土木工程中鋼結構無損檢測技術及其應用

曹立人

無損檢測技術在土木工程中的應用具有重要意義，它主要包括超聲波法、回彈法以及雷達檢測法等。其中，鋼結構的無損檢測大多選擇超聲波探傷技術，該技術是通過發(fā)射聲波，在構件檢測表面的耦合劑中傳播，接收反射波與質量合格的鋼結構聲波進行對比，從而判斷鋼結構是否出現(xiàn)裂縫與焊縫質量問題等。因此，在土木工程無損檢測技術的應用研究中，應重點關注超聲波檢測法及其在鋼結構探傷中的應用。

1 土木工程中開展鋼結構無損檢測的目的

1.1 保證土木工程的施工質量

目前，我國土木工程領域中鋼結構的應用較為廣泛，為了方便施工，多是在施工現(xiàn)場通過焊接、螺栓等方式連接或固定鋼結構。在此過程中，由于是手工焊接工藝，很容易因操作不當、施焊環(huán)境不滿足要求而出現(xiàn)縫隙、損傷等問題。由此可見，應用無損檢測技術對土木工程中的鋼結構焊縫進行探傷檢測，十分重要且必要。在鋼結構工程無損探傷過程中，要根據(jù)不同的類型和結構元件選擇不同的無損檢測技術，適時排查缺陷，展開焊縫質量檢查，從而排除相關因素對工程實體的影響與干擾。從實際工程效果來看，應用無損檢測技術檢測鋼結構焊縫的質量，能夠切實提升土木工程的施工質量，提高鋼結構工程的焊接技術水平[1]。

1.2 促進鋼結構工程的可持續(xù)發(fā)展

土木工程鋼結構中使用超聲波、磁粉、滲透及射線等無損檢測技術，可以在一定程度上提高工程效益。第一，不同的損傷檢測技術有各自的特點和優(yōu)勢，方便監(jiān)理或技術人員針對不同材質、不同部位和不同結構選擇合適的無損檢測技術，以最低的成本完成土木工程結構的損傷診斷和管理工作，進一步提高土木工程的經(jīng)濟效益。第二，無損檢測技術在土木工程中的應用，能夠提高工程施工的安全性，保證工程的使用壽命等，進而促進鋼結構工程的可持續(xù)發(fā)展。

2 土木工程中鋼結構超聲波探傷識別技術原理

超聲波無損探測技術原理是利用所檢測物體的超聲波形與鋼標準塊的超聲波標準曲線進行對比，從而檢測出被檢測對象可能存在的氣孔、夾渣及裂紋等缺陷，若出現(xiàn)反射回波異常的情況，則說明鋼結構中存在焊縫空間異常的情況。

2.1 點狀非金屬夾雜物反射波特征

鋼結構中如果存在點狀氣孔或非金屬夾渣等，超聲波形中就會出現(xiàn)波峰較圓鈍或波形間有1 ～2個低矮波峰的缺陷波，該缺陷波的根部較寬，探頭稍作移動缺陷波就會立刻消失，而且改變探頭方向探測時獲得缺陷波的形狀也各不相同。對于條狀夾雜物，探頭平行移動時，缺陷波會連續(xù)移動；或者在一定長度范圍內(nèi)，波峰連續(xù)波動但缺陷波不會消失。當焊縫內(nèi)存在大量點狀分布的夾渣時，超聲波檢測所產(chǎn)生的波形峰值就會此起彼落，波形雜亂無章，并出現(xiàn)各種不規(guī)則的連續(xù)異變[2]。

2.2 氣孔反射波特征

氣孔反射波一般具有尖銳、陡峭和波根清晰的特點，當探頭圍繞該缺陷旋轉移動時，均能探測到缺陷波；當超聲波探頭沿平行焊縫方向移動時，單個氣孔及針狀氣孔的缺陷波很快就會消失，連續(xù)氣孔則不斷出現(xiàn)缺陷波，密集型氣孔會出現(xiàn)多個此起彼伏的缺陷波；當探頭向焊縫的方向移動時，氣孔缺陷波會瞬間消失，但針狀氣孔除外。

