徐萬寶，楊昊，張煒豪，陳煜翔

（1.安徽省建筑科學研究設計院 綠色建筑與裝配式建造安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑工程質量第二監(jiān)督檢測站，安徽 合肥 230031）

0 引言

鋼結構在建筑工程應用中具有強度高、重量輕等優(yōu)點，與其他材料相比，具有明顯的優(yōu)勢和較高的綜合效益。建筑領域鋼結構的應用很大程度上提高了建筑物質量安全，但在實際施工中，鋼結構現場安裝需要將鋼結構通過焊接的方法連接起來，為保障結構安全，需要對焊縫進行檢測，保證滿足質量要求。但傳統(tǒng)無損檢測方法存在一定落后性，檢測過程中不直觀和受制于檢測人員的水平而造成漏檢，對鋼結構的結構安全產生不利影響，所以就需要一種可以有效保障建筑鋼結構質量安全的檢測方法。相控陣超聲檢測是高效、方便的成像檢測，可以提高檢測結論的準確性，是對建筑鋼結構質量的有效檢測，對于建筑鋼結構質量具有重要意義。

1 相控陣超聲檢測技術原理及發(fā)展現狀

相控陣超聲檢測技術根據儀器算法設定的延遲法則，通過激發(fā)相控陣專用的陣列探頭控制各個獨立晶片（陣元），使每個獨立晶片聲束合成（如圖1），實現檢測聲束的移動、偏轉和聚焦等功能，并在接收聲波回波后按一定的延遲法則進行信號處理并以需要的圖像的方式來顯示被檢測對象內部缺陷狀態(tài)的超聲檢測成像技術。

圖1 相控陣探頭聲束合成示意圖

相控陣儀器最早出現于上世紀80年代，但由于設備過于龐大，且價格高昂，操作困難，僅在核電關鍵部位應用。自上世紀90年代開始，微電子技術和計算機的突破，促成了相控陣檢測技術的發(fā)展，在2000年以后，國外相控陣超聲檢測技術已得到了一定的發(fā)展并且開始應用于工業(yè)檢測中。2006年中國石油天然氣管道科學院和上海電氣自動化設計院等單位實現了國內首次天然氣管道的相控陣檢測的工程應用，并通過對相控陣和電子的控制方法，實現了國內第一次相控陣檢測的成功。目前國內在超聲相控陣檢測基礎理論和算法等相關技術及應用方面的基礎研究相對落后，但是隨著近幾年相控陣檢測技術廣泛應用于航天航空、特種設備、核電、船舶等行業(yè)，在工程應用領域已成趕超之勢。

相對于核電、特種設備等領域相控陣超聲檢測技術的成熟運用，到目前為止，建筑領域的相控陣超聲檢測并未頒布相關檢測標準和應用規(guī)范，通過查閱文獻和相關資料，雖然相控陣超聲檢測技術已經在某些建筑領域鋼結構檢測項目中實際應用，但由于缺乏系統(tǒng)的檢測驗收標準規(guī)范，相控陣超聲檢測仍然參照超聲檢測的標準執(zhí)行。在這種現狀下，無法體現相控陣超聲檢測相對于傳統(tǒng)檢測的優(yōu)勢，限制的相控陣超聲檢測在鋼結構中的應用。

2 傳統(tǒng)無損檢測技術在鋼結構中的應用

2.1 超聲檢測技術

超聲檢測技術是建筑鋼結構工程焊縫檢測中常用的一種無損檢測技術，一般分為脈沖反射發(fā)超聲檢測（UT）、衍射時差法超聲檢測（TOFD）、相控陣超聲檢測（PA）三種，我們常說的超聲檢測方法一般指的就是A型脈沖反射發(fā)超聲檢測。該方法利用超聲波傳播與被檢工件相互作用，通過入射波的反射、透射和衍射對工件內部缺陷進行檢測分析判斷。在具體實踐中，檢測人員主要利用高頻的聲波進行超聲檢測，該技術在建筑鋼結構工程焊縫無損檢測中有著較為廣泛的應用。比如在使用A型脈沖反射法超聲檢測中，可以十分精準地檢測平面缺陷，有著較高的檢測效率。利用該檢測法能夠準確地判斷出鋼結構材料中未焊透、未熔合的缺陷。脈沖反射法超聲檢測技術有著較強的經濟性，但是該技術應用中對檢測材料的表面粗糙度有著較高的標準要求，如果檢測人員缺乏足夠的專業(yè)水平和工程實踐經歷可能會影響檢測結果的準確性。

