鋼橋U肋焊縫多通道超聲檢測(cè)成像技術(shù)探討

摘 要：目前，我國(guó)在役鋼橋存在正交異型橋面U肋板結(jié)構(gòu)開裂的橋梁損傷問題，同時(shí)現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)無(wú)法滿足U肋全溶透焊縫的檢測(cè)要求，因此針對(duì)未來(lái)鋼結(jié)構(gòu)橋梁發(fā)展趨勢(shì)及U肋全溶透焊縫的檢測(cè)技術(shù)需求，研究提出了多通道超聲檢測(cè)成像技術(shù)，其采用一組爬波探頭和二組橫波探頭組成多通道爬波與橫波組合超聲檢測(cè)技術(shù)，通過爬波檢測(cè)U肋板厚范圍內(nèi)焊縫、兩個(gè)橫波斜探頭，分別檢測(cè)U肋板厚范圍外焊縫來(lái)對(duì)該焊縫進(jìn)行有效檢測(cè)，并通過試驗(yàn)論證證明該技術(shù)在實(shí)際檢測(cè)中具有較高的檢測(cè)準(zhǔn)確度和可靠性。

關(guān)鍵詞：多通道超聲檢測(cè)成像技術(shù)；焊縫檢測(cè)；超聲檢測(cè)；相控陣檢測(cè)

中圖分類號(hào)：U 44" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 技術(shù)開發(fā)背景和應(yīng)用前景

目前，鋼結(jié)構(gòu)橋梁在我國(guó)迅速發(fā)展，U肋正交異性板是鋼橋面最重要的組成構(gòu)件，U肋與頂板角焊縫是其最重要的焊縫之一，此類橋梁結(jié)構(gòu)經(jīng)過十幾年的服役期后，產(chǎn)生的橋面缺陷大部分是該類焊縫根部的1～2mm處形成疲勞裂紋源，并慢慢擴(kuò)展至橋面板、U肋腹板和橫隔板開裂造成。鑒于此種情況，國(guó)內(nèi)開始使用全熔透焊接技術(shù)消除根部未焊透，減少裂紋產(chǎn)生傾向。

由于U肋與頂板角焊縫不是正“T”形結(jié)構(gòu)，且U肋板厚只有8mm，目前現(xiàn)有檢測(cè)方法無(wú)法保證對(duì)焊縫進(jìn)行全覆蓋，存在漏檢的情況，因此需要研發(fā)一種新型、有效的無(wú)損檢測(cè)方法，可以對(duì)U肋角焊縫進(jìn)行全覆蓋，杜絕缺陷漏檢的情況，提高焊縫的質(zhì)量。

由于發(fā)展時(shí)間短，因此截至2015年底，我國(guó)鋼橋占橋梁總數(shù)0.25％[1]，從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，我國(guó)鋼橋發(fā)展前景廣闊，以湖北省為例，目前湖北省長(zhǎng)江大橋有38座，其中，采用正交異性鋼橋面板的橋梁有31座。根據(jù)規(guī)劃，湖北省長(zhǎng)江大橋的數(shù)量還將持續(xù)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2035年，我國(guó)規(guī)劃布局長(zhǎng)江干線過江通道 276 座，其中湖北省69座，未來(lái)U肋全熔透焊縫的檢測(cè)需求仍在不斷增加。

2 U肋全熔透焊縫檢測(cè)技術(shù)的缺陷

目前，U肋全熔透焊縫檢測(cè)技術(shù)包括羅旭輝[2]提出的常規(guī)超聲檢測(cè)法（A超）﹑陳剛等[3]提出的超聲波相控陣檢測(cè)法﹑潘虎等[4]提出的用一次反射波和二次反射波的超聲掃查方法。

