建筑鋼結(jié)構(gòu)工程中TOFD檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用分析

劉富陽

廣東省建筑材料研究院有限公司 廣東 廣州 510000

引言

城市化建設(shè)進(jìn)程持續(xù)加快推進(jìn)，建筑工程建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)難以滿足現(xiàn)代建筑工程施工建設(shè)需求。鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，承重負(fù)荷大，滿足建筑抗震需要，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)顯著。但在鋼結(jié)構(gòu)連接過程中，存在焊縫質(zhì)量通病問題，為提升焊縫質(zhì)量，應(yīng)用了TOFD檢測(cè)技術(shù)，大大提升了建筑結(jié)構(gòu)整體安全性。

1 建筑鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)內(nèi)容分析

1.1 鋼結(jié)構(gòu)性能優(yōu)勢(shì)

鋼結(jié)構(gòu)的焊接方式、焊接質(zhì)量，直接關(guān)乎到工程整體建設(shè)質(zhì)量，與工程安全性息息相關(guān)。傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)成本相對(duì)低廉，可以承受一定的負(fù)荷，具有較強(qiáng)的防火性能，使用周期較長(zhǎng)。但在長(zhǎng)期使用中，暴露出諸多的缺陷，如混凝土結(jié)構(gòu)自重大、耗費(fèi)資源、易受氣候或溫度的影響出現(xiàn)伸縮縫等。而鋼結(jié)構(gòu)抗拉性能優(yōu)，具有一定的可塑性和韌性，自重更輕，滿足建筑物抗震需要，尤其在高層建筑中應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)，可最大限度上發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)價(jià)值作用。鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)相比，材質(zhì)均勻，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)受力時(shí)，鋼材受力狀態(tài)穩(wěn)定，力學(xué)性能好[1]。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)常規(guī)檢測(cè)技術(shù)

在建筑鋼結(jié)構(gòu)工程中，涉及焊接技術(shù)應(yīng)用，旨在將預(yù)先制造的鋼結(jié)構(gòu)成品進(jìn)行焊接組裝，但受多種因素影響，在焊接期間，容易引發(fā)焊縫缺陷問題，降低了鋼結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量。工程中進(jìn)行結(jié)構(gòu)焊接時(shí)，發(fā)生了內(nèi)部缺陷問題，包括出現(xiàn)氣孔、脫焊、裂縫等；發(fā)生了外部缺陷問題，如表面氣孔、燒穿等。發(fā)生上述任何一種焊接質(zhì)量通病，均會(huì)引發(fā)工程安全隱患，影響鋼結(jié)構(gòu)工程建設(shè)品質(zhì)?；诖?，為提升焊縫質(zhì)量，明確焊縫缺陷的危害性，在鋼結(jié)構(gòu)工程施工建設(shè)中，引入了無損檢查技術(shù)，主要是對(duì)焊縫缺陷進(jìn)行檢查，于無損傷的情況完成檢查，可快速得出檢測(cè)結(jié)果，給出檢測(cè)結(jié)論。具體的檢測(cè)技術(shù)如下：

1.2.1 射線探傷技術(shù)。射線檢測(cè)中含有X射線和 射線，可穿透檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行曲線檢測(cè)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)射線經(jīng)過檢測(cè)對(duì)象時(shí)，會(huì)減弱射線強(qiáng)度，被檢測(cè)對(duì)象吸收的射線會(huì)直接投射到膠片上，進(jìn)而顯現(xiàn)出檢測(cè)對(duì)象內(nèi)部缺陷全貌，幫助相關(guān)檢測(cè)人員科學(xué)判斷焊縫缺陷性質(zhì)，并制定針對(duì)性的處理辦法[2]。此種檢測(cè)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，展現(xiàn)出一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但是設(shè)備攜帶不便，長(zhǎng)期接觸射線，損害身心健康。

1.2.2 超聲波檢測(cè)技術(shù)。超聲波檢測(cè)技術(shù)在平面型缺陷檢測(cè)中展現(xiàn)了技術(shù)優(yōu)勢(shì)，且便于檢測(cè)人員攜帶，檢測(cè)效率較比其他檢測(cè)方法更高。但實(shí)際運(yùn)用超聲波檢測(cè)技術(shù)時(shí)，容易受到檢測(cè)材料屬性干擾和影響，且無法提供直觀化的缺陷檢測(cè)結(jié)果。

