論廣西體育中心鋼結構焊縫無損檢測的重要性和實施方法

■寧健福 ■南寧奧博斯檢測科技有限責任公司，廣西 南寧 530004

廣西體育中心是目前廣西最大的體育場，不僅是大型的體育設施，也成為公共文化娛樂活動場。整個項目按照能承辦全國性運動會主體育場館、區域性國際運動會和部分國際、國內重大單項賽事的標準規劃設計，兼顧舉辦大型文藝演出、大型慶典和集會。廣西體育中心主體育場的建成，增添了一座展示城市形象的標志性建筑，打造成南寧城市的名片。廣西體育中心主體育場屋頂采用的是鋼結構設計制作的，具有框架堅實耐用、可塑性強、造型新穎別致的特點。由于是現場吊裝焊接，其焊接條件環境以及構件本身的幾何條件對焊接質量提出了較高的要求。

1 工程概況

1．1 工程建設概況

廣西體育中心工程位于五象新區五象大道南側，主體育場整體平面呈橢圓形，南(北)向長 420m，東西向長 313m，總建筑面積123618m2，屋面面積約5．8萬m2。體育場看臺呈碗形布置，最多可容納觀眾6萬人。混凝土看臺設置四道防震縫將結構分為四個部分，每個部分均為獨立的框架剪力墻結構體系。體育場看臺上部分為東、南、西、北四個鋼結構獨立罩棚，罩棚采用空間管桁架結構。其中，東西看臺鋼結構罩棚形狀如一片展開的葉子，呈反對稱布置。長420m，寬度最大81．5m，最高點標高為70．250m。南(北)看臺鋼結構罩棚平面呈扇形，對稱布置。罩棚長88m，寬64m，最高點43．1m。罩棚下部看臺環形封閉，主體結構共四層，高度39．665m，局部七層，高度48．2m。西看臺各24根勁性混凝土柱和四角巨型混凝土圓框筒向上延伸，支撐東西屋蓋罩棚，形成了混凝土直柱支撐的鋼結構罩棚(見圖1)。

圖1 廣西體育中心主體育場效果圖

1．2 鋼結構概況

屋蓋由東、南、西、北四個罩棚組成，東(西)罩棚反向對稱，南(北)罩棚對稱布置(見圖2)。

1．3 鋼結構特點及難點

本工程材料材質采用Q235B、Q345B以及Q345B+Z15。現場焊接主要包括鋼柱的對接焊縫、桁架弦桿的對接焊縫以及桁架腹桿與腹桿、腹桿與弦桿之間的相貫焊縫。現場焊接主要是采用CO2氣體保護焊，而此種焊接受環境影響因素較大。由于本工程的鋼桁架的拼裝工作主要在現場完成，現場焊接工作量巨大并且各構件之間的連接主要靠焊縫連接，焊接質量十分重要，并關系到整體結構的質量和安全。本工程現場焊接主要存在以下難點:

圖2

(1)本工程結構鋼材以Q345B等低合金高強鋼為主，其焊接性能較好。只是隨著強度級別的增加，淬硬性和冷裂傾向會隨之增大。(2)高空環境條件下對焊工操作影響較大。高空風速較大，并且貫穿于現場焊接施工全過程，尤其是對氣體保護焊的影響比較大。(3)本工程為空間管桁架結構，桿件截面均為圓鋼管，節點類型為相貫節點。桿件數量眾多，焊接工作量大。(4)本工程現場焊接主要為鋼管桁架的拼裝焊接、鋼管對接焊接等，焊接位置較為困難，不利于保證焊接質量。(5)本工程結構最高標高70．250米，在高空環境下，對焊工的素質提出了更高的要求。

1．4 現場焊接采取措施

(1)焊工技術培訓。對所有從事本工程焊接的焊工進行技術培訓、考核，主要根據焊接節點形式、焊接方法、焊接操作及焊工位置，以達到工程所需的焊接技能水平。

(2)高空焊接技術培訓。由于工程結構高度很高，在高空環境下，對焊工的素質提出了更高的要求。所以還必須有針對性的進行高空焊接培訓，從而適應現場環境的需要，提高焊接質量。

(3)施焊前，首先對施工人員進行技術交底，并編制焊接指導書，便于每個焊接人員明確操作要領、材料的使用和質量要求。

(4)焊工在焊接時，應隨時注意焊接電流、電壓及焊接速度，如發現任何問題，立即進行調整，以確保質量。每一焊道焊完后，應將焊渣及飛濺、焊瘤清除干凈。如自檢后發現缺陷，應用磨光機清除干凈，并返修好后再開始下一焊道焊接。

