超聲技術在鋼橋檢測中的應用

王 強 李乾龍

(山東省建筑科學研究院，山東濟南 250001)

0 引言

通過超聲技術檢測鋼橋主要是指利用超聲波對鋼橋的構件進行作用，并通過反射或散射、衍射的波進行分析，對于鋼橋的構件缺陷(如裂縫)，力學特性變化和幾何特性變化等進行綜合評價，在鋼橋的檢測中應用十分廣泛。

我國的超聲檢測技術已經有50多年的發展歷史。在這段時間，超聲檢測技術已經被廣泛應用于工業工程，交通工程等各個工程領域。它主要包括三個方向，即超聲波無損探傷(NDI)、超聲波無損檢測(NDT)以及超聲無損評價(NDE)。由于它具有適用面廣，穿透能力強，靈敏度較高等特點，在鋼橋檢測中主要運用于鋼橋焊縫檢測，已使用鋼橋的缺陷檢測(如隱藏裂紋探測)等方面。文章通過超聲探傷技術在鋼橋焊縫檢測中的控制要點、超聲探傷對于鋼橋的缺陷檢測以及超聲衍射技術在鋼橋檢測中的發展幾方面來闡述超聲技術在鋼橋檢測中的應用。

1 超聲探傷在鋼橋檢測中的應用

現階段超聲檢測技術在我國公路鋼橋的主要運用就是基于超聲技術的構件探傷，相對于常規觀測手段，無損檢測方法更有利于提高評估的準確性，進而提升計算剩余壽命的精準度。

1．1 超聲探傷技術的基本原理

超聲波探傷檢測既是把高頻聲波(一般在1 MHz～5 MHz)從探頭射入被探構件，如果構件內部存在缺陷，那么一部分的入射超聲波就會在缺陷處被反射，利用探頭來接收信號，這樣就可以不必損傷被探構件而測出缺陷的部位以及尺寸。超聲波探傷可以根據被探測構件的情況，通過橫波、縱波以及表面波來進行探傷，在鋼橋檢測中一般采用橫波探傷的辦法。

橫波探測一般又稱為斜角探測。它是主要利用透聲斜楔塊使得縱波斜入射至指定界面，從而在構件中就會產生折射橫波。為了在構件中獲得單一的橫波波形，一般要求所射入縱波的入射角需要在第一臨界角以及第二臨界角之間。當鋼橋構件沒有缺陷時，超聲波只能接收到構件上下表面反射回來的始波和底波，當鋼橋構件出現缺陷時，在始底波之間就會顯示出缺陷波的存在，通過觀察缺陷波在屏幕中顯示的位置就能明確缺陷在構件中的位置。

1．2 超聲探傷技術的基本方法

根據《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級》以及《建筑鋼結構焊接規程》，對鋼橋構件實際缺陷的評定，會根據構件缺陷的形狀以及缺陷性質的不同，分為缺陷回波高度法、缺陷延伸度定量評定法、當量法以及底波回波高度法等。

我們在利用超聲探傷技術對鋼橋進行檢測時，會應用到工程力學來進行全橋重要桿件超聲波探傷的指導。在分析過程中，首先需要建立準確的橋梁結構分析模型，然后進行失效安全分析來確定重點構件，對于不具備足夠的結構強度的構件應該需要進行斷裂安全分析，而超聲探測技術就是針對這些構件進行的。例如在某鋼桁架橋中，經過建立模型進行分析后確認吊桿、下弦桿以及斜腹桿等均為不具備足夠結構強度的構件，而這些桿件與節點板的結合部位首排鉚釘的所在斷面受力最大，此處就容易形成與桿件軸線相垂直的向鉚釘孔的兩側擴展的疲勞裂縫。使用超聲技術對鉚釘周邊桿件鋼板的檢測，就能確定鋼板在鉚釘孔的周圍是否會產生裂紋。

1．3 基于超聲技術的鋼橋焊縫檢測要點

利用超聲檢測技術進行鋼橋檢測，最多是應用于鋼橋焊縫檢測。由于超聲檢測技術具有操作簡單、檢測靈敏度較高、快速便捷等優點，我國對鋼橋焊縫的內部缺陷探傷很多都采用超聲檢測手段，對于鋼橋焊縫檢測中的基本要點如下:

1)根據規范GB/T 11345-89鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級的規定，探傷儀需要使用A型顯示脈沖反射式探傷儀，工作頻率范圍的值為1 MHz～5 MHz，而且探傷儀需要配備衰減器或者是增益控制器，要求的精度是在任意相鄰的12 dB內誤差在1 dB。根據規范的規定，有關于探頭的要求主要如下:探頭的主聲束垂直方向的偏離，不應該存在明顯的雙峰;芯片的有效面積應該小于500 mm2，且任一邊長的大小應在25 mm以內;而且聲束軸線的水平偏離角應該不大于2°。