2.2 射線檢測技術

X射線、γ射線是射線檢測常用的射線檢測源。射線檢測是利用射線的穿透性，對焊接位置進行檢測，探測結果可以在熒光屏上顯示出來，檢測人員能夠對焊縫內部的缺陷問題、大小等有著十分直觀的了解，進而全面、客觀地判斷鋼結構工程焊縫質量，劃分焊接質量等級。應用射線檢測技術可以提升鋼結構工程焊縫檢測質量，支持焊接人員開展進一步的工作。比如在密閉性較強區(qū)域的鋼結構檢測中，可以使用射線檢測技術檢測焊縫質量，通過照相觀察等方式客觀判斷焊縫情況。此外，在采用射線檢測技術時還可以綜合使用電子圖片等方式，能夠嚴格地劃分并且精準地識別不同焊縫缺陷問題，尤其是照相觀察方式可以長時間留存底片。不過射線檢測技術在具體應用中可能會影響檢測人員的身體健康，有著較高的檢測成本，需要耗費較長的檢測時間。

3 相控陣超聲檢測技術的優(yōu)勢

3.1 相對常規(guī)超聲檢測的優(yōu)勢

相對于A型脈沖反射法超聲檢測，相控陣超聲檢測是使用電子的方法對探頭中的陣列探頭進行延遲激勵，所以在進行線形掃查時，不需要進行鋸齒形掃查，比常規(guī)手動掃查速度快且使用靈活，可使用不同的延遲法則控制檢測所需要聚焦深度，根據缺陷角度設置偏轉角度、波束寬度；在相控陣超聲檢測中，因不需要變換角度和鋸齒掃查等方式就可以一次對焊縫進行全面檢測，檢測效率高；同時可以根據工件的外形，在計算機中導入工件模型，在檢測中實現B＼C＼D＼S等成像，使檢測過程變得簡單，缺陷判斷更加直觀缺陷判斷更加直觀明了，極大提高對細小缺陷的發(fā)現能力。

3.2 相對于射線檢測的優(yōu)勢

相對于射線檢測，相控陣超聲檢測只有耦合劑的成本，耗材少，使用成本較低；且通過成像技術，可以多維顯示各類數據，檢測結果更全面，數據信息更加齊全；同時對危害性面積型的裂紋和未熔合具有極高檢出靈敏度；相控陣超聲檢測在使用中更加環(huán)保，現場使用更加方便、操作簡單，掃查速度快，檢測效率高。

3.3 綜合優(yōu)勢

相控陣超聲檢測技術通過成像技術以直觀的三維圖像等顯示方法，能夠一次對缺陷的高度、深度及長度尺寸進行精確定量，彌補了A型脈沖反射法超聲檢測無法記錄和射線檢測無法進行高度和深度的測量；通過延遲法則的算法方式，控制多晶片探頭調整聲束參數(如角度、焦距和焦點尺寸等)等方法，配合數據處理工具，可以檢測微小缺陷；相控陣超聲檢測技術能以鏡面反射方式采取多個角度聚焦聲束來檢測不同方位的缺陷；相控陣超聲檢測技術可通過導入工件的模型，在計算機中上顯示出缺陷，對一些外廓復雜的TKY焊縫、小徑管焊縫等進行缺陷定位，給人一種更加直觀、更加便捷的方法檢測工件。相控陣超聲檢測技術繼承了以往的超聲波檢測優(yōu)勢，對厚度大的工件檢測率高，檢測速度快，同時不需像射線拍片，去采用多次曝光，花去大量的時間。相控陣超聲檢測技術以其缺陷檢出率高，操作便捷，無危害性，使該技術具有靈活的使用范圍。

