基于 PAUT 和 TOFD 的橋梁對接焊縫聯合檢測工藝開發(fā)

吳 昊，夏鵬飛，靳 超，彭曄丹，周學輝

（1.中國船級社實業(yè)公司，北京 100006；2.江蘇省交通工程建設局，江蘇 南京 210004）

0 引言

橋梁焊接過程中存在著大量的對接焊縫，包括橋面板頂板，橋塔，鋼箱節(jié)點等位置；同時，超大跨度的斜拉橋意味著橋梁主要結構的尺度都是超出常規(guī)的，如鋼桁梁、斜拉索等位置，其中包括大量厚板（厚度 30 mm 以上）的對接焊縫。

對于此類對接焊縫缺陷，當前常用的無損檢測技術手段包括常規(guī)射線、超聲、磁粉和滲透。而這些常規(guī)技術在對以上類型的焊縫進行檢測時，存在諸如射線曝光時間長、對人體有傷害，超聲工藝復雜等難點。

近些年隨著技術的發(fā)展，以及多學科領域的融合，相控陣超聲（PAUT）、衍射時差技術（TOFD）等數字化新型無損檢測技術不斷應用在各個工業(yè)領域。

近年來在橋梁領域，PAUT 和 TOFD 技術也得到了推廣應用。張華等［1］將超聲相控陣應用在 U 肋角焊縫檢測，鋼箱梁橋 U 肋與橋面板之間由角焊縫連接，連接處由于應力集中，易產生疲勞裂紋，針對此處裂紋的檢測，張華等利用聲束仿真軟件設計了相控陣超聲檢測工藝，并設計加工模擬驗證試塊，在試塊上驗證了工藝的可靠性，現場試驗結果表明，所設計的工藝能夠對 U 肋根部焊縫內缺陷進行有效的檢出和測量。姚蓓等采用超聲相控陣檢測蘇通大橋 U 肋角焊縫［2］，檢測的目標主要針對角焊縫熔深，蘇通大橋的 U 肋為不完全熔透角焊縫，設計要求熔透深度不低于 80 %，并著重指出：對于正交異性橋，U 肋根部由于疲勞載荷產生的向橋面板延申的裂紋，是此類橋梁的主要裂紋所在；根據裂紋位置設計了專用的相控陣檢測工藝，選擇了 5 處重點位置，驗證檢測工藝，共對 8 條焊縫進行了數據采集，通過分布統(tǒng)計表明：大部分熔深程度滿足設計要求，并提出建議：利用 PAUT 技術快速檢測全橋的 U 肋焊縫情況，積累數據，為橋梁養(yǎng)護提供數據支持。周林等［3］對比了 TOFD 和射線檢測技術對橋梁的檢測效果，共進行了 26 組實驗，對比結果顯示，對于橋梁焊縫內部缺陷，TOFD 比射線具有更高的靈敏度和檢出率。李江華［4］參照 NB/T 47013.10-2015《承壓設備無損檢測第 10 部分：衍射時差法超聲檢測》，使用 TOFD 檢測技術對平南三橋焊縫進行了檢測，此標準主要適用于承壓設備，對缺陷的判定較為嚴格，對焊縫中允許存在的缺陷點數和長度有嚴格的限制。在橋梁行業(yè)中使用此標準要求過于嚴格，會產生質量過度控制。JTG/T 3650-2020《公路橋涵施工技術規(guī)范》［5］將 TOFD 和 PAUT 納入了的輔助檢測方法，但并沒有對檢測方法細節(jié)和驗收準則做出具體規(guī)定。

雖然以上兩種技術有常規(guī)無損檢測技術無法比擬的優(yōu)勢，但是也有自身不足。

PAUT 基于超聲脈沖反射原理，因此也會有常規(guī)超聲的一些缺點，如：對于面積型缺陷的靈敏度高于體積型缺陷；對于平行于聲束方向的缺陷靈敏度低等。

TOFD 對于內部缺陷的靈敏度較高，且不受缺陷方向的影響，可以彌補相控陣超聲的不足，但通常會存在上下表面檢測盲區(qū)的問題，如圖 1 所示。

圖1 TOFD 檢測盲區(qū)示意圖

因此，擬開發(fā)適用于橋梁對接焊縫的 T OF D 及 PAUT 聯合檢測工藝，解決大型橋梁建造過程中對接焊縫無損檢測面臨的低效、厚板檢測工藝復雜、不等厚板焊縫檢測難度高、常規(guī)無損檢測數據無法保存和追溯的問題。

