基于穿透法的鋼橋面板疲勞裂紋超聲波檢測方法研究*

王介修 吉伯海 袁周致遠 傅中秋

(河海大學土木與交通學院 南京 210098)

基于穿透法的鋼橋面板疲勞裂紋超聲波檢測方法研究*

王介修 吉伯海 袁周致遠 傅中秋

(河海大學土木與交通學院 南京 210098)

采用預制裂紋試件對鋼橋面板疲勞裂紋的深度和角度兩個特征進行超聲波檢測試驗研究，提出一種雙探頭穿透檢測技術，該技術通過測定裂紋尖端信號和最大穿透信號之間的比例關系ωK確定裂紋尖端特征信號，并利用幾何關系法計算得到裂紋深度及角度.依據理論計算和平鋼板預制裂紋檢測試驗結果，確定16 mm鋼板檢測中兩種K值探頭對應的ωK值，分析該方法的可行性、檢測結果的誤差大小，以及裂紋寬度對結果的影響.結果表明，對于16 mm鋼板，K值為2和0.8時對應ωK為0.3和0.4.該方法對于裂紋深度及角度的檢測具有較好的準確性，且裂紋寬度對于檢測結果沒有影響.

鋼橋面板；疲勞裂紋；超聲波檢測；雙探頭技術；穿透檢測

0 引 言

隨著服役年限的增長，正交異性鋼橋面板極易因焊接缺陷和應力集中等因素產生疲勞開裂[1-2]，為保證鋼橋安全，需及時進行無損檢測及修復工作.國內的鋼橋無損檢測基本以目視為主，針對目視檢查中存疑的部位，結合磁粉和超聲波檢測作為輔助探傷手段[3].其中，超聲波檢測[4]操作簡單、適用性強、對確定內部缺陷大小、位置、取向、埋深等特征較之其他無損檢測方法具有綜合優勢.

鋼橋構件的疲勞開裂多發生在焊接部位[5]，與其他領域焊接構件的疲勞問題相似，由于目前國內鋼橋領域仍沒有形成統一的超聲檢測規范，超聲檢測在鋼橋上的應用主要參考超聲檢測通用規范及船舶、機械、鐵路等其他行業規范，且不同檢測單位在檢測方法及標準采用上也各有取舍[6-9].對于焊縫的超聲檢測，常用的方法有單斜探頭反射法和雙斜探頭法.鑒于鋼橋疲勞裂紋特點，一般采用單斜探頭法進行檢測，目前該方法在鋼橋檢測的實際應用中有許多局限性.例如，由于超聲探頭近場區的影響，導致小厚度構件無法檢測；取向不良的缺陷(其反射面不與聲束垂直)反射信號無法接收.為此有學者提出一些解決方案，例如，馬劍民[10]利用雙晶探頭衍射法檢測表面開口裂紋，得到較高的檢測精度；陳剛等[11]通過試驗驗證了相控陣技術在鋼橋面板焊縫檢測中的可行性；宋曉峰等[12]采用雙晶聚焦探頭靈敏度高、近場長度小的特點克服T形貼角焊縫處板厚過小的問題；吉伯海等[13]針對頂板U肋角焊縫處的裂紋定性檢測提出了一系列檢測方法，提高了反射法的檢測精度.

文中參考現有檢測方法，提出一種超聲波雙探頭穿透檢測技術，該技術主要為了應對鋼橋面板上不良取向裂紋的深度及角度檢測，尤其針對頂板U肋角焊縫處單探頭法無法檢測的水平向裂紋有較高的應用價值.考慮到鋼橋面板上疲勞裂紋所處構造復雜性，先針對平鋼板上預制的不同深度、角度的裂紋進行檢測試驗，驗證了該方法的可行性.

1 雙探頭穿透檢測方法

雙斜探頭穿透檢測法使用一發一收兩個斜探頭，根據收到穿透聲波信號的強弱來判斷被檢構件內部的裂紋擴展情況，見圖1.

圖1 雙斜探頭穿透法檢測示意圖

以平鋼板為研究對象(見圖1a))，在斜探頭K值和鋼板厚度均確定的情況下，當穿透信號波高最大時，入射點和接收點之間的距離為

L0=2tK

(1)

式中：L0為無裂紋狀態穿透信號波最大時聲波入射點和接收點的間距；t為鋼板厚度；K為發射(接收)探頭的K值.

