超声技术在钢桥检测中的应用

2014-04-06李乾龙

山西建筑 2014年19期

王强李乾龙

(山东省建筑科学研究院，山东济南 250001)

0 引言

通过超声技术检测钢桥主要是指利用超声波对钢桥的构件进行作用，并通过反射或散射、衍射的波进行分析，对于钢桥的构件缺陷(如裂缝)，力学特性变化和几何特性变化等进行综合评价，在钢桥的检测中应用十分广泛。

我国的超声检测技术已经有50多年的发展历史。在这段时间，超声检测技术已经被广泛应用于工业工程，交通工程等各个工程领域。它主要包括三个方向，即超声波无损探伤(NDI)、超声波无损检测(NDT)以及超声无损评价(NDE)。由于它具有适用面广，穿透能力强，灵敏度较高等特点，在钢桥检测中主要运用于钢桥焊缝检测，已使用钢桥的缺陷检测(如隐藏裂纹探测)等方面。文章通过超声探伤技术在钢桥焊缝检测中的控制要点、超声探伤对于钢桥的缺陷检测以及超声衍射技术在钢桥检测中的发展几方面来阐述超声技术在钢桥检测中的应用。

1 超声探伤在钢桥检测中的应用

现阶段超声检测技术在我国公路钢桥的主要运用就是基于超声技术的构件探伤，相对于常规观测手段，无损检测方法更有利于提高评估的准确性，进而提升计算剩余寿命的精准度。

1．1 超声探伤技术的基本原理

超声波探伤检测既是把高频声波(一般在1 MHz～5 MHz)从探头射入被探构件，如果构件内部存在缺陷，那么一部分的入射超声波就会在缺陷处被反射，利用探头来接收信号，这样就可以不必损伤被探构件而测出缺陷的部位以及尺寸。超声波探伤可以根据被探测构件的情况，通过横波、纵波以及表面波来进行探伤，在钢桥检测中一般采用横波探伤的办法。

横波探测一般又称为斜角探测。它是主要利用透声斜楔块使得纵波斜入射至指定界面，从而在构件中就会产生折射横波。为了在构件中获得单一的横波波形，一般要求所射入纵波的入射角需要在第一临界角以及第二临界角之间。当钢桥构件没有缺陷时，超声波只能接收到构件上下表面反射回来的始波和底波，当钢桥构件出现缺陷时，在始底波之间就会显示出缺陷波的存在，通过观察缺陷波在屏幕中显示的位置就能明确缺陷在构件中的位置。

1．2 超声探伤技术的基本方法

根据《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》以及《建筑钢结构焊接规程》，对钢桥构件实际缺陷的评定，会根据构件缺陷的形状以及缺陷性质的不同，分为缺陷回波高度法、缺陷延伸度定量评定法、当量法以及底波回波高度法等。

我们在利用超声探伤技术对钢桥进行检测时，会应用到工程力学来进行全桥重要杆件超声波探伤的指导。在分析过程中，首先需要建立准确的桥梁结构分析模型，然后进行失效安全分析来确定重点构件，对于不具备足够的结构强度的构件应该需要进行断裂安全分析，而超声探测技术就是针对这些构件进行的。例如在某钢桁架桥中，经过建立模型进行分析后确认吊杆、下弦杆以及斜腹杆等均为不具备足够结构强度的构件，而这些杆件与节点板的结合部位首排铆钉的所在断面受力最大，此处就容易形成与杆件轴线相垂直的向铆钉孔的两侧扩展的疲劳裂缝。使用超声技术对铆钉周边杆件钢板的检测，就能确定钢板在铆钉孔的周围是否会产生裂纹。

1．3 基于超声技术的钢桥焊缝检测要点

利用超声检测技术进行钢桥检测，最多是应用于钢桥焊缝检测。由于超声检测技术具有操作简单、检测灵敏度较高、快速便捷等优点，我国对钢桥焊缝的内部缺陷探伤很多都采用超声检测手段，对于钢桥焊缝检测中的基本要点如下:

1)根据规范GB/T 11345-89钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级的规定，探伤仪需要使用A型显示脉冲反射式探伤仪，工作频率范围的值为1 MHz～5 MHz，而且探伤仪需要配备衰减器或者是增益控制器，要求的精度是在任意相邻的12 dB内误差在1 dB。根据规范的规定，有关于探头的要求主要如下:探头的主声束垂直方向的偏离，不应该存在明显的双峰;芯片的有效面积应该小于500 mm2，且任一边长的大小应在25 mm以内;而且声束轴线的水平偏离角应该不大于2°。

2)在进行超声波检测的时候，若焊缝有校火要求，一定要等到校火完成以后再进行超声波的检测。而且原则上是需要用一次波通过。如果有特定的要求(如受拉应力焊缝1/4上检测面时可以用二次波进行检测)，可以使用多次波进行检测，但是在检测时横波纵波同时使用需要考虑。

3)在超声波对钢桥焊缝的检测中，以下几个部位的检测是需要重点注意的:对于100%要求超声波检测以及全熔透的部位是需要用超声波检测的。承受拉应力或者反向应力的每一个接头处是需要超声检测的。由于端头部位是起弧的起点和收弧收尾处，比较容易产生缺陷，所以端头部位也是需要重点检测的位置。除此以外对于重复加热部位和需要返修的部位也应该进行超声波的检测。

2 超声衍射技术在钢桥检测中的应用

超声衍射技术是近几年在我国发展起来的一种钢桥检测技术，并且在一定程度上被应用于钢桥检测中。这项技术是将国外较为先进的衍射时差法超声检测技术以及超声相控阵技术引进到钢桥焊缝的检测中来。

在钢桥检测中，超声衍射时差法就是利用一对尺寸、频率以及角度都相同的横波斜探头进行对称相向放置，作为收放装置，其中一探头向试件内部发射一个较短的超声脉冲波。超声波经过桥梁构件的上表面、缺陷上下尖端以及钢桥构件的下表面这一历程到达另一接收探头。如果钢桥构件内部没有缺陷时，超声波只能接收到构件上下表面反射回来的直通波和底波，当缺陷存在并且具有足够高度时，两尖端所产生的缺陷波会先后到达接收探头，且位于直通波与底波之间。这样，就可以通过先后到达接收探头的四束超声波的时差来计算裂纹的上下端部距离检测面的距离，从而计算出裂纹本身的长度。超声衍射技术相较于常规的超声检测技术具有其独特的优势:

1)常规的超声检测技术的检测过程无法实现全程的记录，利用波幅对缺陷长度以及高度来进行测量，出现的误差会比较大。一般的常规检测缺陷长度与高度比实际会偏小。但是利用相控阵技术就能实现数据的全记录并且可以精准地定位出缺陷位置的高度以及长度。而且可以通过视图对缺陷做出进一步的判定。

2)在对角接焊缝、T接焊缝、对接焊缝、Y接焊缝以及异型相贯焊缝的不同类别缺陷的检测，超声相控技术具有较好的效果。相对于常规超声检测技术，一些受几何条件的约束而无法检测的焊缝也可以达到检测效果，而且在检测过程中具有安全无辐射的优势。

3)超声衍射技术在对于钢桥焊缝的检测中，还具有无辐射、操作技术简单、易于携带、定位定性十分准确，对焊缝的检测效率有很大的提高。

4)除了上述技术优势以外，相对于常规的超声检测技术，采用超声衍射技术以及超声相控阵技术在检测过程中方便直接，而且检测之前不需要进行清场，这样就减少了大量的检测费用以及人工费用，而且还能缩短检测周期，对于整个工程具有良好的经济效益。