1 工藝開發(fā)流程

1.1 設備選型

在制作檢測工藝前，應針對不同厚度的對接焊縫，選擇不同頻率及尺寸的探頭。特種設備標準 NB/T 47013-2015 《承壓設備無損檢測》第 10 部分和第 15 部分分別對 TOFD 和 PAUT 的探頭選型進行了推薦。

其中 TOFD 探頭的選型如表 1 所示，當板厚逐漸增大時，需要選擇較低頻率和較大尺寸的探頭，以增強聲束的穿透能力。

表1 TOFD 探頭的選型標準

PAUT 探頭的選型如表 2 所示，當工件厚度逐漸增大時，需要選擇頻率相對較低的探頭，以提高聲束的穿透性。

表2 PAUT探頭的選型標準

1.2 工藝設置原則

對于 TOFD，工藝關鍵在于兩個探頭的主聲束交點深度。按照 ISO 15626-2018 要求，厚度≤50 mm 時，TOFD 檢測采用 1 對探頭，如圖 2（a）所示；厚度 ＞50 mm 時，TOFD 檢測采用兩對探頭，如圖 2（b）所示，放置在焊縫兩側，覆蓋整個焊縫，推薦設置如表 3 所示。

圖2 TOFD 工藝示意圖

表3 簡單對接接頭的推薦 TOFD 設置

對于 PAUT，可根據 ISO 13588-2019 中規(guī)定的檢測等級進行工藝設置，為了保證焊縫融合線處的危害性缺陷不漏檢，一般將探頭放置在焊縫雙側，調整探頭位置、晶片數量和位置，使用 1 次波和 2 次波覆蓋整個焊縫區(qū)域，如圖 3 所示。

圖3 對接焊縫聯合檢測工藝示意圖

1.3 試塊設計加工要求

聯合檢測作為一種新的無損檢測工藝，在使用前應對工藝進行試塊驗證，試塊的設計應遵循以下幾點。

1）試塊的材料與實際檢測對象一致或近似。

2）試塊的厚度應滿足標準中對于檢測對象的厚度覆蓋要求。

3）試塊的焊接應使用與檢測對象相同的焊接工藝。

3）試塊中缺陷以自然缺陷為主，可通過人工加工或現場切割有自然缺陷的焊縫 2 件。

4）缺陷位置應均勻分別在試塊內部和表面。

5）缺陷長度不宜超過驗收標準中的合格長度。

1.4 試塊數據驗證

在驗證試塊上，使用設置的工藝進行數據采集，將聯合檢測結果與其他方法的效率和檢出率做比較。確定工藝的可靠性。

2 實際數據驗證

2.1 選擇驗證對象

橋梁建造過程中數量最多的是橋面板對接焊縫，厚度在 16～18 mm，因此選取 16 mm 鋼板制作驗證試塊。根據 1.3 中的設計原則，首先設計試板圖紙，如圖 4 所示，最終的試板如圖 5 所示。

圖4 橋面板對接焊縫圖紙（單位：mm）

圖5 橋面板對接焊縫實物圖

2.2 確定具體工藝參數

按照 ISO 15626-2018 標準（檢測等級）設置 TOFD 的 PCS 覆蓋內部，TOFD 聚焦深度為板厚的 2/3，計算得到聚焦深度為 10.67 mm，通過三角函數計算得到 TOFD 探頭間距 PCS=62.89 mm，計算 TOFD 盲區(qū)；PAUT 保證覆蓋焊縫根部以及上表面（補充 TOFD 盲區(qū)）。此部分內容可以通過前處理工藝仿真軟件完成，如圖 6 所示。

