超声TOFD法在桥梁焊缝检测中的应用

吴海丽

（河北省唐山市滦南交通运输局，河北 滦南 063500）

0 引言

焊缝质量是钢结构桥梁使用性能及寿命长短的关键，超声TOFD探伤即超声波衍射时差法是在常规超声波探伤技术基础上发展起来的新型无损检测技术。最早由20世纪70年代英国Harwell实验室提出后便在石油化工及石油天然气管道、储罐焊缝检测领域得到推广，随后又在锅炉压力容器、电力工业、核工业等行业得到进一步应用。目前在我国，该技术也开始得到推广应用，但检测技术、结果精确性等方面仍需提高。

1 超声TOFD法检测原理

超声TOFD法主要通过2个相向设置的接收探头，通过发射并接收经过缺陷端部的散射波与衍射波以检测和评定缺陷。该方法对缺陷尺寸、位置等的测定并不依据脉冲回波波幅，而是依据脉冲传播时间。根据Huygens-Fresnel原理[1]，当超声波传递至缺陷端部时会成为新的声源，并向四面八方发射衍射波，通过接收探头进行这种衍射波的检测，并根据其衍射波实际传播时间，通过三角方程式进行缺陷实际位置、尺寸大小等的确定。超声TOFD法检测过程见图1，在全部衍射波中，缺陷端部所对应的衍射波较弱，必须通过具有较大声束角度的纵波斜探头进行探测和接收。

图1 超声TOFD法检测过程

图1中超声TOFD法能检测出A、B、C、D四种信号波，其中A波主要为沿构件表面传播的侧向波；B波为沿构件缺陷上端传播的散射波；C波为沿构件缺陷下端传播的衍射波；D波为经构件底面反射的反射波。波束在传播至构件缺陷上端点及底面时遭遇异质界面，必将发生相位转变；而波束在传播至构件缺陷下端点时在缺陷底部发生了环绕，相位不变[2]。

钢构件检测过程中，若构件结构内无缺陷，则探伤仪将只检测到A波和D波，若构件内有缺陷，则探伤仪会检测到上述A、B、C、D四种信号波。根据所得到的构件内部缺陷上下端部散射波和下端部衍射波的传播时间，便能推算出缺陷尺寸、位置。

2 工程概况

某跨径40m+200m+40m的中承式提篮系杆拱桥承载力和跨度大、结构稳定、造型优美，其钢结构主要包括主拱肋钢管拱、系杆、H撑、横纵梁。该拱桥结构在建设过程中钢箱梁、主拱等构件均通过焊接工艺安装，为保证桥梁施工过程及运营的安全性，必须进行其钢结构焊缝质量的无损检测。

3 桥梁焊缝检测

3.1 检测准备

在桥梁钢结构焊缝检测时应参考借鉴相关行业检测标准，制定合理完善的检测方案，并严格执行相关检测技术规程。射线检测虽然被认为是一种可靠便捷的Ⅰ级焊缝探伤无损检测技术，但超声探伤检测效率明显优于射线检测，且仪器灵敏度更高，在钢结构桥梁焊缝检测及质量评价方面更为适用。

3.1.1 仪器及耦合剂选用

该钢结构拱桥焊缝检测主要采用MUT-350型全数字式超声波真彩显示探伤仪，该仪器能精准快速检测出钢结构焊缝内部裂纹、气孔、夹渣、未熔合等多种缺陷。该型号探伤仪在实验室研究及工程现场施工质量检测等方面均有广泛应用。探伤仪主要性能参数取值情况详见表1。在每次探伤检测开始前必须借助标准试块校验时基线扫描比例及其距离波幅曲线[3]，并在探伤检测过程中按照4h的间隔重复校验。

表1 MUT-350型全数字式超声波探伤仪性能参数

耦合剂选择是否得当直接关系到反射缺陷的产生，为保证探伤检测结果的精确度，必须选择透声性良好、流动性适当的液体状耦合剂，使用过程中对钢构件焊缝结构、探伤仪等并无损伤影响，且测后便于清理。

3.1.2 探伤面清理

在进行钢结构桥梁焊缝质量探伤检测前必须全面清理焊件表面的油污、氧化皮、飞溅物、锈蚀，并按照探头值×焊件板厚×2+50mm的尺寸修正焊缝两侧探伤面，也就是说，当焊件母材实际厚度为10mm时，则探伤检测时必须在焊缝两侧分别打磨出宽100mm的探伤面。