2 TOFD檢測(cè)技術(shù)相關(guān)內(nèi)容分析

2.1 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

TOFD是新興的無損檢查技術(shù)手段，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)不足之處，與傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)相比，TOFD衍射波抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)來自任何方向的焊接縫質(zhì)量缺陷敏感度高，檢測(cè)成功率高，受到技術(shù)使用人員的青睞。同時(shí)，TOFD檢測(cè)技術(shù)數(shù)據(jù)采集方式更靈活，保證了數(shù)據(jù)的完整性和精確性，為缺陷處理提供了數(shù)據(jù)支持。此外，TOFD檢測(cè)可精準(zhǔn)定位缺陷位置，能夠準(zhǔn)確計(jì)算缺陷范圍，缺陷部位的判斷公式表示為：

其中Ce表示：縱波聲速；t1表示：反射波發(fā)射時(shí)間；S表示：探頭之間的距離。檢測(cè)缺陷高度計(jì)算公式為：

其中l(wèi)表示缺陷的高度，t2表示反射波的傳播時(shí)間。研究發(fā)現(xiàn)，TOFD檢測(cè)高度誤差＜1mm，接縫缺陷尺寸較大時(shí)的檢測(cè)高度誤差則更小。

2.2 技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

研究發(fā)現(xiàn)，TOFD檢測(cè)技術(shù)在鍋爐制造、特種設(shè)備檢測(cè)中，廣泛應(yīng)用到此項(xiàng)無損檢測(cè)技術(shù)，有效評(píng)估和識(shí)別壓力設(shè)備的危險(xiǎn)源，精準(zhǔn)判斷壓力容器的密封性、穩(wěn)定性等使用性能，確保壓力容器滿足使用需要。并在TOFD+MT+UT技術(shù)聯(lián)合檢測(cè)模式下，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力容器的全方位檢查。同時(shí)，TOFD檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)管道檢測(cè)中，工業(yè)管道具有特殊屬性，經(jīng)常運(yùn)輸易燃易爆、高溫高壓液體或氣體物質(zhì)，若出現(xiàn)管道泄漏問題，將引發(fā)嚴(yán)重的安全隱患，泄漏的有毒有害氣體將污染生態(tài)環(huán)境。因此，為提升工業(yè)管道適用安全性，加強(qiáng)管道質(zhì)量控制，進(jìn)行TOFD檢測(cè)，達(dá)到了無損檢測(cè)目的，保證管道接頭的焊接質(zhì)量可靠，同時(shí)，對(duì)壓力鋼管進(jìn)行全面的掃查，實(shí)現(xiàn)對(duì)隱蔽缺陷的探查，檢測(cè)效率高，堅(jiān)果結(jié)果準(zhǔn)確。此外，TOFD檢測(cè)技術(shù)在電力行業(yè)中的應(yīng)用優(yōu)越性顯著，利用TOFD檢測(cè)技術(shù)對(duì)蝸殼焊縫進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)電站超厚部件內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，TOFD檢測(cè)可檢出細(xì)小裂縫。基于TOFD檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)顯著，當(dāng)前，TOFD檢測(cè)逐漸滲透到建筑鋼結(jié)構(gòu)接縫檢測(cè)。

2.3 數(shù)據(jù)可視化特征

TOFD檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示方式多樣，TOFD檢測(cè)中的A掃圖能夠清晰化將檢測(cè)結(jié)果顯現(xiàn)在射頻圖譜中。B掃圖像則是用灰度圖表示振幅，能夠提供檢測(cè)對(duì)象縱截面的信息。D掃圖像實(shí)用性較強(qiáng)，一般在焊縫缺陷檢測(cè)中，會(huì)聯(lián)合使用B掃+D掃結(jié)合的掃查方式，旨在精準(zhǔn)定位缺陷位置。研究波形相位特征發(fā)現(xiàn)，灰度圖能夠提供相位信息，可準(zhǔn)確識(shí)別超聲波來源，TOFD檢測(cè)不同類型的焊縫缺陷是，反映出的衍射波形也存在一定的差異性，根據(jù)掃查檢測(cè)圖譜的信息，能夠準(zhǔn)確判斷氣孔、夾渣、底面缺陷、開口缺陷等，進(jìn)而為缺陷處理提供指導(dǎo)。