常規(guī)超聲檢測(cè)U肋全熔透焊縫主要在腹板上采用一次波和二次波，通過不同角度探頭進(jìn)行多次檢測(cè)的方法，但其檢測(cè)區(qū)域不能對(duì)焊縫進(jìn)行全覆蓋，容易漏檢和誤判。超聲相控陣檢測(cè)主要采用在U肋面板上掃查和在橋面板掃查的方法，第一種是在橋面板掃查，由于聲波在面板界面多次反射，且無(wú)反射回波，因此對(duì)U肋腹板與面板未焊透的缺陷，會(huì)出現(xiàn)漏判的情況。同時(shí)探頭布置位置中心線與實(shí)際焊縫中心線偏差較大，會(huì)導(dǎo)致回波不準(zhǔn)確，影響缺陷波識(shí)別。采用第二種方法在U肋面板上掃查，要實(shí)現(xiàn)聲束全覆蓋焊縫，其檢測(cè)聲束最大角度要大于70°，此時(shí)，激發(fā)的聲波入射至鋼中不只有純橫波，還有表面波、爬波等，最終導(dǎo)致缺陷位置及深度判斷出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況。采用超聲爬波檢測(cè)對(duì)U肋全熔透角焊縫進(jìn)行檢測(cè)的方式，因其缺乏理想的無(wú)損檢測(cè)手段，所以不能在實(shí)際工程應(yīng)用中給出焊縫質(zhì)量的具體評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，U肋全熔透角焊縫的焊接缺陷，嚴(yán)重地影響了鋼結(jié)構(gòu)橋梁的耐久性。

3 U肋全熔透焊縫多通道超聲檢測(cè)成像技術(shù)可行性

3.1 U肋全熔透焊縫多通道超聲檢測(cè)成像技術(shù)

U肋全熔透焊縫多通道超聲檢測(cè)成像技術(shù)是指采用一組爬波探頭和二組橫波探頭組成多通道爬波與橫波組合超聲檢測(cè)技術(shù)，其中，一組爬波檢測(cè)U肋板厚度范圍內(nèi)焊縫，二組橫波斜探頭分別檢測(cè)U肋板厚度范圍外焊縫，同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄，還開發(fā)了多通道自動(dòng)化同步檢測(cè)掃描成像技術(shù)。研究將這種技術(shù)定義為U肋全熔透焊縫專用多通道超聲成像檢測(cè)技術(shù)，如圖1所示，爬波探頭2掃查U肋板厚范圍內(nèi)焊縫，橫波斜探頭探頭1和3分別檢測(cè)U肋板厚范圍外焊縫。

3.2 U肋全熔透焊縫多通道超聲檢測(cè)成像技術(shù)可行性分析

從理論分析，橫波對(duì)焊縫的檢測(cè)是沒有板厚限制的，一般根據(jù)檢測(cè)對(duì)象厚度來(lái)選擇儀器和探頭。國(guó)際和國(guó)內(nèi)對(duì)板厚≤6mm和＞400mm的特殊接頭未制定通用的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，本文多通道超聲檢測(cè)成像技術(shù)采用橫波技術(shù)的斜探頭1和3檢測(cè)U肋板厚范圍外焊縫，如圖2所示，通過探頭1和3的一次波和二次波可掃查覆蓋焊縫的外表面及內(nèi)表面根部位置，滿足對(duì)U肋板厚范圍外焊縫檢測(cè)的技術(shù)要求。

爬波是在表面下的縱波，其傳播速度與縱波相同，公稱焦點(diǎn)距離可達(dá)20mm，有效最大聲程為45mm。目前U肋焊縫腹板公稱厚度為8mm，外焊縫寬度為8～10mm，距頂板20mm左右屬于爬波有效聲程，使用爬波探頭可以一次覆蓋整個(gè)U肋板厚，如圖3所示。同時(shí)，爬波探頭在距離焊縫一定距離上，聲束能夠覆蓋整個(gè)焊縫截面，實(shí)現(xiàn)立體掃查，入射聲束與焊縫中的裂紋、未熔合、未焊透等缺陷基本垂直，對(duì)該類缺陷的檢出率更高。爬波只對(duì)表面層幾個(gè)毫米深的區(qū)域敏感，橫波無(wú)法對(duì)其形成干擾，同時(shí)，由于橫波的聲速約為爬波的一半，橫波產(chǎn)生的信號(hào)在時(shí)基線上位置要比爬波信號(hào)延后，因此橫波和爬波的結(jié)果互不干擾，同時(shí)二者組合掃查又能保證對(duì)焊縫全區(qū)域進(jìn)行覆蓋，通過理論論證，采用爬波與橫波的組合技術(shù)是可行的。

3.3 U肋全熔透焊縫多通道超聲檢測(cè)成像技術(shù)檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)制造

U肋結(jié)構(gòu)斷面呈梯形（底寬×高：300mm×280mm，板厚為8mm），每根長(zhǎng)12m以上，細(xì)長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)限制了雙面檢測(cè)，可以根據(jù)U肋的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)多通道超聲成像檢測(cè)儀和專用掃查裝置。