3.2 检测内容

本钢结构桥梁焊缝质量检测主要依据《钢结构工程施工及验收规范》（GB50205—2001），其中规定：焊缝探伤Ⅰ级但评定等级Ⅱ级的缺陷应进行100%超声波探伤；施工图要求的质量等级Ⅱ级但评定结果Ⅲ级的缺陷，必须按20%抽查探伤；Ⅲ级焊缝可不探伤。根据该钢结构提篮系杆拱桥设计要求，钢管拱肋对接环缝、钢管和腹杆角接环缝、腹杆对接环缝、钢管和缀板角接环缝、横纵梁对接焊缝和角接焊缝等质量等级均为Ⅰ级，且均采用超声波探伤技术，检测比例100%。

3.3 检测结果

任何构件焊缝质量无损检测完成后必须做好记录，为焊接质量整体评价及缺陷对构件性能潜在危害程度的评估提供依据。该钢结构拱桥第一部分焊件超声探伤结果显示，所检测的30条焊缝中，仅编号A-G1-8-1、A-G2-4-1、AG3-1-1及A-G3-4-1焊缝焊接质量不合格，A-G1-8-1焊缝折射角63.4°、缺陷至探头的水平距离16.7mm、缺陷深度36.7mm、缺陷至探头的直线距离70mm，为Ⅳ级焊缝；AG2-4-1焊缝折射角63.4°、缺陷至探头的水平距离15.8mm、缺陷深度34.9mm、缺陷至探头的直线距离60mm，为Ⅳ级焊缝；A-G3-1-1焊缝折射角63.4°、缺陷至探头的水平距离16.6mm、缺陷深度36.8mm、缺陷至探头的直线距离80mm，为Ⅳ级焊缝；A-G3-4-1焊缝折射角63.4°、缺陷至探头的水平距离17.5mm、缺陷深度38.6mm、缺陷至探头的直线距离50mm，为Ⅳ级焊缝。

钢结构拱桥第二部分焊件超声探伤结果显示，所检测的30条焊缝中，仅编号A-G4-11-1、A-G5-2-1、A-G5-3-1焊缝焊接质量不合格，其中A-G4-11-1焊缝折射角63.4°、缺陷至探头的水平距离13.8mm、缺陷深度30.2mm、缺陷至探头的直线距离150mm，为Ⅳ级焊缝；A-G5-2-1焊缝折射角63.4°、缺陷至探头的水平距离16.5mm、缺陷深度34.4mm、缺陷至探头的直线距离110mm，为Ⅳ级焊缝；A-G5-3-1焊缝折射角63.4°、缺陷至探头的水平距离21.0mm、缺陷深度17.5mm、缺陷至探头的直线距离60mm，Ⅳ级焊缝。

钢结构拱桥第三部分焊件超声探伤所检测的30条焊缝中，仅A-G6-3-1、A-G7-6-1焊缝质量不合格。两条焊缝折射角均为63.4°、缺陷至探头的水平距离分别为17.9mm和12.5mm、缺陷深度39.1mm和27.7mm、缺陷至探头的直线距离50mm和60mm，均为Ⅳ级焊缝。

在该钢结构拱桥焊缝超声探伤检测的基础上，又进行了实际检测波形分析。若焊缝缺陷处回波超出判废线，则应判定为该焊缝不合格，必须立即返修，修好且复检结果合格后方可投入使用；若焊缝缺陷回波超出评定线而未超出判废线，则应测量缺陷实际长度，如果长度超标，则焊缝质量不合格，但如果缺陷长度未超标，除非存在夹渣、裂纹、未焊透等问题，否则无需返修。按照以上原理对所检测出的该钢结构拱桥三个部分焊件焊缝病害重新进行了检测波形分析，结果显示，所检测出的焊缝缺陷长度未超标，且不存在夹渣、裂纹、未焊透等缺陷，故无需返修，仅进行相应记录即可。

4 结语

综上所述，超声TOFD探伤检测技术是当前钢结构桥梁焊缝无损检测的常用手段之一，其通过声波在焊缝结构缺陷端部产生的传播时间差测定缺陷尺寸、深度、位置的做法比常规的回波幅度检测结果更加可靠。为提升缺陷检测分辨率并保证检测结果的准确度，必须加强超声TOFD探伤仪探头参数及探头间距的合理确定，以便在准确探测出侧向波及焊缝缺陷端衍射波传播时间后推算出缺陷端部距离构件表面的距离（即缺陷深度），根据该距离再求得板厚方向缺陷的高度（即缺陷尺寸）。