無損檢測新技術(shù)的分析及其在鋼結(jié)構(gòu)橋梁中應(yīng)用的研究

梁啟亮

[摘要]本文詳細(xì)介紹了鋼結(jié)構(gòu)橋梁中常用的五種常規(guī)無損檢測新技術(shù)，重點(diǎn)分析各個(gè)檢測技術(shù)的優(yōu)最與缺點(diǎn)，并探討了各自的應(yīng)用范圍，最后對各自在鋼結(jié)構(gòu)橋梁中的應(yīng)用加以總結(jié)，以供有關(guān)人士參考。

[關(guān)鍵詞]無損檢測；鋼結(jié)構(gòu)；橋梁；新技術(shù)

橋梁鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，然而，也有在重點(diǎn)項(xiàng)目中發(fā)生嚴(yán)重質(zhì)量事故的情況，橋梁鋼結(jié)構(gòu)的可靠性與安全性越來越受到關(guān)注，其主要是來源于設(shè)計(jì)，其質(zhì)量與加工制作、現(xiàn)場安裝、原材料等息息相關(guān)。需要特別注意的是焊接質(zhì)量，尤其嚴(yán)格遵守相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在整個(gè)加工制作與安裝現(xiàn)場的過程中必須要非常警惕，以不損傷被檢測對象的條件下，應(yīng)用先進(jìn)的物理或者化學(xué)方法，同時(shí)結(jié)合目前的設(shè)備器材與技術(shù)，檢查和測試對象的表面結(jié)構(gòu)、狀態(tài)及內(nèi)部的缺陷。

1.無損檢測技術(shù)概述

無損檢測技術(shù)主要目的是為了保障使用過程中的安全、降低生產(chǎn)成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量、改進(jìn)制造工藝等，橋梁鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較廣泛的有五種常規(guī)無損檢測技術(shù)，現(xiàn)對其逐個(gè)介紹。

（1）射線檢測。射線檢測技術(shù)早在二十世紀(jì)三十年代初期就已經(jīng)在工業(yè)產(chǎn)品檢驗(yàn)中廣泛應(yīng)用了，現(xiàn)已發(fā)展為較為成熟的一種無損檢測技術(shù)。目前，射線檢測應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，包括機(jī)械、航天、石油、電子等。線強(qiáng)度會(huì)發(fā)生不同程度的衰減，當(dāng)其穿過物體時(shí)，而其衰減的程度與穿過物體的物理、化學(xué)性質(zhì)相關(guān)。假若物體內(nèi)部存在一定的缺陷，就會(huì)對射線產(chǎn)生衰減作用，將會(huì)導(dǎo)致無缺陷區(qū)域與有缺陷缺陷區(qū)域產(chǎn)生差異，只要采用相關(guān)技術(shù)檢測這種差異，就可以判斷出缺陷的程度。射線檢測的方式多種多樣，主要有三種：x射線照相；y射線照相；中子射線照相。在橋梁結(jié)構(gòu)中，x射線應(yīng)用相對較多。射線檢測在所有的材料中都可使用，底片可以記錄缺陷的圖像，可以精確定性，并且長期保存。但是，鋼板、鍛件、鋼管中一般不用射線檢測，射線檢測也應(yīng)用于焊接接頭的檢測，不過其檢測效率不高，成本很高。其優(yōu)點(diǎn)為無損性，簡單方便實(shí)用，具有其他檢測手段無可比擬的優(yōu)勢，并且應(yīng)用范圍廣闊，底片可長期保存，方便日后用于相關(guān)事故的分析，可以清晰地顯示直觀圖像等。但是，其也有一定的弊端，射線檢測對人體有一定程度的損傷，有不良反應(yīng)，也會(huì)對環(huán)境造成一定的污染；用于顯示圖像的特殊液體不易回收，對環(huán)境產(chǎn)生較大的污染，必須要采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施。

（2）滲透檢測。一般而言，針對非多孔材料表面尺寸相對較小、目視難以辨別的缺陷，可以采用滲透檢測技術(shù)。滲透檢測的過程為采用滲透劑對檢測對象進(jìn)行滲透，滲透劑可以進(jìn)入材料的缺陷內(nèi)部，然后將表面多余的滲透劑清除干凈，并且對試件進(jìn)行干燥處理，同時(shí)添加一定的顯象劑，而顯象劑在毛細(xì)現(xiàn)象的作用下會(huì)吸附缺陷內(nèi)部的滲透劑，通過光源可以在缺陷部位顯示滲透劑的痕跡，進(jìn)而判斷出缺陷的形貌特征。滲透技術(shù)有許多優(yōu)點(diǎn)，例如檢測靈敏度相對較高、檢測技術(shù)操作簡單、直觀顯示。滲透檢測只能用于工件表面缺陷的檢測，對試件的光潔度與檢測人員的視力有著非常高的要求。