檢測時，始終保持兩探頭間距不變，在構件表面進行掃查，當接收到的穿透信號波高明顯降低時，可以認為有缺陷遮擋了一部分超聲波，同時根據表面裂紋擴展情況，將兩個探頭分別置于裂紋兩邊(跨縫)，探頭連線與裂紋保持垂直，并沿與裂紋垂直方向進行移動，接收到超聲波能量隨著超聲波被裂紋遮擋部分多少的變化而變化，見圖2.當超聲波聲束軸線[14]剛好穿過裂紋尖端時，接收到的穿透信號波高與跨該裂紋檢測過程中接收到的最大波高之間存在一定比例關系.即兩者比值為ωK.

(2)

式中：Ra為聲束軸線穿過裂紋尖端時的穿透信號波高；Rmax為跨縫檢測過程最大波高.

利用式(2)所求ωK便可以在檢測中根據穿透信號波高大小及對應探頭位置確定裂紋尖端的位置，從而計算出裂紋的深度、角度.

利用上述原理，分別用兩組不同K值的斜探頭找到裂紋尖端信號，見圖3.考慮表面起裂的裂紋OA，其深度dOA以及偏角αOA可由幾何關系法式(3)～ (6)計算.

圖2 裂紋尖端確定基本原理及實測波形對比

圖3 幾何關系法確定裂紋深度、角度示意圖

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：aK1，aK1為聲束軸線穿過裂紋尖端時超聲波入射點至裂紋表面點的距離；β1，β2為入射聲波與垂線的夾角；xO，yO，xA，yA為裂紋端點坐標，Δ為兩入射點間距.

2 試驗設計

2.1 試件

考慮到頂板U肋處構造的復雜性，先簡化采用平鋼板進行預制裂紋檢測試驗，驗證雙探頭穿透檢測法的可行性.試件材料為Q345qD鋼板，厚度為16 mm，模擬國內較多采用的鋼橋面板.為了模擬不同深度、角度及寬度的裂紋，采用電火花切割在鋼板上進行人工裂紋加工，試件裂紋布置見圖4，試件尺寸及裂紋參數見圖5、表1.

圖4 試件裂紋預制示意圖(單位：mm)

圖5 裂紋參數示意圖

裂紋編號裂紋深度d/mm裂紋角度α/(°)裂紋寬度w/mm裂紋編號裂紋深度d/mm裂紋角度α/(°)裂紋寬度w/mmC-1300.2C-133300.2C-2500.2C-147300.2C-3700.2C-1511300.2C-4900.2C-163450.2C-51100.2C-177450.2C-61300.2C-1811450.2C-73100.2C-1913200.2C-87100.2C-2013100.2C-911100.2C-2113450.2C-103200.2C-2213300.2C-117200.2C-231100.15C-1211200.2C-241100.1

2.2 設備

試驗采用SH610數字式超聲探傷儀穿透檢測模式，耦合劑為CG-98型超聲波探傷耦合劑，根據鋼橋面板構造特點，為了覆蓋角焊縫處的所有檢測區域，選取0.8和2兩種K值探頭進行試驗，檢測前對探頭的K值和探頭前沿進行校核并記錄，見表2.

表2 探頭參數表

2.3 試驗方法

測定ωK的值：用同K值一發一收兩個斜探頭，將校核的探頭前沿距離標記在探頭上指示入射點和接收點位置.式(1)計算出無裂紋狀態下，接收到最大穿透信號波時，入射點和接收點間距L0.保持入射點與接收點間距固定為L0，以此距離為最大值，以超聲波完全被遮擋(波高小于5%)時入射點距離裂紋表面距離為最小值，保持兩探頭連線垂直裂紋方向移動探頭，按照一定等差關系從小到大依次改變入射點至裂紋表面點的距離，記錄每個測點波高，用式(2)計算ωK值.見圖6.每一種裂紋深度、探頭K值組合，ωK取三次測定結果的平均值.

檢測計算裂紋深度、角度：確定ωK值后，保持入射點與接收點間距，保持兩探頭連線垂直裂紋方向移動探頭，跨縫掃查，找到最大波高Rmax，以此找到裂紋尖端(波高ωKRmax).利用式(3)～(6)計算得到裂紋深度及角度.

圖6 雙探頭穿透檢測跨縫最大波高

3 結果分析

3.1 ωK值測定

C-1～C-6為六條傾角α為0°，深度成等差關系的預制裂紋.當超聲波聲束軸線穿過裂紋尖端時，聲波入射點至裂紋表面點的距離a為

a=Kd

(7)

式中：K為探頭K值；d為裂紋深度.

探頭K值為2和0.8，增益為35 dB，以入射點至裂紋表面點距離為橫坐標，示波器顯示波高為縱坐標可繪制曲線圖，見圖7.

