bohai, YUANZHOU Zhiyuan, FU Zhongqiu, XIE Faxiang

(College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

The fatigue crack features of length, width, depth, angle and location were studied in steel box girder by ultrasonic testing (UT). Standard specimens were made with some artificial cracks. According to the detecting results, each kind of cracks flew echo waveform and its parameters were analyzed. 1/3 length measurement method was put forward and verified by theoretical calculation and experimental result. The detection precision, for crack depth, was improved and formulation to calculate crack angle and position was established. Though analysis of detection results on different crack types in weld part of U-rib and deck, K value (distance between crack and weld toe) method was given out, which can distinguish these fatigue cracks that start from weld toe, weld root and undissolved part. The results show that the crack feature has some relative with echo parameter. The detection method of fatigue crack features is accurate.

steel box girder; fatigue; crack features; ultrasonic testing

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.06.028

U441.4

A

1672?7207(2016)06?2023?07

2015?06?02；

2015?09?23

國家自然科學(xué)基金資助項目(51278166)；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金資助項目(20120094110009)；江蘇省交通科學(xué)研究計劃項目(2011Y09-1，2012Y12)(Project(51278166) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (20120094110009) supported by the Research Funds for the Doctoral Program of Higher Education of China; Projects(2011Y09-1, 2012Y12) supported by the Transport Science Research Project of Jiangsu Province)

吉伯海，博士，教授，從事鋼橋維護(hù)的研究；E-mail：hhbhji@163.com