鋼結構橋梁焊縫缺陷TOFD檢測分析

龔小俊、潘順興

（1.貴州宏信創達工程檢測咨詢有限公司，貴州貴陽550014；2.貴州黔程弘景工程咨詢有限責任公司，貴州 貴陽 550018）

0 引言

鋼結構橋梁焊縫缺陷的準確、快速檢測始終是鋼結構橋梁質量控制領域研究的熱點，焊接施工過程中，因焊接工藝、參數設置、環境、操作等原因極易造成焊縫缺陷，進而影響鋼結構橋梁的安全性和耐久性，為此必須進行焊縫缺陷檢測。當前常用的焊縫缺陷檢測方法包括射線法、超聲法、滲透法及磁粉法等，其中射線法檢測對現場環境要求較高，并對操作人員存在健康危害風險；超聲法檢測結果無法長期保存；滲透法及磁粉法均無法檢測深埋缺陷。而TOFD 法主要借助TOFD-D 檢測圖像，快速準確辨識鋼結構焊縫缺陷，精度有保證，并能存儲數字圖像，在鋼結構橋梁焊縫檢測中的應用也越來越廣泛。

1 TOFD 檢測原理

超聲波衍射時差法（Time of Flight Diffraction，TOFD）主要利用超聲波衍射信號進行結構缺陷的無損檢測，具體而言，其主要借助一對超聲波縱向掃描探頭展開檢測，過程如圖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，最后接收的是結構底面的反射回波，該波形通常被稱為A 掃描信號。A 掃描信號所攜帶的信息量較少，結合該信號進行結構缺陷類型判斷存在一定困難，故必須按照探頭掃描方向將探頭每個移動步距所對應的A 掃描信號依次排列，并將其幅值和相位轉換為256 級灰度圖像[1]，具體如圖2所示，進而得出TOFD-D 檢測圖像。圖2 中當波形向正半周期轉化時，顏色轉向白色，而當波形向負半周期轉化時，顏色轉向黑色。不同顏色表示信號幅度，進而使TOFD-D掃描圖像更加直觀完整，檢測技術人員僅憑灰度圖特征便可辨識出鋼結構焊縫缺陷類型，結果準確可靠。

圖1 TOFD 檢測原理

圖2 A 掃描信號灰度轉換

2 試驗設計

2.1 確定檢測參數

鋼結構橋梁焊縫內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，必須通過特制校準試驗板，進行TOFD 設備基礎參數檢測，并試制12 塊缺陷鋼板，通過TOFD 檢測技術獲取不同缺陷的波形特征，據此展開判定。

圖3 鋼結構橋梁焊縫缺陷形式

為保證TOFD 參數設定及檢測結果的準確與可靠，制作1 塊對接焊校準試驗板，其焊接后長為80cm、寬為40cm、高為24cm，并在焊縫內按1.0cm 的深度埋置1 條1.1cm 長的縱向裂紋。應用TOFD 方法展開試驗板檢測，探頭檢測頻率為7.5MHz，楔塊角度為60°，晶片直徑為3.0cm，發射探頭和接收探頭的中心距為試驗鋼板設計高度的2/3。

2.2 制備缺陷鋼板

為確保獲取各種形式的常規焊縫缺陷波形特征，試制7 塊缺陷鋼板，且均采用對接焊，其依次編號為S1～S7，缺陷參數具體如表1所示。根據試驗板所得出的試驗參數，對7 塊缺陷鋼板展開檢測，以確定缺陷類型與TOFD 掃描圖像的對應關系。檢測結果顯示，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則雙曲線形式，表現為密集或稀疏波紋；內部裂紋缺陷的圖像呈鋸齒狀，形狀為邊緣尖銳的斷續條紋[2]。可見，TOFD 檢測技術能精確表征橋梁鋼結構焊縫缺陷類型，且具有較高的靈敏度。

表1 缺陷鋼板缺陷參數

3 工程實例

某橋梁主跨拱肋采用鋼管混凝土桁架結構，主孔跨徑為584m，拱頂及拱腳截面徑向為8.5m 和17.4m，每肋上下各采用兩根φ1400mm 鋼管混凝土主管，并通過φ850mm 橫聯鋼管和φ700mm 豎向腹桿連接。橋梁主拱共包括44 個節段，拱肋節段鋼結構于工廠預制合格后以水運方式運抵橋址處，現場吊裝。

3.1 無損檢測要求及重難點

按照《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T 3650—2020）所要求的無損檢測方法、部位、數量等展開該拱肋鋼結構無損檢測。具體而言，鋼管拱焊縫采用100%超聲波探傷，按照《焊縫無損檢測超聲檢測技術、檢測等級和評定》（GB/T 11345—2013）執行和驗收，驗收合格等級為Ⅰ級；主拱對接環、縱焊縫則采用10%射線探傷，按照《焊縫無損檢測射線檢測第1 部分：X和伽馬射線的膠片技術》（GB/T 3323.1—2019）執行，驗收合格等級為Ⅱ級；鋼管拱焊縫則進行100%磁粉探傷，按《焊縫無損檢測磁粉檢測》（GB/T 26951—2011）規范執行，并按照《焊縫無損檢測焊縫磁粉檢測驗收等級》（GB/T 26952—2011）驗收，驗收合格等級為Ⅰ級。

