鋼管桁架節點焊縫疲勞裂紋的相控陣超聲檢測

劉祥民

(福建省建筑科學研究院有限責任公司 福建省綠色建筑技術重點試驗室，福州 350001)

鋼管桁架結構是指由鋼管制成的桁架結構體系，具有用料經濟，結構自重小，易于構成各種外形以適應不同用途的優點，在海洋工程、橋梁工程、塔桅工程、工業及民用建筑中應用廣泛。特別是現今的許多大跨度的場館建筑，如會展中心、體育場館或其他一些大型公共建筑,都采用了鋼管桁架結構[1-2]。

鋼管桁架結構在節點處采用焊接連接，實際工程結構在長期運營階段受風荷載、波浪荷載、車輛荷載等動載往復作用，鋼管桁架管節點(以下簡稱管節點)焊縫處易發生疲勞破壞，主要表現為疲勞開裂[3-4]。所以，在服役期間對管節點焊縫進行無損檢測，及早發現管節點焊縫疲勞裂紋對于保證結構安全是極其重要的。筆者研究了相控陣超聲檢測鋼管節點疲勞裂紋的有效性。

針對目前無損檢測管節點相貫線焊縫疲勞裂紋的局限性，通過對比分析相控陣超聲檢測結果和鋼管節點疲勞試驗結果，為實際工程結構管節點相貫線焊縫的疲勞裂紋檢測提供了參考和借鑒。

1 管節點焊縫疲勞裂紋無損檢測方法的選擇

目前，常用的焊縫內部質量無損檢測方法主要有常規超聲波檢測和射線檢測。射線檢測通常對于體積型缺陷較敏感(如未焊透、夾渣、氣孔等)，對于面積型缺陷極易漏檢(如裂紋、未熔合等)；另外，X射線檢測主要適用于對接焊縫的檢測，對于管節點的相貫線焊縫，其底片布置困難，很難滿足透照要求。所以，目前管節點焊縫的無損檢測主要采用常規超聲波檢測。

在管節點常規的超聲波檢測過程中，由于管節點相貫線焊縫是一條曲率連續變化的空間曲線，焊縫截面、坡口角度、兩面角等結構參數隨焊縫位置的不同連續變化；在不同的聲束截面，主支管均呈橢圓形，且曲率不斷變化，使得半跨距聲程不斷變化以及聲耦合補償不一致，從而導致管節點焊縫超聲波檢測存在反射波識別困難、定位不準確、定量困難、檢測效率低等問題。另外，由于檢測位置的限制，無論采用何種角度的探頭，均存在檢測盲區。同時，常規超聲波檢測由于聲束傳播方向單一，對不同方向裂紋的敏感性不一致[5]。

近年來，隨著微電子和晶片加工等技術的發展，相控陣超聲檢測逐漸運用到工程結構的無損檢測中，這為檢測人員提供了一種新的超聲波無損檢測方法。

2 相控陣超聲檢測技術

2.1 相控陣超聲檢測技術的原理

相控陣超聲檢測技術是通過控制各個獨立陣元的延時，生成不同指向性和聚焦的超聲波波束，從而達到控制波束的效果，可以做到無需或少移動探頭而快速實現檢測。采用該技術檢測時，只要將探頭放在一個接近焊縫的位置就可以實現自動掃查，并生成被檢測物體中缺陷的完整圖像，真正實現了自動掃查，且其可檢測復雜形狀的物體，克服了常規A型超聲脈沖法的一些局限性。

2.2 相控陣超聲檢測技術在管節點焊縫檢測中的應用

由于相控陣陣元的延遲時間可動態改變，所以使用相控陣探頭檢測主要是利用其如下3大特點：① 可用計算機軟件控制聲束角度、聚焦距離；② 可用單個小型的多元探頭在同一位置實施多角度檢測；③ 可對復雜的幾何形狀進行檢測，其機動、靈活性較大。

與常規超聲波檢測相比，相控陣超聲檢測探頭角度可設置為一個扇面，在檢測管節點焊縫時無需或少移動探頭即可覆蓋大部分焊縫截面，其能夠適應管節點復雜的幾何形狀，檢測速度快。