多通道超聲成像檢測(cè)儀具有多通道顯示功能，每個(gè)通道獨(dú)立顯示，可單獨(dú)設(shè)置檢測(cè)范圍和掃查靈敏度，可同時(shí)接多個(gè)探頭，A掃和B掃同時(shí)顯示。采樣頻率達(dá)到125MHz，且可外接編碼器，對(duì)位置信息記錄。圖像保存時(shí)間長(zhǎng)，可將圖像數(shù)據(jù)采集好帶回分析保存。圖譜由3個(gè)部分組成，3個(gè)探頭檢測(cè)的數(shù)據(jù)獨(dú)立顯示在各自對(duì)應(yīng)的分區(qū)內(nèi)（如圖4所示），缺陷顯示直觀、易懂，可提高檢測(cè)效率，又能提高檢測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)判的可靠性、直觀性。

專用掃查裝置有兩對(duì)磁性輪，且兩對(duì)輪子呈直角，輪子與U肋構(gòu)成穩(wěn)固的三角形結(jié)構(gòu)，保證了掃查裝置行走過程的穩(wěn)定性。探頭固定裝置采用了活動(dòng)擺叉，探頭由螺栓連接，前后位置可調(diào)，上下有彈簧，保證探頭與U肋板緊密貼合。探頭具有注水口，可與壓力水箱連接，保證探頭耦合，不需要人工刷耦合劑。自動(dòng)掃查裝置還配有帶位置傳感器的編碼器，可記錄檢測(cè)結(jié)果的位置信息，方便數(shù)據(jù)保存及后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。

3.4 U肋全熔透焊縫多通道超聲檢測(cè)成像技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及結(jié)果分析

試驗(yàn)方案：采用多通道超聲檢測(cè)成像技術(shù)對(duì)U肋全熔透焊縫試板進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)出缺陷的部位進(jìn)行解剖，了解該技術(shù)在實(shí)際檢測(cè)工作中的可靠性和準(zhǔn)確性。

試驗(yàn)用設(shè)備為多通道超聲成像檢測(cè)儀，試驗(yàn)用人工試板的U肋角焊縫模擬目前實(shí)際橋梁中的接頭形式，試塊材質(zhì)為Q345qD，U肋板厚度為8mm，長(zhǎng)度為0.5m，橋面板厚度為16mm，規(guī)格為150mm×500mm，U肋板與橋面板夾角為75°，共制作2塊人工試板。

采用爬波在焊縫腹板側(cè)探頭距離頂板15～20mm，橫波一次波探頭入射點(diǎn)在距面板≤22 mm，橫波二次波探頭入射點(diǎn)在距面板36～40mm進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表1。

多通道超聲成像檢測(cè)結(jié)果分析：試板1檢出2處缺陷，試板2檢出1處缺陷，在檢測(cè)結(jié)束后，為了得到準(zhǔn)確的缺陷數(shù)據(jù)，按照檢測(cè)結(jié)果，對(duì)缺陷標(biāo)記處焊縫截面進(jìn)行解剖，用游標(biāo)卡尺和鋼直尺對(duì)缺陷進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表2。

通過缺陷解剖圖可以發(fā)現(xiàn)：多通道超聲成像檢測(cè)出的缺陷與解剖檢測(cè)結(jié)果一致，說(shuō)明這種檢測(cè)方法有較高的檢測(cè)準(zhǔn)確性和可靠性。

4 結(jié)論

通過實(shí)際驗(yàn)證，采用多通道超聲檢測(cè)成像技術(shù)對(duì)U肋全熔透焊縫進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)果與解剖后結(jié)果相吻合，證明該技術(shù)具有較高的檢測(cè)準(zhǔn)確度和較強(qiáng)的可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]王永光，紀(jì)志芳.淺談鋼結(jié)構(gòu)橋梁應(yīng)用思路[J].吉林交通科技， 2016（3）：37-38.

[2]羅旭輝.鋼箱梁U肋角焊縫的超聲檢測(cè)[J].廣州建建筑， 2002（3）：41-43.

[3]陳剛，汪焮成.U肋全熔透角焊縫超聲波相控陣檢測(cè)方法研究[J].橋梁建設(shè)， 2020，50（6）：33-38.

[4]潘虎，吳天茂.全焊透T型接頭焊縫超聲波檢測(cè)[J].東方機(jī)電，2009（1）：33-36.