(5)所有焊縫應冷卻到環境溫度后進行外觀檢查。專職的質檢人員檢查時應逐條焊縫檢查驗收，作好記錄。焊縫觀感質量應達到以下要求:外形均勻、成型較好，焊道與焊道、焊道與基本金屬間過渡平滑，焊渣和飛濺物基本清除干凈，焊縫表面嚴禁有裂紋、夾渣、焊瘤、焊穿、弧坑、氣孔等缺陷。

(6)對于設計要求全熔透的焊縫外觀質量符合要求后還應根據規范的要求進行超聲波檢測。檢測比例為一級焊縫100%;二級焊縫20%;對于現場焊縫，按同一類型、同一施焊條件的焊縫條數計算百分比。檢測前，清除焊接飛濺、污物、油脂、松散氧化皮等，必要時應進行打磨。對不合格的焊縫，根據其超標缺陷的位置，用磨光機(或碳弧氣刨)切除，超聲波檢查有缺陷的焊縫，從缺陷兩端加上50mm作為清除部分，并以與焊縫相同的焊接方法進行補焊，同樣的標準和方法進行檢驗。同一部位返修不得超過兩次。

2 焊縫的內部缺陷及無損檢測

2．1 焊縫的內部缺陷

由于焊接是一個復雜的冶金工藝過程，焊接結構的質量控制就甚為重要。焊縫中常見缺陷缺陷除焊縫尺寸不符合要求外，主要有氣孔、夾渣、未焊透、未熔合、裂紋在選擇檢驗方法時考慮這些缺陷的成因和特點是十分重要的，只有這樣才能比較客觀的做出正確的評價。

(1)氣孔:氣孔是由于焊接熔池在高溫時熔融金屬中其中溶解度大，而吸收了過多的氣孔，在凝固時溶解度減低，氣體大量溢出，但是又來不及全部逸出而殘留在焊縫金屬內形成的。按分布狀況分為分散單個氣孔、密集氣孔和鏈狀氣孔等。

(2)夾渣:夾渣是由于坡口設計不良，焊接電流過小，速度過快，焊接時操作不當或多道焊接時清查不干凈等原因，使熔池中的熔渣來不及浮出面停留在焊縫金屬內部或融合線的非金屬夾雜物。夾渣的形狀無一定規律，通茶有條狀夾渣和點狀夾渣，單個夾渣和夾渣群等。

(3)未焊透:由于坡口設計不良，間隙過小，或鈍邊過大，單面焊時背面清根不徹底，焊接電流過小或焊接速度太快等原因造成。母體金屬接頭處中間(X坡口)或根部(V、U坡口)的鈍邊未完全熔合在一起而留下的局部未熔合。未焊透降低了焊接接頭的機械強度，在未焊透的缺口和端部會形成應力集中點，在焊接件承受載荷時容易導致開裂。

(4)未熔合:由于坡口設計不良，間隙過小，或鈍邊過大，單面焊時背面清根不徹底，焊接電流過小或焊接速度太快等原因造成。固體金屬與填充金屬之間(焊道與母材之間)，或者填充金屬之間(多道焊時的焊道之間或焊層之間)局部未完全熔化結合，或者在點焊(電阻焊)時母材與母材之間未完全熔合在一起，有時也常伴有夾渣存在。

(5)裂紋:焊縫和熱影響區產生裂紋的原因十分復雜，通常與材料成分、夾質含量、焊接件剛度、預熱和熱處理、工藝條件和焊工技術水平等有關。也可在變形校正、疲勞過程、應力腐蝕和修補過程中產生。

2．2 焊縫無損檢測

無損檢測是在不破壞或者損壞被檢測對象性能的前提下，利用材料內部結構異常或缺陷存在所引起的對熱、聲、光、電、磁等反應變化，來探測各種工程材料、零部件、結構件等內部和表面缺陷，并對缺陷的類型、性質、數量、位置、尺寸、分布及其變化作出判斷和評價。目前鋼結構焊縫質量檢測的常規方法主要有超聲波檢測、X射線檢測、磁粉檢測、滲透檢測四種。鋼結構的無損檢測宜根據無損檢測方法的適用范圍及建筑結構狀況和現場條件按表1選擇。

表1 無損檢測方法的選用

超聲檢測是目前應用最廣泛的探傷方法之一。超聲波探傷是利用超聲波在材料中能以一定的速度和方向傳播，遇到聲阻抗不同的異質界面(如缺陷或被測物件的底面等)就會產生反射。這種反射現象可被用來進行超聲波探傷，最常用的是脈沖回波探傷法探傷時，脈沖振蕩器發出的電壓加在探頭上(用壓電陶瓷或石英晶片制成的探測元件)，探頭發出的超聲波脈沖通過聲耦合介質(如機油或水等)進入材料并在其中傳播，遇到缺陷后，部分反射能量沿原途徑返回探頭，探頭又將其轉變為電脈沖，經儀器放大而顯示在示波管的熒光屏上。根據缺陷反射波在熒光屏上的位置和幅度(與參考試塊中人工缺陷的反射波幅度作比較)，即可測定缺陷的位置和大致尺寸。超聲波探傷在建筑鋼結構中的應用由于超聲波探傷具有靈敏度高，設備輕便，操作方便，探測速度快．適宜高空作業等優點，因此廣泛應用于建筑鋼結構焊縫內部質量的檢測。

