曹立人

無損檢測(cè)技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用具有重要意義，它主要包括超聲波法、回彈法以及雷達(dá)檢測(cè)法等。其中，鋼結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)大多選擇超聲波探傷技術(shù)，該技術(shù)是通過發(fā)射聲波，在構(gòu)件檢測(cè)表面的耦合劑中傳播，接收反射波與質(zhì)量合格的鋼結(jié)構(gòu)聲波進(jìn)行對(duì)比，從而判斷鋼結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)裂縫與焊縫質(zhì)量問題等。因此，在土木工程無損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用研究中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注超聲波檢測(cè)法及其在鋼結(jié)構(gòu)探傷中的應(yīng)用。

1 土木工程中開展鋼結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)的目的

1.1 保證土木工程的施工質(zhì)量

目前，我國(guó)土木工程領(lǐng)域中鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用較為廣泛，為了方便施工，多是在施工現(xiàn)場(chǎng)通過焊接、螺栓等方式連接或固定鋼結(jié)構(gòu)。在此過程中，由于是手工焊接工藝，很容易因操作不當(dāng)、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(yīng)用無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)土木工程中的鋼結(jié)構(gòu)焊縫進(jìn)行探傷檢測(cè)，十分重要且必要。在鋼結(jié)構(gòu)工程無損探傷過程中，要根據(jù)不同的類型和結(jié)構(gòu)元件選擇不同的無損檢測(cè)技術(shù)，適時(shí)排查缺陷，展開焊縫質(zhì)量檢查，從而排除相關(guān)因素對(duì)工程實(shí)體的影響與干擾。從實(shí)際工程效果來看，應(yīng)用無損檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)鋼結(jié)構(gòu)焊縫的質(zhì)量，能夠切實(shí)提升土木工程的施工質(zhì)量，提高鋼結(jié)構(gòu)工程的焊接技術(shù)水平[1]。

1.2 促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)工程的可持續(xù)發(fā)展

土木工程鋼結(jié)構(gòu)中使用超聲波、磁粉、滲透及射線等無損檢測(cè)技術(shù)，可以在一定程度上提高工程效益。第一，不同的損傷檢測(cè)技術(shù)有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，方便監(jiān)理或技術(shù)人員針對(duì)不同材質(zhì)、不同部位和不同結(jié)構(gòu)選擇合適的無損檢測(cè)技術(shù)，以最低的成本完成土木工程結(jié)構(gòu)的損傷診斷和管理工作，進(jìn)一步提高土木工程的經(jīng)濟(jì)效益。第二，無損檢測(cè)技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用，能夠提高工程施工的安全性，保證工程的使用壽命等，進(jìn)而促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)工程的可持續(xù)發(fā)展。

2 土木工程中鋼結(jié)構(gòu)超聲波探傷識(shí)別技術(shù)原理

超聲波無損探測(cè)技術(shù)原理是利用所檢測(cè)物體的超聲波形與鋼標(biāo)準(zhǔn)塊的超聲波標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行對(duì)比，從而檢測(cè)出被檢測(cè)對(duì)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(jié)構(gòu)中存在焊縫空間異常的情況。

2.1 點(diǎn)狀非金屬夾雜物反射波特征

鋼結(jié)構(gòu)中如果存在點(diǎn)狀氣孔或非金屬夾渣等，超聲波形中就會(huì)出現(xiàn)波峰較圓鈍或波形間有1 ～2個(gè)低矮波峰的缺陷波，該缺陷波的根部較寬，探頭稍作移動(dòng)缺陷波就會(huì)立刻消失，而且改變探頭方向探測(cè)時(shí)獲得缺陷波的形狀也各不相同。對(duì)于條狀?yuàn)A雜物，探頭平行移動(dòng)時(shí)，缺陷波會(huì)連續(xù)移動(dòng)；或者在一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)，波峰連續(xù)波動(dòng)但缺陷波不會(huì)消失。當(dāng)焊縫內(nèi)存在大量點(diǎn)狀分布的夾渣時(shí)，超聲波檢測(cè)所產(chǎn)生的波形峰值就會(huì)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(diǎn)，當(dāng)探頭圍繞該缺陷旋轉(zhuǎn)移動(dòng)時(shí)，均能探測(cè)到缺陷波；當(dāng)超聲波探頭沿平行焊縫方向移動(dòng)時(shí)，單個(gè)氣孔及針狀氣孔的缺陷波很快就會(huì)消失，連續(xù)氣孔則不斷出現(xiàn)缺陷波，密集型氣孔會(huì)出現(xiàn)多個(gè)此起彼伏的缺陷波；當(dāng)探頭向焊縫的方向移動(dòng)時(shí)，氣孔缺陷波會(huì)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(dāng)探頭沿焊縫平行移動(dòng)時(shí)，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(shí)，波幅會(huì)發(fā)生一定變化，但變化不大。當(dāng)探頭沿焊縫垂直移動(dòng)時(shí)，缺陷波消失的快慢取決于未焊透的深度。當(dāng)探頭做環(huán)繞移動(dòng)時(shí)，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(zhǎng)度方向垂直時(shí)才能探測(cè)到裂紋，缺陷波形明顯、尖銳、波峰陡峭。探頭平行移動(dòng)時(shí)，波形在熒光屏上隨裂紋的方向、曲折程度而變化，探頭移動(dòng)一定的距離后才逐漸減小，直至消失[3]。

