殘余應力檢測技術在橋梁鋼結構焊縫的應用

朱 飛，尹東亞，陸榮偉，高 科

隨著焊接工藝、焊接技術、焊接設備等研究的深入和發展，焊縫的性能逐步提升到更加接近母材。焊接技術在橋梁鋼結構制造的應用，實現了在制造工廠的板單元制造、節段拼裝和橋位現場拼裝的流水作業，有效地提高了鋼結構橋梁的制造效率，縮短了橋梁建造周期。由于鋼結構焊縫工藝在焊縫區域需要經歷溫度的升高降低和相變的影響，鋼結構焊縫中不可避免地存在殘余應力，殘余應力會限制焊縫的變形能力和力學性能，從而影響整個構件的尺寸、性能及使用壽命。闡述殘余應力檢測方法研究情況，橋梁鋼結構沉井的結構特點及制造工藝，探頭了超聲檢測方法在沉井結構焊縫的殘余應力檢測的適用性和有效性。

1 殘余應力檢測方法研究現狀

殘余應力是由于材料的制備及加工后在材料中殘留的附加應力，對材料的力學性能、耐腐蝕性能、使用壽命等方面均有一定程度的影響，尤其是現場大型焊接件，無法或很難采用整體消除殘余應力的方法，局部消除殘余應力方法的實施效果需要有效性的檢測方法進行驗證。

殘余應力常用的檢測方法有鉆孔法、射線檢測、磁性檢測、超聲波檢測等。鉆孔法一般是在試件表面鉆取小直徑盲孔，通過釋放盲孔缺失區域的殘余應變，再測量盲孔區域應變的變化情況進行應力的計算。小直徑盲孔法是一種局部破壞性檢測方法，但其測量結果較為準確且對構件的損傷相對較小，已成為構件殘余應力現場實測的一種標準試驗方法。

殘余應力的射線檢測法，其原理是通過測定X射線在物質內的衍射現象來計算殘余應力。當金屬材料內部存在殘余應力時，其微觀尺度的晶格排列及間距將發生一定的變化，從而導致X射線產生的布拉格效應產生變化且其變化程度與殘余應力有關，通過測量出的衍射角計算出對應方向的殘余應力。劉柏清等采用X射線衍射法對大型起重機械鋼結構部件常用的Q345平板對接試樣進行測試分析，焊縫中心為殘余拉應力，從焊縫的熔合區到熱影響區其殘余拉應力值逐漸減小，融熔合線處的殘余應力梯度較大，由焊縫熱影響區到母材其殘余應力進一步降低并呈壓應力狀態，焊縫熔合區的金屬在電弧加熱作用下膨脹擠壓焊縫附近母材使其處于壓應力狀態，在焊后冷卻階段焊縫熔合區的金屬隨著溫度降低產生收縮變形從而使得熔合區處于拉應力狀態，由焊縫熔合區到熱影響再到母材，由拉應力狀態變化到壓應力狀態。由于焊縫熔合區的殘余應力變化梯度大，是影響其構件性能及使用壽命的重要影響因素。何山等分析了采用X射線衍射法進行Q235B焊縫殘余應力檢測的結構及表面處理方式對檢測結果的影響因素分析。圓筒環形對接焊縫的結構因素包括焊縫寬度、厚度、直徑等，并研究了電動打磨、手工打磨、電化學腐蝕等表面處理方式對檢測結果的影響，電動打磨勞動強度低效率高，但會破壞試件表面的殘余應力分布產生較大的附加應力區域；手工打磨勞動強度大對構件影響較小，但也會增加試件殘余壓應力但手工打磨方向一致時可改善試件表面殘余壓應力的影響；電化學腐蝕殘留的電解質能與母材形成無殘余應力的組織，電化學腐蝕后的拋光不完整會導致殘余應力值減小，且試件表面殘余應力隨著腐蝕深度的增加呈減小趨勢。李磊等闡述在役特種設備球形儲罐壓力容器焊縫的殘余應力檢測的重要性，焊縫的殘余應力檢測可避免裂紋的產生和擴展從而提升球形儲罐的使用安全性。在役焊縫的殘余應力檢測需要去除表面涂裝或銹蝕層后方可進行基體檢測，以與球形儲罐材質及板厚相同的平板對接試塊試樣進行涂裝/銹蝕層打磨、拋光及檢測工藝探索，采用機械方式去除涂裝層和銹蝕層至露出金屬光澤，由于表面涂裝層和銹蝕層的機械去除方式會產生附加表面壓應力，需要采用電解拋光的方式去除附加壓應力區域。通過幾種表面涂裝或銹蝕層的處理方式對檢測結果的定量分析對比，采用千頁片和砂輪機打磨具有較小附加壓應力層，選擇合適的探頭距離和探頭角度獲得完整的德拜環，從而保證殘余應力測量值的準確性。

