龔小俊、潘順興

（1.貴州宏信創(chuàng)達(dá)工程檢測(cè)咨詢有限公司，貴州貴陽(yáng)550014；2.貴州黔程弘景工程咨詢有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550018）

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊縫缺陷的準(zhǔn)確、快速檢測(cè)始終是鋼結(jié)構(gòu)橋梁質(zhì)量控制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，焊接施工過(guò)程中，因焊接工藝、參數(shù)設(shè)置、環(huán)境、操作等原因極易造成焊縫缺陷，進(jìn)而影響鋼結(jié)構(gòu)橋梁的安全性和耐久性，為此必須進(jìn)行焊縫缺陷檢測(cè)。當(dāng)前常用的焊縫缺陷檢測(cè)方法包括射線法、超聲法、滲透法及磁粉法等，其中射線法檢測(cè)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求較高，并對(duì)操作人員存在健康危害風(fēng)險(xiǎn)；超聲法檢測(cè)結(jié)果無(wú)法長(zhǎng)期保存；滲透法及磁粉法均無(wú)法檢測(cè)深埋缺陷。而TOFD 法主要借助TOFD-D 檢測(cè)圖像，快速準(zhǔn)確辨識(shí)鋼結(jié)構(gòu)焊縫缺陷，精度有保證，并能存儲(chǔ)數(shù)字圖像，在鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

1 TOFD 檢測(cè)原理

超聲波衍射時(shí)差法（Time of Flight Diffraction，TOFD）主要利用超聲波衍射信號(hào)進(jìn)行結(jié)構(gòu)缺陷的無(wú)損檢測(cè)，具體而言，其主要借助一對(duì)超聲波縱向掃描探頭展開檢測(cè)，過(guò)程如圖1所示。接收探頭最先接收到的波即為直通波，此后接收探頭接收到衍射波信號(hào)，最后接收的是結(jié)構(gòu)底面的反射回波，該波形通常被稱為A 掃描信號(hào)。A 掃描信號(hào)所攜帶的信息量較少，結(jié)合該信號(hào)進(jìn)行結(jié)構(gòu)缺陷類型判斷存在一定困難，故必須按照探頭掃描方向?qū)⑻筋^每個(gè)移動(dòng)步距所對(duì)應(yīng)的A 掃描信號(hào)依次排列，并將其幅值和相位轉(zhuǎn)換為256 級(jí)灰度圖像[1]，具體如圖2所示，進(jìn)而得出TOFD-D 檢測(cè)圖像。圖2 中當(dāng)波形向正半周期轉(zhuǎn)化時(shí)，顏色轉(zhuǎn)向白色，而當(dāng)波形向負(fù)半周期轉(zhuǎn)化時(shí)，顏色轉(zhuǎn)向黑色。不同顏色表示信號(hào)幅度，進(jìn)而使TOFD-D掃描圖像更加直觀完整，檢測(cè)技術(shù)人員僅憑灰度圖特征便可辨識(shí)出鋼結(jié)構(gòu)焊縫缺陷類型，結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

圖1 TOFD 檢測(cè)原理

圖2 A 掃描信號(hào)灰度轉(zhuǎn)換

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 確定檢測(cè)參數(shù)

鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊縫內(nèi)部缺陷主要有未熔合、未焊透、裂紋、夾渣、氣孔等形式，外部缺陷主要有表面裂紋、弧坑、咬邊、焊瘤等。具體如圖3所示。為獲取以上典型缺陷的波形特征，必須通過(guò)特制校準(zhǔn)試驗(yàn)板，進(jìn)行TOFD 設(shè)備基礎(chǔ)參數(shù)檢測(cè)，并試制12 塊缺陷鋼板，通過(guò)TOFD 檢測(cè)技術(shù)獲取不同缺陷的波形特征，據(jù)此展開判定。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊縫缺陷形式

為保證TOFD 參數(shù)設(shè)定及檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確與可靠，制作1 塊對(duì)接焊校準(zhǔn)試驗(yàn)板，其焊接后長(zhǎng)為80cm、寬為40cm、高為24cm，并在焊縫內(nèi)按1.0cm 的深度埋置1 條1.1cm 長(zhǎng)的縱向裂紋。應(yīng)用TOFD 方法展開試驗(yàn)板檢測(cè)，探頭檢測(cè)頻率為7.5MHz，楔塊角度為60°，晶片直徑為3.0cm，發(fā)射探頭和接收探頭的中心距為試驗(yàn)鋼板設(shè)計(jì)高度的2/3。