3 土木工程鋼結(jié)構(gòu)探傷中超聲波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用要求

超聲波檢測(cè)法適用于長(zhǎng)距離檢測(cè)，距離越長(zhǎng)傳回的聲波就會(huì)越微弱。在檢測(cè)過程中，當(dāng)超聲波到達(dá)材料時(shí)會(huì)發(fā)生散射及反射，其結(jié)果能夠反映出檢測(cè)對(duì)象是否存在缺陷以及檢測(cè)對(duì)象的厚度。不僅如此，該技術(shù)還具有內(nèi)部缺陷檢測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)、對(duì)鋼結(jié)構(gòu)損傷小、對(duì)人體基本無害、不存在類似射線探傷檢測(cè)的安全隱患以及便于操作等優(yōu)點(diǎn)，但會(huì)受到介質(zhì)密度、聲速等眾多因素影響，因此在實(shí)踐應(yīng)用中需要格外注意這些問題。該技術(shù)應(yīng)用的具體要求主要包括以下幾個(gè)方面。

3.1 做好焊前準(zhǔn)備工作

在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件焊接實(shí)施探傷檢查前，技術(shù)人員要先熟悉構(gòu)造圖，了解被檢查鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料、厚度、曲率、坡口形式以及焊接等級(jí)等實(shí)際情況后，再根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)類型及元件等特點(diǎn)，選擇合適的探頭。同時(shí)，要對(duì)被檢測(cè)的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件焊縫兩側(cè)進(jìn)行預(yù)處理，常見的有拋光、打磨等，待鋼結(jié)構(gòu)表面露出金屬光澤且滿足檢測(cè)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(jìn)行核驗(yàn)，合格后開展超聲波檢測(cè)作業(yè)。

3.2 科學(xué)選擇探測(cè)面與探頭

探頭是一個(gè)可逆的聲電轉(zhuǎn)換器件，在檢測(cè)過程中具有同時(shí)發(fā)出和接收高頻脈沖彈性信號(hào)的功能。探測(cè)器構(gòu)造主要包含壓電傳感晶片、制音片、殼體、陰極、防護(hù)膜（斜鍥）以及調(diào)諧線圈；探測(cè)器類型包含直探頭（聚焦直探測(cè)器、單晶片、雙晶片）、斜探頭（具有表面波探測(cè)器、橫波探頭）。由于鋼結(jié)構(gòu)缺陷具有多樣化及不確定性，因此需要依據(jù)實(shí)際缺陷狀況和焊縫種類來選定檢測(cè)面與探頭。例如，在選用探頭時(shí)，應(yīng)根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)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(cè)器；在選用檢測(cè)面時(shí)，應(yīng)根據(jù)焊接特點(diǎn)和缺陷可能擴(kuò)散方向來科學(xué)選用[4]。

3.3 科學(xué)選擇探頭角度與頻率

超聲波探傷法要想達(dá)到最好的鋼結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)應(yīng)用效果，科學(xué)合理選用探頭視角和頻率至關(guān)重要。首先，探傷法的檢驗(yàn)人員應(yīng)在充分考慮鋼結(jié)構(gòu)中各種焊接坡口類型、預(yù)測(cè)缺口種類以及鋼板的厚薄程度等實(shí)際狀況下，科學(xué)合理選用探頭視角。例如，由于多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件所采用的鋼板厚度相對(duì)較小，因此探頭視角也不應(yīng)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(jié)構(gòu)桿件搭設(shè)測(cè)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(cè)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?yàn)樘絺麢z查技術(shù)人員一旦使用頻率過低的探頭作業(yè)，將會(huì)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(zhì)量。

因此，檢查技術(shù)人員必須在全面綜合鋼結(jié)構(gòu)工程中各種材料的材質(zhì)及厚薄等實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，科學(xué)合理選用探頭頻率。通常情況下，在鋼結(jié)構(gòu)檢查中選用2.5 MHz 的探頭[5]。

3.4 科學(xué)選用耦合劑

在檢查鋼結(jié)構(gòu)缺陷時(shí)，應(yīng)確保所采用的耦合劑具備優(yōu)異的流動(dòng)性和透聲性，同時(shí)需對(duì)人體無害，對(duì)環(huán)境無污染，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)本身無腐蝕。市面上有著很多耦合劑產(chǎn)品，在保證質(zhì)量和環(huán)保的前提下，要盡量選用價(jià)格實(shí)惠的耦合劑，通常采用洗潔精和化學(xué)漿糊作為耦合劑。