由于管節點焊縫是一條曲率連續變化的空間曲線，其結構參數隨著焊縫位置連續變化，為了解決管節點焊縫缺陷的定位、定量問題，行業內一直尋求建立相關的數學模型，借助計算機輔助計算來幫助缺陷的定位和定量。冶金部建筑研究總院的劉興亞等[6]通過數學推導，建立了管節點焊縫各結構參數的相互關系，繪制了幾何臨界角與相貫角、聲程修正系數及水平距離修正系數與相貫角和偏角的關系曲線，提出了管節點焊縫超聲波檢測在工程實踐中的理論。天津大學的王萍等[7]根據管節點焊縫的結構特點，建立了焊縫及其任意定點截面的數學模型，并給出其算法，實現了利用計算機對缺陷的準確、快速定位方法。南昌航空大學的程俊等[8]在已有工作的基礎上，研制了一套“TKY管節點焊縫相控陣檢測輔助定位軟件”。這些研究成果和超聲波相控陣技術相結合，可以解決管節點焊縫現場檢測中存在的問題。

3 相控陣超聲檢測K型管節點焊縫疲勞裂紋試驗

3.1 對比試驗方案

為了驗證相控陣超聲對管節點相貫焊縫中初始缺陷、疲勞裂紋等的檢出以及定位、定性和定量能力，以某橋梁結構中的鋼管K型節點疲勞性能試驗為研究背景，在鋼管K型節點疲勞性能試驗(見圖1)前采用相控陣超聲檢測節點初始缺陷，在疲勞試驗過程中，全程采用相控陣超聲檢測技術對節點疲勞裂紋的萌生、擴展過程進行實時跟蹤和記錄。最終與應變測試結果和節點相貫焊縫切片結果進行對比分析。

圖1 鋼管K型節點疲勞性能試驗現場

3.2 相控陣超聲檢測技術工藝參數的選擇

疲勞性能試驗用鋼管K型節點的主、支管截面為圓曲面，且主、支管軸線間夾角為45°，為了讓探頭與管節點外壁更好地耦合和使聚焦法則最優，宜選擇尺寸相對較小的探頭，且應匹配鋼中自然折射角度為55°的楔塊。此外，由于被檢節點材料為普通碳鋼，是非高衰減系數材料，所以采用具有較高的靈敏度和分辨率的5 MHz-0.5×8陣元探頭，探頭型號為BGA632。

疲勞裂紋萌生階段的尺寸微小，容易在檢測過程中漏檢，因此將主聲束激發角度間隔步進設置成0.1°。鋼管K型節點相控陣超聲檢測方案示意如圖2所示，探頭放置在主管外壁，通過結合一次波和二次波實現節點相貫焊縫的初始缺陷、疲勞裂紋的檢測。由圖2可以看出，探頭所放位置能夠使聲束完全覆蓋鋼管K型節點的整個相貫焊縫區域，即該檢測方案可行。由于相貫焊縫為曲率連續變化的空間曲線，在不同的觀測位置，主管與支管間的夾角、探頭與焊縫間的相對位置均不相同，所以要隨著觀測點的變化調整相關參數，確保主聲束時刻覆蓋整個焊縫截面。

圖2 鋼管K型節點檢測方案示意

3.3 儀器調整與校驗

為了能夠更準確地對所觀測到的疲勞裂紋進行定量和定性分析，防止人為和儀器靈敏度等因素對檢測結果的影響。在正式對鋼管K型節點進行相控陣超聲檢測之前，除需根據標準GB/T 32563-2016《無損檢測 超聲檢測 相控陣超聲檢測方法》的相關規定，采用CSK-I A標準試塊對相控陣超聲檢測儀器靈敏度等參數進行校驗和調整之外，還需進一步采用帶缺陷的模擬試塊對儀器進一步校驗。

模擬試塊主管和支管管徑、壁厚、軸線間夾角及焊接工藝需與鋼管K型節點疲勞性能試驗采用的試驗模型相同，且該模擬試塊包含管節點常見的焊趾裂紋、坡口未熔合和根部未焊透等典型初始缺陷。通過對相控陣超聲檢測技術檢測模擬試塊的初始缺陷與預留缺陷數據進行對比分析，最終確定該設置和校準是否能滿足檢測要求。