3 TOFD檢測(cè)技術(shù)在建筑鋼結(jié)構(gòu)中的具體應(yīng)用

建筑工程中的鋼結(jié)構(gòu)焊縫無損檢測(cè)始終是建筑行業(yè)研究的重點(diǎn)課題。研究發(fā)現(xiàn)，在鋼結(jié)構(gòu)焊接過程中，受焊接工藝參數(shù)設(shè)置影響以及焊接技術(shù)操作手法等相關(guān)因素的影響，引發(fā)了焊縫缺陷問題，降低了鋼結(jié)構(gòu)使用安全性，縮短了鋼結(jié)構(gòu)工程的使用周期?；诖?，重視鋼結(jié)構(gòu)焊縫缺陷無損檢測(cè)顯得尤為重要。基于常規(guī)的檢測(cè)技術(shù)存在諸多的局限性，且檢測(cè)結(jié)果不支持永久性的保存，無法進(jìn)行檢測(cè)結(jié)果追溯。因此，建筑行業(yè)積極與時(shí)俱進(jìn)，引入了TOFD檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊縫缺陷的有效識(shí)別，準(zhǔn)確判斷缺陷的危害性和屬性，減少建筑鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量影響因素，最大限度上提高焊縫的質(zhì)量。

3.1 檢測(cè)試驗(yàn)

3.1.1 研究對(duì)象。試驗(yàn)對(duì)象為6塊有焊縫缺陷的鋼結(jié)構(gòu)試塊，編號(hào)分別為N1～N6，所有試塊長(zhǎng)度和寬度相同，高度不同、缺陷類型不同；隨機(jī)設(shè)置缺陷深度，具體見表1。

表1 試塊缺陷基本信息

3.1.2 檢測(cè)參數(shù)。為得出可靠的檢測(cè)結(jié)果，提升圖像質(zhì)量，本試驗(yàn)前預(yù)先設(shè)定了TOFD檢測(cè)參數(shù)，加工制作了400mm×400mm×25mm的試塊，試塊內(nèi)部設(shè)計(jì)了一條長(zhǎng)度為10mm、深度為8mm的縱向裂紋，做好檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備工作，經(jīng)過模擬檢測(cè)，獲取到TOFD檢測(cè)最佳參數(shù)，確認(rèn)超聲探頭為7.5MHz、晶片直徑為3mm，完成參數(shù)設(shè)置后，對(duì)6塊試塊進(jìn)行檢測(cè)。

3.2 檢測(cè)圖像分析

3.2.1 試塊開口裂紋及底面開口裂紋。圖譜D中的圖像可清晰化顯示出與直通波相位相同缺陷下端點(diǎn)的衍射信號(hào)，表面有波紋狀的裂紋，裂紋與焊縫延伸方向斜交。但直通波斷開，裂紋上端無衍射波信號(hào)，整體的形狀是連續(xù)條紋。其中底面開口裂紋反射波信號(hào)中斷，未顯示裂紋下端的衍射信號(hào)；地表面紋理為波紋狀，整體形狀為拋物線形，裂紋與焊縫垂直。

3.2.2 內(nèi)部裂紋。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生內(nèi)部裂紋的主要原因與焊接頭金屬原子合力損壞有關(guān)。TOFD檢測(cè)圖像顯示，裂紋上下端點(diǎn)衍射信號(hào)不連續(xù)，信號(hào)與信號(hào)之間分散著諸多的碎片化信號(hào)，表面紋理為鋸齒狀，整體呈現(xiàn)的是條紋狀，裂紋走向與焊縫平行；與掃查面和地面裂紋圖像特征存在一定的差異性。

3.2.3 氣孔。氣孔影響到鋼結(jié)構(gòu)焊縫的致密性，占據(jù)了截面面積，無法保證焊縫機(jī)械性能和塑性。TOFD檢測(cè)圖像顯示，氣孔上下端點(diǎn)衍射信號(hào)混雜，邊界不清晰，部分上端衍射信號(hào)被遮蓋，分辨難度大。表面波紋密集，整體呈現(xiàn)拋物線狀，與焊縫垂直。

3.3 檢測(cè)結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)，不同缺陷的TOFD圖像存在一定的差異性，有缺陷的焊縫下端點(diǎn)有衍射信號(hào)，表面有條狀顯現(xiàn)，可根據(jù)TOFD圖譜準(zhǔn)確判斷缺陷類型。