（3）渦流檢測。鋼鐵、石墨、有色金屬等導(dǎo)電特性的材料一般采用渦流檢測技術(shù)，其可以檢測這些材料的表面及近表面的缺陷結(jié)構(gòu)。渦流檢測技術(shù)的過程為：在導(dǎo)電體附近放置通有交流電的線圈，此時(shí)線圈附近將會(huì)產(chǎn)生交變的磁場進(jìn)而感應(yīng)導(dǎo)電體產(chǎn)生渦流，而渦流的物理特性與導(dǎo)電體內(nèi)的缺陷息息相關(guān)，可以利用渦流的這種差異性來檢測出材料表面及近表面的缺陷結(jié)構(gòu)特征。渦流檢測的優(yōu)點(diǎn)為：檢測成本相對較低，檢測速度快，操作相對簡單。然而，渦流檢測只能適用于導(dǎo)電體，針對形狀復(fù)雜的試件很難應(yīng)用，其還受到滲透深度的限制，故只能對薄壁試件進(jìn)行檢測。

（4）超聲波檢測。超聲波檢測技術(shù)是應(yīng)用較為廣泛的一項(xiàng)檢測技術(shù)，其原理為超聲波對材料內(nèi)部缺陷中傳播的基本物理特性發(fā)生改變，其頻率范圍一般在0.626MHz。超聲波檢測的基本流程為：將超聲波以特定的方式引入到被檢測對象中，或者誘導(dǎo)被檢測對象自身產(chǎn)生一定的超聲波；進(jìn)一步，超聲波在被檢測對象內(nèi)部傳播時(shí)會(huì)發(fā)生變化，會(huì)誘導(dǎo)其傳播方向或者速度等方面的變化；其次，發(fā)生改變的超聲波被檢測工具捕捉到，并且顯示出來；最后，檢測設(shè)備對超聲波進(jìn)行特征分析，判別出材料內(nèi)部的缺陷結(jié)構(gòu)特征。當(dāng)然如果采用表面波對金屬表面進(jìn)行檢測，一般需要進(jìn)行專業(yè)的培訓(xùn)才可以進(jìn)行操作和檢測結(jié)果的評判。軸的表面波檢測通常只可以檢測表面缺陷，例如軋輥離始波越遠(yuǎn)，體現(xiàn)在超聲波探傷儀上的屏幕上就是聲程大小（距離始波的距離）。橋梁鋼結(jié)構(gòu)中，超聲波檢測技術(shù)應(yīng)用廣泛，其檢測成本較低，效率極高，能夠?qū)Σ牧蟽?nèi)部缺陷進(jìn)行精確定位；但是其檢測結(jié)果通常會(huì)有一定的誤差，對檢測人員的檢測水平要求較高。

（5）磁粉檢測。磁粉檢測技術(shù)通常只針對于橋梁鋼結(jié)構(gòu)中的鐵磁性材料，并且只能檢測其表面及近表面的缺陷。在外加磁場的作用下，鐵磁性材料工件被磁化后產(chǎn)生磁場，假若試件的表面及近表面存在一定缺陷，產(chǎn)生的磁場就會(huì)發(fā)生漏磁，吸附工件表面的磁粉，在特定光源的照射下會(huì)形成可見的磁痕，顯示出相應(yīng)的不連續(xù)性特征。磁粉檢測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為：使用方便、檢測結(jié)果直觀、成本較低、檢測效率高。

2.鋼結(jié)構(gòu)橋梁中的檢測內(nèi)容

橋梁鋼結(jié)構(gòu)的受損狀況，一般主要是指各個(gè)相關(guān)結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)材料是否產(chǎn)生相關(guān)缺陷的程度，它對于橋梁的狀態(tài)，是判斷其好壞的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

（1）檢驗(yàn)橋梁鋼結(jié)構(gòu)表面涂層狀況。主要查看油漆圖層的完整程度，特別要注意是否存在剝落、銹斑、起皮等現(xiàn)象；尤其是要檢查積水、不透風(fēng)的地方。假若存在銹蝕比較嚴(yán)重的區(qū)域，此時(shí)需要檢測鋼板的剩余厚度，分析其斷面尺寸對相關(guān)結(jié)構(gòu)是否造成影響。

（2）檢驗(yàn)鋼結(jié)構(gòu)中缺陷情況。檢查鋼結(jié)構(gòu)中是否存在裂紋、硬傷、穿孑L等缺陷。特別是需要結(jié)構(gòu)連接處的位置，結(jié)構(gòu)受損往往會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的使用壽命嚴(yán)重下降，威脅整體的安全性。

（3）檢驗(yàn)焊縫。橋梁鋼結(jié)構(gòu)的連接方式多種多樣，但其中最為常見的為焊接接頭，焊接接頭質(zhì)量的好壞直接關(guān)系鋼結(jié)構(gòu)的安全程度，對整個(gè)橋梁鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。要特別檢查大環(huán)形焊縫，也就是位于一個(gè)截面內(nèi)底板周圍的焊縫，以及u形肋的焊縫。