4 超聲波探傷識(shí)別技術(shù)在土木工程鋼結(jié)構(gòu)探傷中的實(shí)踐應(yīng)用

土木工程施工過程中，往往需要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊縫質(zhì)量進(jìn)行探傷檢測(cè)，旨在及時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量缺陷，并采取防腐、加固等有效的補(bǔ)救措施。超聲波檢測(cè)技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)探傷中的應(yīng)用，主要是依靠一種頻率高達(dá)幾百千赫到幾兆赫的高頻率脈沖彈性波。技術(shù)人員根據(jù)相關(guān)計(jì)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(jié)合熒光屏（示波屏）上的反射波信息，計(jì)算出來構(gòu)件缺陷的大小和位置等，使監(jiān)理人員與施工人員能夠準(zhǔn)確掌握鋼結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量。本文以甘肅省蘭州市中川國(guó)際機(jī)場(chǎng)三期擴(kuò)建工程為例，詳細(xì)闡述應(yīng)用超聲波檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)探傷的有效措施，以供參考。

4.1 工程概況

蘭州中川國(guó)際機(jī)場(chǎng)是國(guó)家實(shí)施西部大開發(fā)戰(zhàn)略后改擴(kuò)建的第一座西部地區(qū)機(jī)場(chǎng)，該機(jī)場(chǎng)是西北省會(huì)城市4E 級(jí)干線機(jī)場(chǎng)，跑道全長(zhǎng)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(jī)場(chǎng)。其中，航站樓共包括1 個(gè)航站樓主樓及A ～D 4 個(gè)指廊（包括61 座登機(jī)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(jié)構(gòu)，整個(gè)工程中危大工程包括4 個(gè)指廊桁架。本工程鋼結(jié)構(gòu)施工涉及A ～D 4 個(gè)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(gòu)件類型均為熱軋無縫鋼管和圓鋼管，材質(zhì)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(jié)構(gòu)超聲波探傷技術(shù)的具體應(yīng)用

4.2.1 鋼結(jié)構(gòu)柱以及梁連接焊縫超聲波探傷

通過對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力分析可知，本工程中鋼結(jié)構(gòu)柱的受力較大。若其在施工過程中出現(xiàn)焊接工人責(zé)任心不強(qiáng)、焊接水平達(dá)不到要求的情況，會(huì)導(dǎo)致在收縮應(yīng)力影響下產(chǎn)生層狀撕裂，且面積會(huì)因焊縫的疊加而增大，從而嚴(yán)重危及鋼結(jié)構(gòu)的安全。因此，需要檢測(cè)單位通過超聲波探傷等檢測(cè)手段加強(qiáng)對(duì)裂紋的檢測(cè)，控制焊縫質(zhì)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(cè)人員掌握好檢測(cè)時(shí)機(jī)；部分裂紋可能與超聲波傳播方向平行，無法觀測(cè)到缺陷反射波，因此在檢測(cè)過程中應(yīng)采用不同的方法移動(dòng)探頭，如橫向移動(dòng)、豎向移動(dòng)、斜向移動(dòng)以及環(huán)繞移動(dòng)等。對(duì)于裂紋，當(dāng)超聲波傳播方向與缺陷方向垂直時(shí)，缺陷波形明顯、尖銳，波峰陡峭；當(dāng)探頭平行移動(dòng)時(shí)，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(dòng)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(duì)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(cè)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(yīng)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(fù)試驗(yàn)，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(shí)時(shí)注意波屏顯示信息，如果波屏上的回波信號(hào)振幅過大，甚至超過了評(píng)定線范圍，應(yīng)將其定性為可疑回波，并及時(shí)在相應(yīng)焊縫部位加以標(biāo)記。

第一，初探。首先，通過鋸齒型掃查法來掃查檢測(cè)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(fù)探。復(fù)探在效率方面不如初探。首先，通過仔細(xì)檢查、初步勘察并標(biāo)記位置，確認(rèn)缺陷的回波方向，記錄好諸如定長(zhǎng)、定位等信息。其次，可以通過環(huán)繞、旋轉(zhuǎn)、前后等基本檢測(cè)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(jié)構(gòu)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(zhì)量；而且內(nèi)襯墊板反射波會(huì)干擾根部缺陷的檢測(cè)，給超聲波無損檢測(cè)帶來了極大挑戰(zhàn)。對(duì)于內(nèi)襯墊板的鋼結(jié)構(gòu)焊縫根部缺陷檢測(cè)，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(dāng)探頭沿焊縫平行移動(dòng)時(shí)，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(dòng)時(shí)，缺陷波反復(fù)消失出現(xiàn)或時(shí)降時(shí)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(dòng)則缺陷波很快消失，且在不同方向探測(cè)時(shí)會(huì)獲得不同形狀的缺陷波，或超聲波檢測(cè)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(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代土木工程領(lǐng)域中極為普遍，具有較好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。本文針對(duì)土木工程中鋼結(jié)構(gòu)缺陷和無損檢測(cè)技術(shù)展開探討與探究，旨在明確超聲波探傷識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用目的與價(jià)值，力求在今后的土木工程建設(shè)中發(fā)揮該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，更加精準(zhǔn)、快速識(shí)別鋼結(jié)構(gòu)缺陷，從而及時(shí)采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施，推進(jìn)輕鋼結(jié)構(gòu)建筑工程的蓬勃發(fā)展。