本試驗(yàn)中，根據(jù)TOFD檢測(cè)特征可見，夾渣與未焊頭TOFD檢測(cè)圖像特征相似，增加了實(shí)際檢測(cè)難度，容易混淆缺陷類型。TOFD焊縫檢測(cè)中，可檢測(cè)到掃查面開口裂紋和地面裂紋缺陷，此類缺陷在TOFD圖像中，缺陷邊緣很清晰，裂紋上端相位與直通波相位相反，但下端的相位是相同的，因此，在判斷地面微小裂紋時(shí)，可根據(jù)地面的回波情況明確檢查結(jié)果。未焊頭焊縫在TOFD圖像中的邊界清晰度較高，伴有不連續(xù)的條紋信號(hào)，若是缺陷位于根部，則表現(xiàn)出強(qiáng)烈的衍射信號(hào)，相位與底波相位正好相反。此時(shí)，可依據(jù)未焊透焊縫的深度、位置等確定焊縫缺陷性質(zhì)。鋼結(jié)構(gòu)焊縫檢測(cè)中，常見氣孔缺陷，通常單個(gè)氣孔缺陷形態(tài)多為拋物線，而密集的氣孔形態(tài)多為不同幅度的弧線，再具體判斷氣孔缺陷時(shí)，可具體進(jìn)行分析。

夾渣也叫體積型缺陷，危害性較大，在TOFD檢測(cè)圖像中，多呈現(xiàn)的是不規(guī)則的形狀，邊界相對(duì)模糊，一般點(diǎn)狀的夾渣衍射波信號(hào)相對(duì)較弱，因此，在檢測(cè)中也容易與氣孔缺陷混淆；當(dāng)圖像顯示的是條狀?yuàn)A渣缺陷時(shí)，容易與裂紋缺陷混淆。為提高檢測(cè)準(zhǔn)確性，降低判斷難度，要全面分析TOFD檢測(cè)A掃圖像、B掃圖像、D掃圖像。同時(shí)，建議根據(jù)信號(hào)波形進(jìn)行區(qū)分缺陷類型，避免檢測(cè)錯(cuò)誤，提高檢測(cè)準(zhǔn)確性。通過研究不同試塊的TOFD檢測(cè)圖像特征，可總結(jié)檢測(cè)規(guī)律和檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，在TOFD檢測(cè)技術(shù)支持下，焊縫缺陷與圖譜圖像一一對(duì)應(yīng)，幫助檢測(cè)人員準(zhǔn)確判斷裂紋情況，避免出現(xiàn)誤判。證實(shí)了TOFD檢測(cè)技術(shù)在建筑鋼結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用價(jià)值，值得在相關(guān)工程中大力推廣和應(yīng)用[3]。

4 TOFD檢測(cè)技術(shù)前景

常規(guī)的檢測(cè)技術(shù)難以發(fā)現(xiàn)隱蔽性缺陷問題，在缺陷定位方面存在一定的局限性，在內(nèi)壁較厚的部件缺陷檢測(cè)方面難度較大，難以實(shí)時(shí)記錄檢測(cè)路徑和相關(guān)的數(shù)據(jù)信息等。TOFD檢測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著，在建筑鋼結(jié)構(gòu)工程焊縫缺陷檢測(cè)中，展現(xiàn)了技術(shù)價(jià)值，在大壁厚部件檢測(cè)方面，可準(zhǔn)確測(cè)量缺陷高度，檢測(cè)效率非常高，解決了傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)中出現(xiàn)的問題。未來，仍需要加深TOFD檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的研究，逐步減小檢測(cè)盲區(qū)，進(jìn)一步提高檢測(cè)質(zhì)量。

5 結(jié)束語

綜上所述，TOFD檢測(cè)技術(shù)在多領(lǐng)域和行業(yè)中得以應(yīng)用，展現(xiàn)了無損檢測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將TOFD檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用在建筑鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)中，發(fā)揮了巨大的作用，提高了檢測(cè)精度。通過試驗(yàn)分析，證實(shí)了TOFD檢測(cè)技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)焊縫氣孔、裂紋、夾渣、未焊透等缺陷中的應(yīng)用價(jià)值，為建筑鋼結(jié)構(gòu)工程焊縫缺陷檢測(cè)提供了新思路，大大提升了工程建設(shè)品質(zhì)。