根據《鋼結構工程施工質量驗收規范》(GB50205-2001)的要求，廣西體育中心一期主體育場工程設計要求全焊透的一、二級焊縫應采用超聲波探傷進行內部缺陷的檢驗。超聲波探傷不能對缺陷作出判斷時，應采用射線探傷。一級焊縫應進行100%的檢驗，其合格等級應為現行國家標準《鋼焊縫手工超聲波探傷方法及質量分級法》(GB11345)B級檢驗的Ⅱ級及Ⅱ級以上;二級焊縫應進行抽檢，抽檢比例應不小于20%，其合格等級應為現行國家標準《鋼焊縫手工超聲波探傷方法及質量分級法》(GB11345)B級檢驗的Ⅲ級及級Ⅲ以上。檢測部位設計要求全焊透的一、二級焊縫是根據結構的荷載特性、焊縫形式、應力狀態等情況來確定不同的質量等級。鋼結構焊縫檢測應該由取得計量認證及建設部門頒發的相關資質單位進行檢測。并且檢測人員都必須經過技術培訓，并取得超聲檢測Ⅱ級及以上資格證書。檢測人員在檢測之前應該根據本工程的圖紙設計要求和實際情況制定行之有效的檢測方案。對于本工程的具體檢測方法和儀器、設備或者工具進行質量檢驗，要由相關檢測單位的技術負責人對本工程的檢測人員編寫的檢測方案進行審核，主要審查所選用的檢測方法是否正確、所選用的儀器設備是否符合有關標準的要求，是否經過有關部分的計量檢定。是否滿足本工程的檢測要求。以保證檢驗結果的客觀性與可靠性。

3 焊接結構檢測的必要性

焊接缺陷對構件質量的影響主要是對結構負載強度和耐腐蝕性能的影響。由于缺陷的存在減少了結構承載的有限截面面積，更主要是在缺陷周圍產生了應力集中。因此，焊接缺陷對結構靜載強度、疲勞強度、脆性斷裂以及應力腐蝕開裂都有重大影響。由于各類焊接缺陷的分布形態不同，所產生的應力集中程度也不同，因而對結構的危害程度也不一樣。焊接結構的質量控制就甚為重要。影響焊接結構質量的因素很多，諸如設計、材質、工藝、施工、檢驗、質量評定、使用狀態、操作、環境、管理、監督、運行、維修和事故等。為保證結構的安全可靠，焊接結構質量檢測具有重要地位。檢測的目的是對存在于焊接結構和生產中、在任何時間、任何空間(位置)上發現質量問題(特別是危險性缺陷)，為改進設計、焊接工藝、焊接設備、焊接材料和焊接人員的素質提供依據，以保障結構設計的經濟性和科學性，使結構符合設計的安全性和可靠性要求。無損檢測技術是焊接接頭和結構質量檢驗的重要手段。

在廣西體育中心一期主體育場鋼結構的東罩棚脊梁桁架某吊裝單元的鋼管對接焊縫進行超聲波檢測過程中，發現焊縫存在超標缺陷后，對缺陷進行定位及做好標記。并告知施工方對存在超標缺陷的焊縫進行返修，施工單位對不合格的焊縫，根據其超標缺陷的位置，用碳弧氣刨切除有缺陷的焊縫(見圖3)。并分析焊縫缺陷類型及產生原因，及時采取措施，以保證返修焊縫及后續焊縫的焊接質量。返修后的焊縫按原標準和原檢測方法進行復檢，只有最終檢測合格后，方可進行下一道工序。

圖3 焊縫缺陷

4 結束語

通過對廣西體育中心一期主體育場鋼結構焊縫超聲波檢測，及時發現焊接施工過程中產生的缺陷，確保本項目的施工過程質量達到可控、高效、高質量的水平，滿足設計要求;以有效的保證整個焊接工程的焊縫質量，確保工程的質量安全。

［1］GB50205-2001《鋼結構工程施工質量驗收規范》．

［2］GBT 50621-2010《鋼結構現場檢測技術標準》．

［3］《NDT全國特種設備無損檢測人員資格考核統編教材超聲波檢測》-中國勞動社會保障出版社．

［4］《機械制造基礎》清華大學出版社．