2)在進行超聲波檢測的時候，若焊縫有校火要求，一定要等到校火完成以后再進行超聲波的檢測。而且原則上是需要用一次波通過。如果有特定的要求(如受拉應力焊縫1/4上檢測面時可以用二次波進行檢測)，可以使用多次波進行檢測，但是在檢測時橫波縱波同時使用需要考慮。

3)在超聲波對鋼橋焊縫的檢測中，以下幾個部位的檢測是需要重點注意的:對于100%要求超聲波檢測以及全熔透的部位是需要用超聲波檢測的。承受拉應力或者反向應力的每一個接頭處是需要超聲檢測的。由于端頭部位是起弧的起點和收弧收尾處，比較容易產生缺陷，所以端頭部位也是需要重點檢測的位置。除此以外對于重復加熱部位和需要返修的部位也應該進行超聲波的檢測。

2 超聲衍射技術在鋼橋檢測中的應用

超聲衍射技術是近幾年在我國發展起來的一種鋼橋檢測技術，并且在一定程度上被應用于鋼橋檢測中。這項技術是將國外較為先進的衍射時差法超聲檢測技術以及超聲相控陣技術引進到鋼橋焊縫的檢測中來。

在鋼橋檢測中，超聲衍射時差法就是利用一對尺寸、頻率以及角度都相同的橫波斜探頭進行對稱相向放置，作為收放裝置，其中一探頭向試件內部發射一個較短的超聲脈沖波。超聲波經過橋梁構件的上表面、缺陷上下尖端以及鋼橋構件的下表面這一歷程到達另一接收探頭。如果鋼橋構件內部沒有缺陷時，超聲波只能接收到構件上下表面反射回來的直通波和底波，當缺陷存在并且具有足夠高度時，兩尖端所產生的缺陷波會先后到達接收探頭，且位于直通波與底波之間。這樣，就可以通過先后到達接收探頭的四束超聲波的時差來計算裂紋的上下端部距離檢測面的距離，從而計算出裂紋本身的長度。超聲衍射技術相較于常規的超聲檢測技術具有其獨特的優勢:

1)常規的超聲檢測技術的檢測過程無法實現全程的記錄，利用波幅對缺陷長度以及高度來進行測量，出現的誤差會比較大。一般的常規檢測缺陷長度與高度比實際會偏小。但是利用相控陣技術就能實現數據的全記錄并且可以精準地定位出缺陷位置的高度以及長度。而且可以通過視圖對缺陷做出進一步的判定。

2)在對角接焊縫、T接焊縫、對接焊縫、Y接焊縫以及異型相貫焊縫的不同類別缺陷的檢測，超聲相控技術具有較好的效果。相對于常規超聲檢測技術，一些受幾何條件的約束而無法檢測的焊縫也可以達到檢測效果，而且在檢測過程中具有安全無輻射的優勢。

3)超聲衍射技術在對于鋼橋焊縫的檢測中，還具有無輻射、操作技術簡單、易于攜帶、定位定性十分準確，對焊縫的檢測效率有很大的提高。

4)除了上述技術優勢以外，相對于常規的超聲檢測技術，采用超聲衍射技術以及超聲相控陣技術在檢測過程中方便直接，而且檢測之前不需要進行清場，這樣就減少了大量的檢測費用以及人工費用，而且還能縮短檢測周期，對于整個工程具有良好的經濟效益。

3 結語

超聲檢測技術作為一種先進的無損檢測技術，在鋼橋檢測中具有十分廣泛的應用。尤其是在各種焊縫的檢測，以及對于已建鋼橋的各種缺陷的檢測，實現對于裂紋的快速準確的探測，隨著超聲技術的不斷發展，如超聲衍射技術這類結合傳統超聲技術的新型改進技術也會發展，并逐漸應用于鋼橋檢測中來。

［1］ 高 翔．公路鋼橋焊縫超聲波檢測標準研究［D］．西安:長安大學，2012．

［2］ JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規范［S］．

［3］ 劉金平，胡斌定．大型鋼橋箱型梁超聲波檢測［J］．無損探傷，2009(6):43-45．

［4］ 王春生．超聲波探測技術在老鋼橋使用安全評定中的應用［J］．華東公路，2003(3):6-9．

［5］ 李 鄭．超聲衍射技術在鋼橋檢測中的應用研究［J］．市政技術，2013(3):7-8．