圖6 TOFD聚焦處理工藝仿真示意圖

2.3 掃查設備開發(fā)及數據采集

考慮到橋梁對接焊縫的結構特點、空間尺寸、檢測方法和操作工藝等諸多因素，計劃從以下方面進行手動及自動掃查器的研制和開發(fā)工作。

1）兼容性設計。自動掃查裝備能同時搭載一組或多組 TOFD 和 PAUT 探頭，適應多種檢測工藝和方法的現場檢測，能降低成本，快速匹配，實現現場檢測的需求。

3）輕量化結構設計。自動掃查裝備在滿足功能要求的前提下，盡可能選取輕量化材料和簡化設計原則，便于快速安裝拆卸，降低勞動強度。

4）便攜化結構設計。自動掃查裝備盡可能便攜，尺寸緊湊，便于現場檢測人員在不同作業(yè)空間穿梭和高空作業(yè)。

根據以上原則設計加工的聯合檢測掃查器原型如圖 7 所示。

圖7 聯合檢測掃查器原型圖

2.4 結果分析

2.4.1 射線（RT）檢測結果

利用射線（RT）對試塊焊縫進行了檢測，其結果如圖 8 所示。

圖8 射線對試塊檢測結果圖

可發(fā)現其中的兩處缺陷，其位置和長度如表 4 所示。

在高速公路瀝青路面施工過程中，考慮到道路上下層結構的鋪設需要使用不同配比的瀝青材料，所以，上下層瀝青材料的生產過程必須分開進行，為了提高施工效率，可以通過同時運轉2臺攪拌機來生產不同配比的瀝青材料，從而為高速公路瀝青路面的施工提供合格的施工材料，進一步保障高速公路瀝青路面施工的質量。

表4 射線檢測缺陷的位置和長度

2.4.2 衍射視差法（TOFD）檢測結果

TOFD 檢測圖譜如圖 9 所示。

圖9 TOFD 對試塊檢測結果圖

在圖中經過分析可發(fā)現 3 處加工缺陷，缺陷尺寸和位置如表 5 所示。

表5 TOFD 檢測缺陷的位置等信息

2.4.3 相控陣超聲（PAUT）檢測結果

PAUT 檢測圖譜如圖 10 所示。

圖10 PAUT 對試塊檢測結果圖

在圖中經過分析可發(fā)現 2 處缺陷，缺陷尺寸和位置如表 6 所示。

表6 PAUT檢測缺陷的位置等信息

2.4.4 數據匯總分析

將以上檢測數據進行匯總，如表 7 所示。

表7 三種檢測方法結果匯總

得到以下結論。

1）對于缺陷 1，由于其高度小，以及反射面方向問題，導致 PAUT 和 RT 技術沒有發(fā)現，而 TOFD 由于對細小缺陷敏感，因此檢出缺陷 1。

2）對于缺陷 2 和缺陷 3，四種方法都能夠有效檢出。其中 PAUT 可以根據波形及位置對缺陷進行定性，TOFD 由于自身技術特點，無法對缺陷性質進行準確判斷。RT 技術無法確定缺陷深度和自身高度。常規(guī) UT 由于只有一個聲束角度，一般難以測定缺陷自身高度。

2.4.5 效率對比

本次驗證試板的長度為 400 mm，采用聯合檢測的時間為 15 min，檢測效率為 26 mm/min。

采用 UT 的檢測方法所需時間為 20 min，檢測效率為 20 mm/s。聯合檢測效率相對 UT 檢測效率要高出 6 mm/min。且一般情況下 UT 會結合 MT（磁粉）技術，所需時間會更長。

如果檢測對象為厚板，則對于常規(guī)超聲而言，至少需要 2 個不同角度的探頭，效率更低，此時的聯合檢測效率優(yōu)勢更加明顯。

利用 RT 檢測，需要隔離，曝光，顯影等一系列操作，總體時間較長，難以與上述超聲技術比較。

3 結論

1）聯合檢測方案可以精確檢測出對接焊縫中各種類型缺陷。PAUT 與 TOFD 技術可以互補。

2）聯合檢測較常規(guī)無損檢測手段效率較高。尤其是針對厚板焊縫時。

3）聯合檢測方案以聲學成像的方式，其數據可記錄、存儲、調用，配合使用專用判讀軟件，結合人工評判方式進行數據分析，工作量大的情況下可以采用智能分析軟件，滿足自動化檢測需求。Q