2.2 制備缺陷鋼板

為確保獲取各種形式的常規(guī)焊縫缺陷波形特征，試制7 塊缺陷鋼板，且均采用對(duì)接焊，其依次編號(hào)為S1～S7，缺陷參數(shù)具體如表1所示。根據(jù)試驗(yàn)板所得出的試驗(yàn)參數(shù)，對(duì)7 塊缺陷鋼板展開檢測(cè)，以確定缺陷類型與TOFD 掃描圖像的對(duì)應(yīng)關(guān)系。檢測(cè)結(jié)果顯示，未熔合缺陷的圖像紋理呈魚鱗狀或鋸齒狀，圖像形狀為斷續(xù)條紋，并與焊縫斜交；未焊透缺陷的圖像紋理為鋸齒狀或稀疏波紋，且與焊縫平行；夾渣缺陷的圖像呈不規(guī)則雙曲線形式，表現(xiàn)為密集或稀疏波紋；內(nèi)部裂紋缺陷的圖像呈鋸齒狀，形狀為邊緣尖銳的斷續(xù)條紋[2]?？梢?，TOFD 檢測(cè)技術(shù)能精確表征橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊縫缺陷類型，且具有較高的靈敏度。

表1 缺陷鋼板缺陷參數(shù)

3 工程實(shí)例

某橋梁主跨拱肋采用鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)，主孔跨徑為584m，拱頂及拱腳截面徑向?yàn)?.5m 和17.4m，每肋上下各采用兩根φ1400mm 鋼管混凝土主管，并通過(guò)φ850mm 橫聯(lián)鋼管和φ700mm 豎向腹桿連接。橋梁主拱共包括44 個(gè)節(jié)段，拱肋節(jié)段鋼結(jié)構(gòu)于工廠預(yù)制合格后以水運(yùn)方式運(yùn)抵橋址處，現(xiàn)場(chǎng)吊裝。

3.1 無(wú)損檢測(cè)要求及重難點(diǎn)

按照《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3650—2020）所要求的無(wú)損檢測(cè)方法、部位、數(shù)量等展開該拱肋鋼結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)。具體而言，鋼管拱焊縫采用100%超聲波探傷，按照《焊縫無(wú)損檢測(cè)超聲檢測(cè)技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》（GB/T 11345—2013）執(zhí)行和驗(yàn)收，驗(yàn)收合格等級(jí)為Ⅰ級(jí)；主拱對(duì)接環(huán)、縱焊縫則采用10%射線探傷，按照《焊縫無(wú)損檢測(cè)射線檢測(cè)第1 部分：X和伽馬射線的膠片技術(shù)》（GB/T 3323.1—2019）執(zhí)行，驗(yàn)收合格等級(jí)為Ⅱ級(jí)；鋼管拱焊縫則進(jìn)行100%磁粉探傷，按《焊縫無(wú)損檢測(cè)磁粉檢測(cè)》（GB/T 26951—2011）規(guī)范執(zhí)行，并按照《焊縫無(wú)損檢測(cè)焊縫磁粉檢測(cè)驗(yàn)收等級(jí)》（GB/T 26952—2011）驗(yàn)收，驗(yàn)收合格等級(jí)為Ⅰ級(jí)。

主拱鋼管全部采用D-25Z 型橋梁專用高強(qiáng)Q420Q鋼，具體包括φ1400mm×26mm、φ1400mm×30mm、φ1400mm×36mm 三種規(guī)格，以單V 坡口形式+內(nèi)襯板全熔透。考慮到主拱為主要受力構(gòu)件，其焊縫質(zhì)量直接關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性，故在工程預(yù)制期間，采用100%超聲檢測(cè)+10%射線檢測(cè)+100%磁粉檢測(cè)，以保證焊縫質(zhì)量，并對(duì)射線及超聲檢測(cè)異常部位采用TOFD 進(jìn)行補(bǔ)充檢測(cè)。

該橋梁運(yùn)行環(huán)境濕度大、風(fēng)力強(qiáng)，對(duì)焊接質(zhì)量影響較大。此外，部分特定橋位施焊空間狹窄，施工人員無(wú)法施展動(dòng)作，也影響焊接質(zhì)量。因操作空間狹小，X 射線檢測(cè)過(guò)程也無(wú)法正常開展，為此，實(shí)施TOFD 補(bǔ)充檢測(cè)十分必要。

3.2 檢測(cè)要點(diǎn)

第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)在全面了解橋梁主拱鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝和超聲檢測(cè)缺陷位置后，編制出針對(duì)主拱對(duì)接環(huán)縫焊接缺陷的TOFD 無(wú)損檢測(cè)方案。具體而言，以具備TOFD 和常規(guī)脈沖超聲脈沖檢測(cè)功能并可執(zhí)行相控陣的OmniScan SX 便攜式探傷儀為主要檢測(cè)設(shè)備；為展開平板對(duì)接和大直徑對(duì)接環(huán)縫焊接缺陷檢測(cè)，還配備了3mm 探頭、60°楔形塊的C543 型TOFD平板專用掃查器。

在正式檢測(cè)前，將探頭移動(dòng)范圍內(nèi)的鐵屑、飛濺焊料、油污等雜質(zhì)徹底清除，并將待測(cè)表面打磨平整；對(duì)于表面存在較大隆起、咬邊、凹陷的焊縫，應(yīng)修磨圓滑，以保證探頭穩(wěn)定移動(dòng)。檢測(cè)前還應(yīng)在工件掃查面標(biāo)記掃查起點(diǎn)、掃查方向，并在母材上與焊縫中線相距一定距離處畫一條平行線，用于參照。

