钢管桁架节点焊缝疲劳裂纹的相控阵超声检测

2020-05-31刘祥民

无损检测 2020年5期

刘祥民

(福建省建筑科学研究院有限责任公司福建省绿色建筑技术重点试验室，福州 350001)

钢管桁架结构是指由钢管制成的桁架结构体系，具有用料经济，结构自重小，易于构成各种外形以适应不同用途的优点，在海洋工程、桥梁工程、塔桅工程、工业及民用建筑中应用广泛。特别是现今的许多大跨度的场馆建筑，如会展中心、体育场馆或其他一些大型公共建筑,都采用了钢管桁架结构[1-2]。

钢管桁架结构在节点处采用焊接连接，实际工程结构在长期运营阶段受风荷载、波浪荷载、车辆荷载等动载往复作用，钢管桁架管节点(以下简称管节点)焊缝处易发生疲劳破坏，主要表现为疲劳开裂[3-4]。所以，在服役期间对管节点焊缝进行无损检测，及早发现管节点焊缝疲劳裂纹对于保证结构安全是极其重要的。笔者研究了相控阵超声检测钢管节点疲劳裂纹的有效性。

针对目前无损检测管节点相贯线焊缝疲劳裂纹的局限性，通过对比分析相控阵超声检测结果和钢管节点疲劳试验结果，为实际工程结构管节点相贯线焊缝的疲劳裂纹检测提供了参考和借鉴。

1 管节点焊缝疲劳裂纹无损检测方法的选择

目前，常用的焊缝内部质量无损检测方法主要有常规超声波检测和射线检测。射线检测通常对于体积型缺陷较敏感(如未焊透、夹渣、气孔等)，对于面积型缺陷极易漏检(如裂纹、未熔合等)；另外，X射线检测主要适用于对接焊缝的检测，对于管节点的相贯线焊缝，其底片布置困难，很难满足透照要求。所以，目前管节点焊缝的无损检测主要采用常规超声波检测。

在管节点常规的超声波检测过程中，由于管节点相贯线焊缝是一条曲率连续变化的空间曲线，焊缝截面、坡口角度、两面角等结构参数随焊缝位置的不同连续变化；在不同的声束截面，主支管均呈椭圆形，且曲率不断变化，使得半跨距声程不断变化以及声耦合补偿不一致，从而导致管节点焊缝超声波检测存在反射波识别困难、定位不准确、定量困难、检测效率低等问题。另外，由于检测位置的限制，无论采用何种角度的探头，均存在检测盲区。同时，常规超声波检测由于声束传播方向单一，对不同方向裂纹的敏感性不一致[5]。

近年来，随着微电子和晶片加工等技术的发展，相控阵超声检测逐渐运用到工程结构的无损检测中，这为检测人员提供了一种新的超声波无损检测方法。

2 相控阵超声检测技术

2.1 相控阵超声检测技术的原理

相控阵超声检测技术是通过控制各个独立阵元的延时，生成不同指向性和聚焦的超声波波束，从而达到控制波束的效果，可以做到无需或少移动探头而快速实现检测。采用该技术检测时，只要将探头放在一个接近焊缝的位置就可以实现自动扫查，并生成被检测物体中缺陷的完整图像，真正实现了自动扫查，且其可检测复杂形状的物体，克服了常规A型超声脉冲法的一些局限性。

2.2 相控阵超声检测技术在管节点焊缝检测中的应用

由于相控阵阵元的延迟时间可动态改变，所以使用相控阵探头检测主要是利用其如下3大特点：① 可用计算机软件控制声束角度、聚焦距离；② 可用单个小型的多元探头在同一位置实施多角度检测；③ 可对复杂的几何形状进行检测，其机动、灵活性较大。

与常规超声波检测相比，相控阵超声检测探头角度可设置为一个扇面，在检测管节点焊缝时无需或少移动探头即可覆盖大部分焊缝截面，其能够适应管节点复杂的几何形状，检测速度快。

由于管节点焊缝是一条曲率连续变化的空间曲线，其结构参数随着焊缝位置连续变化，为了解决管节点焊缝缺陷的定位、定量问题，行业内一直寻求建立相关的数学模型，借助计算机辅助计算来帮助缺陷的定位和定量。冶金部建筑研究总院的刘兴亚等[6]通过数学推导，建立了管节点焊缝各结构参数的相互关系，绘制了几何临界角与相贯角、声程修正系数及水平距离修正系数与相贯角和偏角的关系曲线，提出了管节点焊缝超声波检测在工程实践中的理论。天津大学的王萍等[7]根据管节点焊缝的结构特点，建立了焊缝及其任意定点截面的数学模型，并给出其算法，实现了利用计算机对缺陷的准确、快速定位方法。南昌航空大学的程俊等[8]在已有工作的基础上，研制了一套“TKY管节点焊缝相控阵检测辅助定位软件”。这些研究成果和超声波相控阵技术相结合，可以解决管节点焊缝现场检测中存在的问题。

3 相控阵超声检测K型管节点焊缝疲劳裂纹试验

3.1 对比试验方案

为了验证相控阵超声对管节点相贯焊缝中初始缺陷、疲劳裂纹等的检出以及定位、定性和定量能力，以某桥梁结构中的钢管K型节点疲劳性能试验为研究背景，在钢管K型节点疲劳性能试验(见图1)前采用相控阵超声检测节点初始缺陷，在疲劳试验过程中，全程采用相控阵超声检测技术对节点疲劳裂纹的萌生、扩展过程进行实时跟踪和记录。最终与应变测试结果和节点相贯焊缝切片结果进行对比分析。