徐春廣等人設計了基于臨界折射縱波的殘余應力超聲檢測法，采用發射探頭激發臨界折射縱波、接收探頭接收的信號來檢測殘余應力場。其原理是縱波波速的變化與材料內部應力值呈線性關系，縱波波速隨壓應力增大而增加、隨拉應力增大而減小，但殘余應力差異引起的縱波聲速變量太小而較難測量，臨界折射縱波對其傳播方向的殘余應力較為敏感。通過對C形應力試樣的檢測結果表明了殘余應力超聲檢測方法的有效性。以不同材質的金屬材料拉伸試驗下的應力變化規律，進行非線性超聲特性研究。采用超聲橫波、縱波相結合的方法研究了螺栓軸向拉伸的殘余應力變化。殘余應力的本質是晶格彈性畸變，而晶格彈性畸變很大程度上是由晶格之間的約束力引起的，高能超聲提供金屬內部質元的能量大于晶格之間的約束力的勢能時，金屬內部的殘余應力將得以釋放。徐春廣等建立了高能超聲殘余應力調控系統，對西氣東輸的管道的環焊縫和縱焊縫進行殘余應力檢測及消減，提高了服役機械構件整體強度、抗疲勞和耐腐蝕能力，增加了管道的使用壽命、安全性和可靠性。

2 常泰長江大橋及沉井的結構特點

常泰長江大橋位于江陰大橋上游和泰州大橋下游，連接常州與泰興，是一座集高速公路、一級公路和城際鐵路的公鐵兩用鋼桁架斜拉橋。傳統的公鐵兩用橋梁一般采用公路在上、鐵路在下的雙層方案，如南京長江大橋、滬蘇通長江大橋、五峰山長江大橋等，常泰長江大橋采用了雙層非對稱結構設計方案，上層為高速公路、雙向6車道方案，下層的下游側為雙向4車道的一級公路、上游側為兩線并行的城際鐵路方案。常泰長江大橋主跨度為1176m，是在建橋梁中跨度最大的公鐵兩用斜拉橋，其橋塔的設計及建造的困難傳統設計和工法無法滿足，主航道斜拉橋橋塔基礎采用鉆孔灌注樁+沉井相結合的方式。

由于橋梁的設計荷載較大，常泰長江大橋斜拉橋主跨的橋塔墩基礎曾對比了鉆孔樁、鋼管樁和沉井三種方案的適用性和經濟性，鉆孔樁基礎需要227根直徑為2.5m的鉆孔樁，其承臺結構尺寸達到了99m長、81.6m寬，近百米的承臺尺寸，河床沖刷作用大，且承臺下河床沖刷深度的影響因素多波動性大，難以進行沖刷程度的檢測及修復。若采用常規的沉井基礎，其截面尺寸為92.9m長、54.2m寬，在沉井于橋塔連接處的承臺是一個平面大尺寸的厚壁鋼筋混凝土結構，大量的工程實踐表明，大尺寸后壁鋼筋混凝土結構影響因素多，容易開裂，而有效的抑制開裂的方式是減小截面尺寸。采用常規的沉井基礎設計方案將會導致沉井基礎的尺寸巨大，橋梁基礎采用鋼筋混凝土結構，沉井尺寸越大、壁厚越大，則澆筑的大體積混凝土受到影響因素越多出現開裂的可能也越大。同時鋼沉井尺寸越大，其下沉施工的難度也越大，沉井的埋深還受局部沖刷深度和持力層的影響，沉井沖刷是水流遇到障礙物從產生，長江的水流深度及流速均較大，水流沖刷也限制了沉井尺寸不能太大。通過綜合對比研究采用了鉆孔灌注樁和沉井相結合的橋塔基礎。沉井的截面均采用跑道形設計，即在水流的上游和下游均采用圓弧形設計、與水流平行方向采用矩形設計，既使得沉井具有較高的抗水流沖刷能力，又能具有較好的抗水壓承載力，使得沉井結構具有較高的承載力和穩定性，跑道形結構使得沉井在著床、浮運過程中，水流的流場變化對沉井的縱向和橫向水流力影響較小。