2.3 未焊透與未熔合缺陷反射波特征

缺陷波很高，尖銳、陡峭、波根清晰，當探頭沿焊縫平行移動時，在較大范圍內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)缺陷波且在屏幕同一位置上，幅度變化不大；若未焊透深淺不一時，波幅會發(fā)生一定變化，但變化不大。當探頭沿焊縫垂直移動時，缺陷波消失的快慢取決于未焊透的深度。當探頭做環(huán)繞移動時，缺陷波降低，最后消失。未焊透的情況一般出現(xiàn)在焊縫底部，深度接近板材厚度；未熔合一般出現(xiàn)在焊縫和母材交界的位置。

2.4 裂紋缺陷反射波特征

只有波束和其長度方向垂直時才能探測到裂紋，缺陷波形明顯、尖銳、波峰陡峭。探頭平行移動時，波形在熒光屏上隨裂紋的方向、曲折程度而變化，探頭移動一定的距離后才逐漸減小，直至消失[3]。

3 土木工程鋼結構探傷中超聲波檢測技術的應用要求

超聲波檢測法適用于長距離檢測，距離越長傳回的聲波就會越微弱。在檢測過程中，當超聲波到達材料時會發(fā)生散射及反射，其結果能夠反映出檢測對象是否存在缺陷以及檢測對象的厚度。不僅如此，該技術還具有內(nèi)部缺陷檢測結果精準、對鋼結構損傷小、對人體基本無害、不存在類似射線探傷檢測的安全隱患以及便于操作等優(yōu)點，但會受到介質密度、聲速等眾多因素影響，因此在實踐應用中需要格外注意這些問題。該技術應用的具體要求主要包括以下幾個方面。

3.1 做好焊前準備工作

在對鋼結構構件焊接實施探傷檢查前，技術人員要先熟悉構造圖，了解被檢查鋼結構構件的材料、厚度、曲率、坡口形式以及焊接等級等實際情況后，再根據(jù)鋼結構類型及元件等特點，選擇合適的探頭。同時，要對被檢測的鋼結構構件焊縫兩側進行預處理，常見的有拋光、打磨等，待鋼結構表面露出金屬光澤且滿足檢測條件后，按照專業(yè)規(guī)定選擇略大于2.5 倍K 值和母材厚度的乘積作為打磨寬度。打磨好后進行核驗，合格后開展超聲波檢測作業(yè)。

3.2 科學選擇探測面與探頭

探頭是一個可逆的聲電轉換器件，在檢測過程中具有同時發(fā)出和接收高頻脈沖彈性信號的功能。探測器構造主要包含壓電傳感晶片、制音片、殼體、陰極、防護膜（斜鍥）以及調諧線圈；探測器類型包含直探頭（聚焦直探測器、單晶片、雙晶片）、斜探頭（具有表面波探測器、橫波探頭）。由于鋼結構缺陷具有多樣化及不確定性，因此需要依據(jù)實際缺陷狀況和焊縫種類來選定檢測面與探頭。例如，在選用探頭時，應根據(jù)鋼結構焊接工藝、造型特征以及有可能出現(xiàn)缺陷的部位正確選用探測器；在選用檢測面時，應根據(jù)焊接特點和缺陷可能擴散方向來科學選用[4]。

3.3 科學選擇探頭角度與頻率

超聲波探傷法要想達到最好的鋼結構檢驗應用效果，科學合理選用探頭視角和頻率至關重要。首先，探傷法的檢驗人員應在充分考慮鋼結構中各種焊接坡口類型、預測缺口種類以及鋼板的厚薄程度等實際狀況下，科學合理選用探頭視角。例如，由于多數(shù)鋼結構構件所采用的鋼板厚度相對較小，因此探頭視角也不應太大。超聲探傷探頭視角通常選用K1.5 ～K2.5，但在鋼網(wǎng)架結構桿件搭設測試中，一般選用K3 探頭。在探頭頻率選用中，既要保證超聲探傷測試清晰度符合規(guī)定，又要保證其具備一定的穿透力。這主要是因為探傷檢查技術人員一旦使用頻率過低的探頭作業(yè)，將會造成探傷檢查的清晰度不夠；一旦頻率選擇過高，則易造成超聲波的穿透力因衰減增加而減弱，從而無法保障檢查質量。