4 相控陣超聲檢測技術的工程應用

4.1 在裝配式建筑和鋼結構廠房等H型鋼構焊縫中檢測應用

H型鋼屬于在鋼結構中應用廣泛，可以使鋼材更好地發(fā)揮效能，提高承載能力，且H型鋼在工程應用中加工安裝工藝簡單、方便、快捷，是鋼結構和裝配式建筑中的重要構件之一，廣泛地應用于建筑行業(yè)的各個領域，特別是鋼結構廠房的支撐框架和化工產業(yè)的管廊等。

H型鋼主要焊縫形式是T型對接焊縫和平板對接焊縫，焊縫結構簡單，易于加工?？梢杂行У厥褂孟嗫仃嚈z測技術對翼板與端板的全熔透焊縫進行成像檢測，也可以使用相控陣超聲大角度扇形掃查，一次對翼板與腹板T型對接焊縫的熔深進行測量，如圖2所示，相控陣大角度覆蓋，一次測出3的熔深及熔深區(qū)域的焊縫質量。如圖3所示，可以使用相控陣超聲掃查，對型材的平板對接焊縫進行一次成像掃查，高效便捷地檢測焊縫焊接質量。

圖2 T型對接焊縫相控陣檢測示意

圖3 平板對接焊縫相控陣檢測示意

4.2 在橋梁U肋焊縫中的檢測應用

縱肋焊縫是在橋梁建設施工過程中不可避免的。縱肋對接是指閉口肋（U型肋）在梁段間對接時兩梁段間的U肋，由安裝工藝造成的一段開口，采用一小段同樣材質的U型肋使兩梁段完全封閉的全焊接連接。U型肋嵌補段對接焊、U型肋與頂板焊接處均處于仰焊位置施焊，焊接工作條件惡劣，U型肋間間距較近，焊接時焊接空間狹窄，極易發(fā)生漏焊或焊接缺陷，所以往往是檢測的重點。但由于U肋板焊縫是個Y型焊縫，且壁厚較薄，A型脈沖反射法超聲檢測有很大盲區(qū)，同時U肋板焊縫熔深的反射面是弧形，需要多種角度檢測出最深的點，需要的精度比較高。而常規(guī)超聲由于角度單一，一般反射點并不能找到熔深的合適點，所以精度不夠。由于U肋板焊縫不是全熔透，而且壁厚比較薄，常規(guī)超聲檢測的顯示不直觀，由于定位復雜，不容易區(qū)分輪廓回波和熔深，而射線檢測因為工件結構原因不能拍出理想的角度，還有橋梁施工過程中工作量大，工期短，需要效率比較高的設備，射線跟施工時間沖突，難以跟上工程進度要求。

使用相控陣超聲檢測技術可以僅在閉口肋外側進行一次掃查，就可以通過相控陣成像的端點讀值法讀取并獲得角焊縫中的輪廓信息并判斷缺陷的位置。既能檢測U肋角焊縫雙側焊接的內部缺陷和熔深，且精確度高，避免了現有檢測方法受U肋結構尺寸的限制而只能檢測U肋外側部分角焊縫的問題，又能實現了對U肋角焊縫雙側的無損檢測，充分保障了U肋焊縫的焊接質量，保障橋梁的結構安全。

圖4 U肋焊縫相控陣檢測圖

5 結論

目前，國內像核電、軍工和特種設備等領域相控陣超聲檢測技術已經得到廣泛的應用，并陸續(xù)頒布相關檢測驗收標準。在建筑領域，相控陣檢測技術適用金屬和非金屬管道檢測，如城市地下管網鋼制管道和PE管道檢測，適用于橋梁U肋板檢測、鋼結構管管對接焊縫檢測、鋼結構板板對接焊縫檢測、裝配式建筑H型鋼檢測等工程應用場景，國內已有多家相關單位進行了相關研究和應用，通過相控陣超聲檢測技術在鋼結構檢測中的應用研究，可以更好地在建筑領域應用相控陣檢測技術，針對建筑類、交通類檢測特征，制定相應的地方驗收標準，通過高效精確的檢測技術服務，提升建筑質量安全，服務社會發(fā)展。