綜合常泰長江大橋的設計載荷和水力條件，橋塔基礎采用臺階型減沖刷減自重沉井基礎。沉井鋼結構總高度64米，自底向上共分為10個節段，其中截面變化的臺階位于第6、7節段之間，1個～6個節段的大尺寸可以滿足橋塔載荷的要求，7～10節段的小尺寸可滿足水流沖刷要求，同時減少了沉井的厚壁大體積鋼筋混凝土的開裂影響因素。

沉井的施工步驟是將沉井鋼結構在制造廠內依次進行板單元制作、小節段拼裝焊接，到橋位現場進行第1節段整個截面拼裝焊接，內部灌注鋼筋混凝土，依次進行后續節段鋼結構拼裝焊接、澆筑混凝土、下沉。第7、8、9、10的焊接施工除了水流沖刷作用，還要受到前面節段結構尺寸偏差累計的影響，從而導致鋼結構焊縫產生更大的結構變形和殘余應力。

3 沉井鋼結構焊縫的無損檢測

以常泰長江大橋斜拉橋橋塔基礎的鋼沉井結構的對接焊縫為研究對象，涉及的鋼板厚度分別為10mm和18mm，分析常規無損檢測方法的適用性，以及如何充分利用各種檢測方法的優點來提高焊縫缺陷的檢出率，從而有效保證鋼沉井對接焊縫的制造質量。

常規的無損檢測方法包括超聲波檢測、射線檢測、磁粉檢測和滲透檢測。超聲波檢測方法是利用聲束的反射、衍射特點進行缺陷檢測，鋼沉井結構對接焊縫宜采用脈沖超聲波檢測方法，利用聲束遇到缺陷反射信號的聲程和衰減情況，進行缺陷位置和缺陷大小的判斷，對接焊縫的超聲波檢測應采用斜探頭進行鋸齒形掃查，為了能夠發現各種形式及走向的缺陷，應分別再焊縫兩側沿著焊縫縱向和橫向進行多次檢測，從而提高缺陷檢出率。射線檢測是利用X射線或γ射線經過待檢物體時的衰減規律，當待檢區域存在缺陷時，缺陷部位會在底片上曝光量大于無缺陷部位，通過底片沖洗顯影后即可進行缺陷位置及大小的判斷。磁粉檢測的原理是通過將待檢工件進行磁化，當待檢區域存在缺陷時，缺陷區域附近的磁場將會發生變化，使用磁懸液可顯示因缺陷引起的磁場變化情況，從而進行缺陷位置及大小的判斷。滲透檢測是利用毛細作用原理，當待檢工件存在開口型缺陷時，滲透液將深入缺陷處，再利用毛細作用將缺陷處的滲透液在工件表面顯示，由此進行缺陷位置及大小的判斷。