無(wú)損檢測(cè)開始前必須通過(guò)對(duì)比試塊設(shè)定檢測(cè)通道的靈敏度，并將對(duì)比試塊上反射體靈敏度中較弱的衍射信號(hào)波幅設(shè)定為滿屏高度的40%～80%，并在待檢工件表面掃查時(shí)實(shí)施耦合補(bǔ)償。待檢工件厚為26mm、30mm 和34mm，通過(guò)單檢測(cè)通道直接在工件上設(shè)置靈敏度。

安排2 名專業(yè)技術(shù)人員操作檢測(cè)儀器，操作人員分別負(fù)責(zé)主機(jī)參數(shù)調(diào)試和拖動(dòng)掃查器采集數(shù)據(jù)。為保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的翔實(shí)可靠，必須分段掃查，并結(jié)合各段實(shí)際調(diào)整掃查速度和掃查遍數(shù)；掃查期間應(yīng)密切關(guān)注波幅變化，如遇直通波、材料晶粒噪聲、底面反射波、波形轉(zhuǎn)換波的波幅降至12dB 以上等情況，必須二次掃查；如遇材料晶粒噪聲波幅超出滿屏高度的20%或直通波滿屏等情況時(shí)，必須降低增益后再次掃查[3]。

3.3 檢測(cè)結(jié)果分析

該橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊縫TOFD 檢測(cè)安排在磁粉檢測(cè)和超聲檢測(cè)后進(jìn)行，并在檢測(cè)過(guò)程中將設(shè)備連接計(jì)算機(jī)后應(yīng)用Tomo View 分析軟件展開數(shù)據(jù)的處理與分析。計(jì)算機(jī)分析軟件根據(jù)檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)繪制典型缺陷圖，并通過(guò)識(shí)別后給出缺陷類型、位置、尺寸、長(zhǎng)度等值，再由檢測(cè)技術(shù)人員參照《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第10 部分：衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)》（NB/T 47013.10—2015）所規(guī)定的缺陷質(zhì)量評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，判定橋梁主跨拱肋鋼結(jié)構(gòu)焊縫是否合格；對(duì)于不合格的數(shù)據(jù)，必須找到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)應(yīng)位置，并將不合格焊縫報(bào)監(jiān)理工程師，施工單位返修后做二次復(fù)檢，返修復(fù)檢合格為止，通常返修不宜超過(guò)兩次（含兩次）[4]。

該橋梁主跨拱肋鋼結(jié)構(gòu)焊縫TOFD 檢測(cè)時(shí)，共檢測(cè)主拱對(duì)接環(huán)焊縫12 條，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)記錄缺陷18 處、超標(biāo)缺陷4 處，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 主跨拱肋鋼結(jié)構(gòu)焊縫TOFD 檢測(cè)缺陷統(tǒng)計(jì) 單位：處

結(jié)合檢測(cè)結(jié)果，TOFD 主要借助衍射波掃描并分析焊縫缺陷，與常規(guī)的超聲反射波相比，靈敏度更高，尤其對(duì)于未熔合缺陷、氣孔缺陷、缺陷邊緣的裂紋等更具敏感性，這也是造成表2 中點(diǎn)狀氣孔數(shù)量最多的原因；而超聲反射波無(wú)法識(shí)別焊縫內(nèi)的微小氣孔。因未進(jìn)行主拱鋼結(jié)構(gòu)焊縫缺陷X 射線檢查，故部分超聲反射波無(wú)法檢測(cè)但X 射線可以檢測(cè)出的缺陷便依舊存在，通過(guò)TOFD 檢測(cè)便能較好檢出。所采用的適用于承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)的驗(yàn)收評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，既能準(zhǔn)確判定出缺陷所在，更對(duì)焊縫缺陷長(zhǎng)度、點(diǎn)數(shù)等有嚴(yán)格限制，保證了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，TOFD 檢測(cè)與超聲檢測(cè)、X 射線檢測(cè)等技術(shù)相比，能大大縮短檢測(cè)時(shí)間，對(duì)未熔合、裂紋等缺陷靈敏度高、檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性好，填補(bǔ)了橋梁主拱鋼結(jié)構(gòu)焊縫缺陷無(wú)損檢測(cè)方面的空白。由于檢測(cè)儀器價(jià)格高昂，檢測(cè)及數(shù)據(jù)分析時(shí)必須與計(jì)算機(jī)軟件配合使用，故TOFD 檢測(cè)技術(shù)目前只是用于射線、超聲、滲透及磁粉等常規(guī)檢測(cè)后的補(bǔ)充檢測(cè)，其間很可能漏檢部分焊縫缺陷。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展及計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，該技術(shù)的檢測(cè)成本必將不斷降低，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，該技術(shù)必定會(huì)應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊縫缺陷全面檢測(cè)領(lǐng)域。