（4）檢查鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的平直度。要嚴(yán)格控制承重桿的彎曲矢度，將其限制在相關(guān)桿件的長度千分之一，而拉桿的彎曲矢度必須控制桿件長度千分之二，假若大于相應(yīng)數(shù)值，必須要考慮其彎曲程度對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

（5）查看鉚釘頭。主要檢測鉚釘頭的銹蝕情況，以及松動(dòng)狀況。針對高強(qiáng)度的螺栓，主要查看其是否斷裂，完整程度如何，以及松動(dòng)情況；必須嚴(yán)格限制相關(guān)節(jié)點(diǎn)滑移引起的拱度變化；檢測銹蝕的影響，判斷是否對摩擦力造成一定的降低，假若影響嚴(yán)重，則要及時(shí)采取相關(guān)措施進(jìn)行防止。

3.無損檢測新技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)橋梁中的應(yīng)用

3.1無損檢測技術(shù)的應(yīng)用

無損檢測技術(shù)，它包括Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ四個(gè)等級。無損檢測人員能力分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ級。Ⅰ級主要是從事初級無損檢測工作，Ⅱ級人員出具檢測報(bào)告和無損檢測工藝的編制，Ⅲ級人員是最高級別，主要負(fù)責(zé)無損檢測工藝的編制、報(bào)告的審核、無損檢測系統(tǒng)的建立等。橋梁鋼結(jié)構(gòu)的連接方式多種多樣，但其中最為常見的為焊接接頭，焊接接頭質(zhì)量的好壞直接關(guān)系鋼結(jié)構(gòu)的安全程度，對整個(gè)橋梁鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。在焊接接頭的過程中，往往由于人為因素或者系統(tǒng)誤差等相關(guān)因素造成不同程度的缺陷。產(chǎn)生的缺陷類型多種多樣，但總體來說主要有兩種，即表面缺陷與內(nèi)部缺陷。表面氣孔、咬邊等都屬于表面缺陷；而氣孔、裂紋、未焊透等則屬于內(nèi)部缺陷。超聲波檢測技術(shù)檢測橋梁鋼結(jié)構(gòu)中的多個(gè)部位，其中最重要的便是檢測焊接接頭的質(zhì)量。也可以采用射線檢測，對缺陷進(jìn)行定量化分析。

3.2無損檢測技術(shù)仿真分析

近年來，法國、瑞典與美國是世界上首先開展無損檢測技術(shù)模擬方面的研究，現(xiàn)階段國內(nèi)運(yùn)用較多的軟件為法國開發(fā)的CIVA，瑞典的sim2SUNDT，以及加拿大開發(fā)的Imagine3D，還有美國的UT2Sim，Virtu2al NDE，Wave3000 Pro等?，F(xiàn)階段商用比較廣泛的為法國的CIVA軟件。該軟件是由法國原子能委員會(huì)開發(fā)的，可以對多種檢測技術(shù)數(shù)值方針，并且運(yùn)用較短的時(shí)間就可以將缺陷特征仿真出來，滿足工業(yè)上的需求。該軟件可以對檢測技術(shù)的優(yōu)化提供幫助，檢驗(yàn)檢測技術(shù)的能力。仿真軟件的兩項(xiàng)主要功能為超聲檢測聲場計(jì)算及模擬和各類缺陷與超生長之間的相互作用模擬。其中，超聲檢測聲場模擬是由于被檢測對象在幾何形狀上多種多樣，這樣就導(dǎo)致了探頭只能在特定的區(qū)域內(nèi)檢測，受到了一定限制，此時(shí)就需要我們對相關(guān)檢測區(qū)域進(jìn)行仿真與模擬，從而達(dá)到優(yōu)化缺陷的目的。而各類缺陷與超聲場之間的相互作用被模擬后，可以在被檢測對象內(nèi)部任意位置設(shè)置不同類型的缺陷，進(jìn)而對缺陷反映的各項(xiàng)信號進(jìn)行分析，為現(xiàn)場實(shí)際提供一定的參考價(jià)值。

4.結(jié)語

綜上所述，各個(gè)檢測技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，各不相同。必須要結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際條檢測，同時(shí)考慮被檢測對象的特征與結(jié)構(gòu)整體的性能，科學(xué)合理地選擇具有針對性的無損檢測手段。其可靠性與安全性與人民群眾的生活密切相關(guān)，無損檢測技術(shù)能夠?qū)ζ溥M(jìn)行檢測與評估，是保證其安全的重要手段之一。除了上述介紹的檢測技術(shù)外，會(huì)發(fā)展出更加先進(jìn)更加精確的無損檢測技術(shù)。隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，它們會(huì)為推動(dòng)檢測技術(shù)的進(jìn)步而貢獻(xiàn)力量。