在曲線圖中找出最大波高Rmax和聲束軸線穿過裂紋尖端時的波高Ra，根據式(2)求出對應探頭K值的ωK.為了降低誤差，ωK值均取三次測量計算結果的平均值，結果列于表3.

表3 ωK值匯總表

由表3可知，探頭K=2時，ωK隨著裂紋深度的增加小幅度減小，平均值近似為0.3； 探頭K=0.8時，ωK隨著裂紋深度的增加小幅度增加，平均值近似為0.4.兩種情況下，ωK隨裂紋深度的變化趨勢見圖8.

圖7 入射點位置-波高曲線圖

圖8 ωK隨裂紋深度的變化趨勢圖

3.2 裂紋寬度對檢測結果的影響

為了排除因為裂紋寬度不同而對檢測結果產生的影響，分別檢測相同深度不同寬度裂紋C-5(w=0.2 mm)、C-23(w=0.15 mm)和C-24(w=0.1 mm)，并對比了不同寬度裂紋穿透檢測結果.

圖9 不同寬度裂紋入射點位置-波高曲線圖對比

由圖9可知，三種寬度裂紋的穿透檢測入射點位置-波高曲線圖基本一致，可以認為裂紋寬度對于穿透檢測結果無影響.

3.3 檢測結果及誤差分析

為了簡化檢測方法，分別采用兩種K值下ωK的平均值作為其對應的標準值，該值與最大波高的乘積作為確定裂紋尖端的特征波高.利用該值對C-7～C-22號裂紋進行檢測，并通過式(3)～(6)計算出各條裂紋的深度及角度，結果見圖10.

圖10 檢測結果及誤差分布示意圖

由圖10可知，雙探頭穿透檢測法針對裂紋深度和角度檢測結果具有較高的準確性.對于深度檢測，僅有偏角為45°的幾條裂紋誤差接近20%，其余皆在10%以內；對于裂紋偏角檢測，相對誤差都在30%以內.考慮絕對誤差大小，深度檢測都控制在2 mm以內，角度檢測都控制在10°以內，在實際檢測應用中，精度較好.

從誤差較大的幾條裂紋特征可以推測，對于深度較小的裂紋(d=3 mm)，聲波入射點過于靠近裂紋，聲束擴散較小，即使是探頭微小都會對聲波被遮擋部分的比例產生巨大影響，這可能是造成誤差較大的原因.對于偏角與探頭入射聲波偏角近似的裂紋(α=30°或45°)，裂紋與入射聲波近乎平行，同樣會影響穿透檢測的精度.

4 結 論

1) 利用一發一收雙探頭檢測16 mm厚鋼板，裂紋尖端波高與跨縫檢測最大波高之比ωK：探頭K值為2時取為0.3；探頭K值為0.8時取為0.4.

2) 超聲雙探頭穿透檢測法利用ωK和幾何關系檢測裂紋深度和角度.經過試驗驗證，深度檢測誤差結果具有較高的精度，深度檢測誤差在13%以內，角度檢測誤差在20%以內.

3) 被檢測裂紋寬度對雙斜探頭超聲穿透法檢測結果的影響可以忽略不計，裂紋埋深淺、偏角接近聲波入射角會降低穿透法檢測精度.

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Ultrasonic Testing Method Research on Fatigue Cracks in Steel Bridge Decks Based on Penetration Method

WANGJiexiuJIBohaiYUANZHOUZhiyuanFUZhongqiu

(CollegeofCivilandTransportationEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Ultrasonic testing for the depth and angle of fatigue cracks in steel bridge decks was studied by prefabricated crack specimens. The double probe penetrating detection technique, which identifies crack tip signal by using the ratio (ωK) of crack tip signal to maximum transmission signal and calculates the depth and angle of crack by the geometric relationship, was proposed. According to the theoretical calculation and the detection test results of flat steel plate with prefabricated crack, the correspondingωKvalues under two kinds ofKvalue probe were determined in the test of 16 mm steel plate. And the feasibility of this method, the error of test results and the influence of crack width on the results were analyzed. The results show that, for 16mm steel plates, theωKvalues are 0.3 (K=2) and 0.4 (K=0.8). The testing method for the detection of crack depth and angle has better accuracy and the test results is not affected by crack width.

steel bridge deck; fatigue; ultrasonic testing; double probe technique; penetration method

U411

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.06.027

2017-10-25

王介修(1992—)：男，碩士生，主要研究領域為橋梁與隧道工程

*國家自然科學基金面上項目(51478163)、2017年江蘇省交通運輸科技與成果轉化項目資助