因此，檢查技術人員必須在全面綜合鋼結構工程中各種材料的材質及厚薄等實際情況的基礎上，科學合理選用探頭頻率。通常情況下，在鋼結構檢查中選用2.5 MHz 的探頭[5]。

3.4 科學選用耦合劑

在檢查鋼結構缺陷時，應確保所采用的耦合劑具備優(yōu)異的流動性和透聲性，同時需對人體無害，對環(huán)境無污染，對鋼結構本身無腐蝕。市面上有著很多耦合劑產(chǎn)品，在保證質量和環(huán)保的前提下，要盡量選用價格實惠的耦合劑，通常采用洗潔精和化學漿糊作為耦合劑。

4 超聲波探傷識別技術在土木工程鋼結構探傷中的實踐應用

土木工程施工過程中，往往需要對鋼結構焊縫質量進行探傷檢測，旨在及時發(fā)現(xiàn)鋼結構的質量缺陷，并采取防腐、加固等有效的補救措施。超聲波檢測技術在鋼結構探傷中的應用，主要是依靠一種頻率高達幾百千赫到幾兆赫的高頻率脈沖彈性波。技術人員根據(jù)相關計算方法與土木施工等資料，將探頭放置到指定位置，通過發(fā)射超聲波和接收反射波，結合熒光屏（示波屏）上的反射波信息，計算出來構件缺陷的大小和位置等，使監(jiān)理人員與施工人員能夠準確掌握鋼結構的焊接質量。本文以甘肅省蘭州市中川國際機場三期擴建工程為例，詳細闡述應用超聲波檢測技術進行鋼結構探傷的有效措施，以供參考。

4.1 工程概況

蘭州中川國際機場是國家實施西部大開發(fā)戰(zhàn)略后改擴建的第一座西部地區(qū)機場，該機場是西北省會城市4E 級干線機場，跑道全長4 500 m，位于蘭州市永登縣秦王川沖洪積盆地下游，海拔1 947 m，屬于高原機場。其中，航站樓共包括1 個航站樓主樓及A ～D 4 個指廊（包括61 座登機橋）。航站樓主樓地上3 層、局部地下2 層；指廊A 地上3層（局部夾層），屋蓋采用鋼結構，整個工程中危大工程包括4 個指廊桁架。本工程鋼結構施工涉及A ～D 4 個指廊、航站樓E1 ～E3 區(qū)的屋蓋大跨度桁架網(wǎng)架，以及B ～D 指廊大跨度矩形鋼梁；主要構件類型均為熱軋無縫鋼管和圓鋼管，材質主要為Q355C、Q390C、Q390GJC 和Q420GJC，圓管截面主要包括φ245×8、φ325×16、φ405×16、φ500×35 等。

4.2 鋼結構超聲波探傷技術的具體應用

4.2.1 鋼結構柱以及梁連接焊縫超聲波探傷

通過對鋼結構構件的受力分析可知，本工程中鋼結構柱的受力較大。若其在施工過程中出現(xiàn)焊接工人責任心不強、焊接水平達不到要求的情況，會導致在收縮應力影響下產(chǎn)生層狀撕裂，且面積會因焊縫的疊加而增大，從而嚴重危及鋼結構的安全。因此，需要檢測單位通過超聲波探傷等檢測手段加強對裂紋的檢測，控制焊縫質量，避免該類問題發(fā)生。但是焊縫裂紋一般在焊接完成24 h 后才能逐步表現(xiàn)出來，這就要求檢測人員掌握好檢測時機；部分裂紋可能與超聲波傳播方向平行，無法觀測到缺陷反射波，因此在檢測過程中應采用不同的方法移動探頭，如橫向移動、豎向移動、斜向移動以及環(huán)繞移動等。對于裂紋，當超聲波傳播方向與缺陷方向垂直時，缺陷波形明顯、尖銳，波峰陡峭；當探頭平行移動時，波形在熒光屏上隨著裂紋的方向和曲折程度發(fā)生變化，探頭移動一定距離后才逐漸減小，直至消失。