對于鋼沉井結構對接焊縫的無損檢測，超聲波檢測、射線檢測、磁粉檢測和滲透檢測均具有適用性，但也存在一定的局限性，多種無損檢測方法的組合使用，可在檢出率、檢測效率、經濟性方面取到更好均衡性。基于脈沖的超聲波檢測方法對面積型缺陷更加敏感，具有更高的缺陷檢出率和檢測效率，但要求缺陷走向與聲束角度盡量垂直，因此需要進行多次多個方向的掃查方能保證其缺陷檢出率。射線檢測方法對體積型缺陷更為敏感，對面積型缺陷的檢出率受缺陷走向的影響較大，射線檢測需要經過拍片檢測、洗片、評片等環節，射線檢測的周期較長、檢測效率較低，現階段發展的電子射線法可實時顯示結果，但其設備昂貴導致檢測費用較高。磁粉檢測要求待檢工件具有鐵磁性，檢測精度可達到微米級，但僅能檢測表面及近平面缺陷，無法進行內部缺陷檢測。滲透檢測根據其原理可檢測表面開口型缺陷，無法檢測非開口型內部缺陷，滲透檢測需要消耗檢測試劑，但對檢測環境具有更好的適應性。超聲波檢測和射線檢測對于內部缺陷具有更高檢出率，磁粉檢測和射線檢測對于表面缺陷具有更高檢出率。為了在檢出率、檢測效率、檢測成本方面獲得更多的平衡性，在工廠內部采用超聲波+射線+磁粉檢測的組合形式，采用超聲波和射線進行內部缺陷檢測、磁粉進行表面缺陷檢測，在橋位采用超聲波+滲透檢測的組合形式，超聲波進行內部缺陷檢測、滲透進行表面缺陷檢測。

4 沉井鋼結構焊縫的殘余應力檢測

沉井鋼結構外壁和內壁的鋼板厚度分別為18mm和10mm，外壁需要較大的水壓力和水流沖刷作用，因此其壁厚更厚，鋼結構焊縫的厚度越大，其焊接難度更大且焊縫的殘余應力的區域和數值也更大。當鋼結構焊縫存在較大的拉應力時，會導致結構的焊縫變形能力變差，當承受低于強度極限時就會產生裂紋，殘余應力的存在對鋼結構焊縫的力學性能、承載能力和使用壽命均具有較大的影響。對于橋梁沉井的大尺寸鋼結構焊縫，應采取有效措施減小或消除殘余應力。常用的消除殘余應力方法有退火、錘擊、超聲沖擊等方法，退火是最簡單有效的消除應力方法，但由于沉井鋼結構焊縫尺寸大，且現場條件限制，難以實現退火消除應力。錘擊法也是有效的消除應力方法，但錘擊力大小和方向受施工人員影響很大，操作不當會導致焊縫產生附加損傷，同時錘擊消除應力方法勞動強度大效率低。超聲沖擊法在消除應力效果、勞動強度和施工效率方面，對于沉井鋼結構焊縫具有較好的適用性。鋼結構焊縫殘余應力的消除效果需要有效的檢測方法來保證。

采用超聲殘余應力檢測方法分別對應力消除前后的沉井鋼結構焊縫進行應力測量。以臺階型沉井鋼殼的第8、9節段鋼結構焊縫為對象，采用超聲殘余應力檢測方法進行焊縫殘余應力測量。測量設備采用超聲應力儀（型號為USG_S2），時域分辨率0.37ns，采用精度為12bit，采用的探頭為直徑為6mm、頻率為5MHz的探頭，測量方式是一發一收。探頭與待檢工件之間要良好耦合，因此在進行測量前需要對焊縫檢測區域進行打磨，且由于檢測時鋼結構焊縫形式包括豎直和水平兩種形式，兩個探頭分別布置在豎直焊縫的左側和右側，水平焊縫的上側和下側，通過獲取的超聲信號波形進行焊縫殘余應力的測量。

在沉井鋼殼的第8節段和第9節段分別選取了20處對接焊縫進行殘余應力測量，測量結果的殘余應力值均在200MPa以內，且相同位置的2個測量值的差異均在可接受范圍之內。

5 結語

闡述了鋼結構沉井的設計思路及結構特點，常用無損檢測方法在沉井鋼結構對接焊縫的適用性及組合使用可在檢出率、檢測效率和檢測成本獲得更多均衡性。

闡述了鋼結構焊縫產生殘余應力的原理，殘余應力對焊縫的力學性能、構件的使用壽命具有一定程度的影響。采用超聲殘余應力檢測方法對橋梁沉井鋼殼對接焊縫進行應力測量，測量結果表明了殘余應力檢測方法在橋梁鋼結構焊縫應用的有效性。