图1 钢管K型节点疲劳性能试验现场

3.2 相控阵超声检测技术工艺参数的选择

疲劳性能试验用钢管K型节点的主、支管截面为圆曲面，且主、支管轴线间夹角为45°，为了让探头与管节点外壁更好地耦合和使聚焦法则最优，宜选择尺寸相对较小的探头，且应匹配钢中自然折射角度为55°的楔块。此外，由于被检节点材料为普通碳钢，是非高衰减系数材料，所以采用具有较高的灵敏度和分辨率的5 MHz-0.5×8阵元探头，探头型号为BGA632。

疲劳裂纹萌生阶段的尺寸微小，容易在检测过程中漏检，因此将主声束激发角度间隔步进设置成0.1°。钢管K型节点相控阵超声检测方案示意如图2所示，探头放置在主管外壁，通过结合一次波和二次波实现节点相贯焊缝的初始缺陷、疲劳裂纹的检测。由图2可以看出，探头所放位置能够使声束完全覆盖钢管K型节点的整个相贯焊缝区域，即该检测方案可行。由于相贯焊缝为曲率连续变化的空间曲线，在不同的观测位置，主管与支管间的夹角、探头与焊缝间的相对位置均不相同，所以要随着观测点的变化调整相关参数，确保主声束时刻覆盖整个焊缝截面。

图2 钢管K型节点检测方案示意

3.3 仪器调整与校验

为了能够更准确地对所观测到的疲劳裂纹进行定量和定性分析，防止人为和仪器灵敏度等因素对检测结果的影响。在正式对钢管K型节点进行相控阵超声检测之前，除需根据标准GB/T 32563-2016《无损检测超声检测相控阵超声检测方法》的相关规定，采用CSK-I A标准试块对相控阵超声检测仪器灵敏度等参数进行校验和调整之外，还需进一步采用带缺陷的模拟试块对仪器进一步校验。

模拟试块主管和支管管径、壁厚、轴线间夹角及焊接工艺需与钢管K型节点疲劳性能试验采用的试验模型相同，且该模拟试块包含管节点常见的焊趾裂纹、坡口未熔合和根部未焊透等典型初始缺陷。通过对相控阵超声检测技术检测模拟试块的初始缺陷与预留缺陷数据进行对比分析，最终确定该设置和校准是否能满足检测要求。

3.4 疲劳裂纹检测

为了充分了解钢管K型节点疲劳裂纹的分布状况，在钢管K型节点主、支管相贯焊缝处均匀布设相控阵超声检测观测点，钢管K型节点主管和支管规格(外径×壁厚)分别为φ406 mm×8 mm和φ219 mm×8 mm。疲劳裂纹观测点分布示意如图3所示，由冠点G1开始，沿路径G1→G2→G3和G1→G4→G3，按等间距各均匀布设12个疲劳裂纹观测点。钢管K型节点在疲劳荷载作用下每隔一定循环次数后，对图3所示的各个疲劳裂纹观测点进行相控阵超声检测。疲劳裂纹相控阵超声检测现场如图4所示。

图3 疲劳裂纹观测点分布示意

图4 疲劳裂纹相控阵超声检测现场

疲劳裂纹0号观测点(即冠点G1)的疲劳加载次数-应变曲线如图5所示。在不同循环次数后，疲劳裂纹0号观测点的相控阵超声检测结果如图6所示。

图5 冠点G1的疲劳加载次数-应变曲线

图6 疲劳裂纹0号观测点的相控阵超声检测结果

由图6(a)可以看出，疲劳加载次数达到229.1万次时，疲劳裂纹0号观测点已萌生了疲劳裂纹，随着疲劳加载次数的增加，测点应变不断增加，最终在疲劳加载次数达到245.5万次时，应变出现“台阶状”突变，说明在229.1万次～245.5万次范围内，疲劳裂纹0号观测点的疲劳裂纹在不断扩展，直至穿透全壁厚。而由图6(a)～6(c)也可以清楚地看出，在此过程中，疲劳裂纹不仅宽度有所增大，而且疲劳裂纹深度也在增加直至断裂。由此可以看出，采用相控阵超声检测能够很好地跟踪和记录钢管K型节点疲劳裂纹的萌生、扩展等阶段。

图8 疲劳裂纹3D扫描结果

相控阵超声检测所得钢管K型节点疲劳裂纹的最终分布如图7所示。疲劳裂纹分布于0号观测点至12号观测点间，两末端间距约为285 mm。目视检测到的裂纹末端在图3所示的9号和10号疲劳观测点之间，两末端间距约为62 mm。因此，目视检测疲劳裂纹相对滞后，以目视检测结果作为节点疲劳寿命评估是不安全的。此外，图8给出了钢管K型节点疲劳裂纹0号观测点至12号观测点间疲劳裂纹的3D扫描结果。由图8可以看出，疲劳裂纹由最先萌生疲劳裂纹的0号观测点扩展至12号观测点，疲劳裂纹深度由贯穿主管壁厚(0号至9号观测点)至部分贯穿主管壁厚(9号至11号观测点)，最终在12号观测点，疲劳裂纹扩展终止。

为了验证钢管K型节点疲劳裂纹的最终扩展情况，对钢管K型节点进行切片观察，切片照片如图9所示。对比图8,9可以看出,相控阵超声检测所得疲劳裂纹分布结果与切片结果基本相对应。因而进一步说明，相控阵超声检测技术能够用于钢管K型节点疲劳裂纹的定位、定量分析。