4.2.2 大跨度鋼管桁架網(wǎng)架接頭焊縫超聲波探傷

本工程大跨度鋼管桁架網(wǎng)架焊縫主要為拼接接頭的對接焊縫和連接接頭的角接焊縫。由于鋼管的直徑和厚度均較小，銳角接頭焊縫的超聲波檢測較為困難。角焊縫的超聲波探傷檢查通常使用斜探法，所選擇的探頭晶片尺寸、頻率和掃查方法，應滿足超聲波發(fā)射聲束覆蓋焊縫全部橫斷面的要求。通過反復試驗，確定探頭晶片尺寸為9 mm×9 mm，頻率為5 MHz。焊接掃查法主要采用鋸齒和斜平行，掃查過程中要實時注意波屏顯示信息，如果波屏上的回波信號振幅過大，甚至超過了評定線范圍，應將其定性為可疑回波，并及時在相應焊縫部位加以標記。

第一，初探。首先，通過鋸齒型掃查法來掃查檢測部位，確定其是否產(chǎn)生夾雜、氣孔以及根部問題。其次，用水平和傾斜平行掃查法來掃查熱變形部位和角焊縫處，判斷是否發(fā)生橫向或者斜橫向裂紋的問題。第二，復探。復探在效率方面不如初探。首先，通過仔細檢查、初步勘察并標記位置，確認缺陷的回波方向，記錄好諸如定長、定位等信息。其次，可以通過環(huán)繞、旋轉、前后等基本檢測方法來判斷缺陷程度、種類及數(shù)量。

4.2.3 有墊板焊縫超聲波探傷

本工程部分鋼結構焊縫內(nèi)襯墊板，施焊前如果墊板表面清理不徹底，極易在焊縫中形成夾渣，還容易產(chǎn)生根部未焊透、未熔合等缺陷，影響焊縫質量；而且內(nèi)襯墊板反射波會干擾根部缺陷的檢測，給超聲波無損檢測帶來了極大挑戰(zhàn)。對于內(nèi)襯墊板的鋼結構焊縫根部缺陷檢測，首先要選擇合適的探頭，通過頻率、晶片尺寸以及K 值的選擇，保證既有一定的清晰度，又有足夠的穿透能力。在反射波分析過程中，要根據(jù)波形、反射波深度、位置分析確定是缺陷反射波還是襯墊板反射波。

如果反射波深度與母材厚度相吻合，缺陷波很高，尖銳、陡峭、波根清晰，當探頭沿焊縫平行移動時，在較大范圍內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)缺陷波且在屏幕同一位置上，幅度變化不大，一般為墊板反射波。若反射波深度略小于母材厚度，探頭沿焊縫垂直移動時，缺陷波反復消失出現(xiàn)或時降時升，一般為根部未焊透、未熔合等缺陷，且反射波消失的快慢取決于未焊透的深度。如果超聲波形中出現(xiàn)低矮波峰的缺陷波，波幅較低，波根較寬，探頭略有移動則缺陷波很快消失，且在不同方向探測時會獲得不同形狀的缺陷波，或超聲波檢測所產(chǎn)生的波形峰值出現(xiàn)各種不規(guī)則的連續(xù)異變且反射波深度小于母材厚度，可判定為焊縫中的夾渣。

5 結語

鋼結構在現(xiàn)代土木工程領域中極為普遍，具有較好的應用優(yōu)勢。本文針對土木工程中鋼結構缺陷和無損檢測技術展開探討與探究，旨在明確超聲波探傷識別技術的應用目的與價值，力求在今后的土木工程建設中發(fā)揮該技術的優(yōu)勢，更加精準、快速識別鋼結構缺陷，從而及時采取相應的補救措施，推進輕鋼結構建筑工程的蓬勃發(fā)展。