主拱鋼管全部采用D-25Z 型橋梁專用高強Q420Q鋼，具體包括φ1400mm×26mm、φ1400mm×30mm、φ1400mm×36mm 三種規格，以單V 坡口形式+內襯板全熔透。考慮到主拱為主要受力構件，其焊縫質量直接關系到橋梁結構的承載力和耐久性，故在工程預制期間，采用100%超聲檢測+10%射線檢測+100%磁粉檢測，以保證焊縫質量，并對射線及超聲檢測異常部位采用TOFD 進行補充檢測。

該橋梁運行環境濕度大、風力強，對焊接質量影響較大。此外，部分特定橋位施焊空間狹窄，施工人員無法施展動作，也影響焊接質量。因操作空間狹小，X 射線檢測過程也無法正常開展，為此，實施TOFD 補充檢測十分必要。

3.2 檢測要點

第三方檢測機構在全面了解橋梁主拱鋼結構焊接工藝和超聲檢測缺陷位置后，編制出針對主拱對接環縫焊接缺陷的TOFD 無損檢測方案。具體而言，以具備TOFD 和常規脈沖超聲脈沖檢測功能并可執行相控陣的OmniScan SX 便攜式探傷儀為主要檢測設備；為展開平板對接和大直徑對接環縫焊接缺陷檢測，還配備了3mm 探頭、60°楔形塊的C543 型TOFD平板專用掃查器。

在正式檢測前，將探頭移動范圍內的鐵屑、飛濺焊料、油污等雜質徹底清除，并將待測表面打磨平整；對于表面存在較大隆起、咬邊、凹陷的焊縫，應修磨圓滑，以保證探頭穩定移動。檢測前還應在工件掃查面標記掃查起點、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。

無損檢測開始前必須通過對比試塊設定檢測通道的靈敏度，并將對比試塊上反射體靈敏度中較弱的衍射信號波幅設定為滿屏高度的40%～80%，并在待檢工件表面掃查時實施耦合補償。待檢工件厚為26mm、30mm 和34mm，通過單檢測通道直接在工件上設置靈敏度。

安排2 名專業技術人員操作檢測儀器，操作人員分別負責主機參數調試和拖動掃查器采集數據。為保證檢測數據的翔實可靠，必須分段掃查，并結合各段實際調整掃查速度和掃查遍數；掃查期間應密切關注波幅變化，如遇直通波、材料晶粒噪聲、底面反射波、波形轉換波的波幅降至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，必須降低增益后再次掃查[3]。

3.3 檢測結果分析

該橋梁鋼結構焊縫TOFD 檢測安排在磁粉檢測和超聲檢測后進行，并在檢測過程中將設備連接計算機后應用Tomo View 分析軟件展開數據的處理與分析。計算機分析軟件根據檢測結果自動繪制典型缺陷圖，并通過識別后給出缺陷類型、位置、尺寸、長度等值，再由檢測技術人員參照《承壓設備無損檢測 第10 部分：衍射時差法超聲檢測》（NB/T 47013.10—2015）所規定的缺陷質量評級標準進行評價，判定橋梁主跨拱肋鋼結構焊縫是否合格；對于不合格的數據，必須找到現場對應位置，并將不合格焊縫報監理工程師，施工單位返修后做二次復檢，返修復檢合格為止，通常返修不宜超過兩次（含兩次）[4]。

該橋梁主跨拱肋鋼結構焊縫TOFD 檢測時，共檢測主拱對接環焊縫12 條，檢測發現記錄缺陷18 處、超標缺陷4 處，統計結果如表2所示。

表2 主跨拱肋鋼結構焊縫TOFD 檢測缺陷統計 單位：處

結合檢測結果，TOFD 主要借助衍射波掃描并分析焊縫缺陷，與常規的超聲反射波相比，靈敏度更高，尤其對于未熔合缺陷、氣孔缺陷、缺陷邊緣的裂紋等更具敏感性，這也是造成表2 中點狀氣孔數量最多的原因；而超聲反射波無法識別焊縫內的微小氣孔。因未進行主拱鋼結構焊縫缺陷X 射線檢查，故部分超聲反射波無法檢測但X 射線可以檢測出的缺陷便依舊存在，通過TOFD 檢測便能較好檢出。所采用的適用于承壓設備無損檢測的驗收評定標準，既能準確判定出缺陷所在，更對焊縫缺陷長度、點數等有嚴格限制，保證了檢測結果的準確性。

4 結語

綜上所述，TOFD 檢測與超聲檢測、X 射線檢測等技術相比，能大大縮短檢測時間，對未熔合、裂紋等缺陷靈敏度高、檢測結果準確性好，填補了橋梁主拱鋼結構焊縫缺陷無損檢測方面的空白。由于檢測儀器價格高昂，檢測及數據分析時必須與計算機軟件配合使用，故TOFD 檢測技術目前只是用于射線、超聲、滲透及磁粉等常規檢測后的補充檢測，其間很可能漏檢部分焊縫缺陷。隨著科學技術的不斷發展及計算機應用領域的擴展，該技術的檢測成本必將不斷降低，在不遠的將來，該技術必定會應用于鋼結構橋梁焊縫缺陷全面檢測領域。