3.4 疲勞裂紋檢測

為了充分了解鋼管K型節點疲勞裂紋的分布狀況，在鋼管K型節點主、支管相貫焊縫處均勻布設相控陣超聲檢測觀測點，鋼管K型節點主管和支管規格(外徑×壁厚)分別為φ406 mm×8 mm和φ219 mm×8 mm。疲勞裂紋觀測點分布示意如圖3所示，由冠點G1開始，沿路徑G1→G2→G3和G1→G4→G3，按等間距各均勻布設12個疲勞裂紋觀測點。鋼管K型節點在疲勞荷載作用下每隔一定循環次數后，對圖3所示的各個疲勞裂紋觀測點進行相控陣超聲檢測。疲勞裂紋相控陣超聲檢測現場如圖4所示。

圖3 疲勞裂紋觀測點分布示意

圖4 疲勞裂紋相控陣超聲檢測現場

疲勞裂紋0號觀測點(即冠點G1)的疲勞加載次數-應變曲線如圖5所示。在不同循環次數后，疲勞裂紋0號觀測點的相控陣超聲檢測結果如圖6所示。

圖5 冠點G1的疲勞加載次數-應變曲線

圖6 疲勞裂紋0號觀測點的相控陣超聲檢測結果

由圖6(a)可以看出，疲勞加載次數達到229.1萬次時，疲勞裂紋0號觀測點已萌生了疲勞裂紋，隨著疲勞加載次數的增加，測點應變不斷增加，最終在疲勞加載次數達到245.5萬次時，應變出現“臺階狀”突變，說明在229.1萬次～245.5萬次范圍內，疲勞裂紋0號觀測點的疲勞裂紋在不斷擴展，直至穿透全壁厚。而由圖6(a)～6(c)也可以清楚地看出，在此過程中，疲勞裂紋不僅寬度有所增大，而且疲勞裂紋深度也在增加直至斷裂。由此可以看出，采用相控陣超聲檢測能夠很好地跟蹤和記錄鋼管K型節點疲勞裂紋的萌生、擴展等階段。

圖8 疲勞裂紋3D掃描結果

相控陣超聲檢測所得鋼管K型節點疲勞裂紋的最終分布如圖7所示。疲勞裂紋分布于0號觀測點至12號觀測點間，兩末端間距約為285 mm。目視檢測到的裂紋末端在圖3所示的9號和10號疲勞觀測點之間，兩末端間距約為62 mm。因此，目視檢測疲勞裂紋相對滯后，以目視檢測結果作為節點疲勞壽命評估是不安全的。此外，圖8給出了鋼管K型節點疲勞裂紋0號觀測點至12號觀測點間疲勞裂紋的3D掃描結果。由圖8可以看出，疲勞裂紋由最先萌生疲勞裂紋的0號觀測點擴展至12號觀測點，疲勞裂紋深度由貫穿主管壁厚(0號至9號觀測點)至部分貫穿主管壁厚(9號至11號觀測點)，最終在12號觀測點，疲勞裂紋擴展終止。

為了驗證鋼管K型節點疲勞裂紋的最終擴展情況，對鋼管K型節點進行切片觀察，切片照片如圖9所示。對比圖8,9可以看出,相控陣超聲檢測所得疲勞裂紋分布結果與切片結果基本相對應。因而進一步說明，相控陣超聲檢測技術能夠用于鋼管K型節點疲勞裂紋的定位、定量分析。

圖9 節點疲勞裂紋觀測點截面切片照片

4 結語

(1) 相控陣超聲檢測技術能夠對疲勞裂紋的萌生和發展進行準確地定位、定性和定量分析。

(2) 目視檢測疲勞裂紋長度短于相控陣超聲檢測得到的疲勞裂紋長度，因此以目視檢測結果作為節點疲勞壽命評估是不安全的。

(3) 通過對疲勞性能試驗過程中疲勞裂紋的萌生和擴展過程的跟蹤記錄，可以看出K型節點在受疲勞荷載作用下易產生裂紋的位置，為工程實際應用中監控疲勞裂紋時如何選取重點監控位置提供了參考。