建筑鋼結構焊縫超聲波探傷失誤案例分析*

楊曉東,楊俊芬,李 倩,車航宇,高 原,鄭子涵,王 聰

(1.西安建筑科技大學材料科學與工程學院,陜西 西安 710055;2.西安建筑科大工程技術有限公司,陜西 西安 710055)

0 引言

鋼結構焊縫無損檢測方法有多種,以超聲波回波反射法最為方便快捷,其也是建筑鋼結構焊縫探傷采用的主要方法。然而建筑鋼結構焊縫構造有其自身特點,超聲波檢測忽視這些特點,往往會造成漏檢或誤判,導致工程事故。由于建筑鋼結構焊縫探傷方法多是應用于機械、特種設備等行業,對建筑鋼結構焊縫探傷檢測失誤分析的研究相對較少。

目前,國內其他行業探傷檢測相關研究較多,如鋼軌、船舶焊接、有色金屬探傷漏檢問題的研究[1-5],壓力容器、核工業等探傷回波影響因素分析[6-12],井架焊縫探傷真偽缺陷信號分析[13],不銹鋼焊縫、大規格鋼棒、鍛件探傷缺陷尺寸定量和定性分析[13-15]等。國外對無損探傷防止漏檢的研究在特種設備方面較多:采用目測、染色滲透檢驗、相控陣超聲檢測、應力分析和有限元分析等對催化重整裝置中互連管道的類似裂紋缺陷和瑕疵進行全面檢驗[16]。為保證結構完整性,采用滲透劑、磁粉、射線照相、超聲波和目視檢測等無損檢測方法可對缺陷尺寸進行量化,提出一種損傷容限方法,對罐車圓周對接焊縫的檢驗進行初步評價。研究超聲波檢測ERW管道中類似短裂紋缺陷的漏檢,采用獨特數據處理系統可識別出更多信息,避免管道泄漏[17]。

近幾年,超聲波相控陣探傷技術有所發展,如通過分析超聲波在各向異性焊縫中的探傷靈敏度,評估相控陣超聲檢測奧氏體焊縫的可靠性,但目前還處于實驗室階段[18];采用相控陣超聲檢測技術對鋼軌頭近表面裂紋進行全面檢測,解決金屬構件表面缺陷較難檢測問題,但技術復雜[19]。國內外其他行業無損探傷技術方面的研究可防止探傷的漏檢或誤判,雖然對建筑鋼結構焊縫探傷有所借鑒,但由于研究對象、材質、方法差異,導致研究技術和結果較復雜繁瑣,不適用于建筑鋼結構現場檢測。

針對目前研究現狀及已發生的鋼結構檢測事故,本文分析研究了超聲波探傷失誤的主要原因。

1 工程事故

1.1 工程事故1

某學校教學樓總建筑面積約15 000m2,其中地上12 000m2、地下1 900m2,地上6層、地下1層。建筑高度24.0m,地上為鋼結構。方形柱由鋼板焊接而成,內澆筑混凝土;梁為H型鋼。鋼柱與梁連接節點區域(500mm以內),柱鋼板拼接L形縱縫為熔透二級焊縫,加工單位出廠進行超聲波檢測,該處焊縫質量合格。施工過程中,對柱澆筑混凝土時,發現3層柱鋼板拼接L形縱縫開裂,如圖1所示。

圖1 內澆混凝土鋼柱焊縫開裂

1.2 工程事故2

某物流倉庫建筑物長66.00m、寬24.40m,地上3層,每層高度6.5m,室內外高差0.15m,工程結構形式為鋼框架。方形柱由鋼板焊接而成,內澆筑混凝土;梁為H型鋼。鋼柱與梁連接節點區域(500mm以內),柱鋼板拼接L形縱縫為熔透二級焊縫,加工單位出廠進行超聲波檢測,該處焊縫質量合格。工程主體鋼結構施工完畢,澆筑樓面和屋面板后不久,發現1層柱L形熔透縱縫開裂,如圖2所示。

圖2 主體鋼結構完工后鋼柱焊縫開裂

上述2個工程事故均為構件出廠檢測合格,后續經專業機構檢測發現工廠加工L形熔透縱縫存在大量根部未焊透或未熔合缺陷,缺陷距離底面0.5～2.0mm,是典型的超聲波漏檢或誤判。

2 探傷失誤分析

調查加工廠超聲波探傷檢測方案,如表1所示。施工L形熔合焊縫構造如圖3所示,焊接方式為CO2氣體保護焊。施工L形熔合焊縫幾何參數如表2所示。現場L形焊縫探傷復測方案如表3所示。

圖3 熔合焊縫構造

表1 工廠超聲波探傷檢測方案

表2 焊縫構造幾何參數

表3 現場L形焊縫探傷復測

2.1 超聲波入射角分析

根據工程構件焊縫構造,要使探頭的橫波直射法和一次反射法能掃查到整個焊縫截面,超聲波入射角度β需滿足tanβ≥(a+L0)/t,其中a為焊縫外表面寬度,L0為探頭前沿,t為鋼板厚度。超聲波入射角分析如表4所示。

表4 超聲波入射角分析

由表4分析可知,工程1超聲波入射角度β要滿足tanβ≥1.9～2.8,工程2超聲波入射角度β要滿足tanβ≥1.8～2.2。2個工程所選擇的探頭超聲波入射角度均不能完全滿足焊縫全截面掃查(工程1,tanβ=2.0～2.5;工程2,tanβ=1.5～2.0),必然會造成超聲波探傷漏檢。

2.2 探傷方法分析

工廠超聲波探傷探測面為單面單側,根據現場條件分析,方法較合理;超聲波采用直射法和一次反射法,對于具體建筑焊縫而言,此方法有一定局限性?，F場復檢采用的是直射法和多次反射法,彌補了不足。直射法和多次反射法探傷如圖4所示。

圖4 直射法和多次反射法探傷

由圖4可知,采用直射法檢測焊縫根部,受焊縫余高及探頭前沿影響,探頭前移受阻,超聲波不能完全掃查到全部焊縫根部?，F場檢測采用多次反射法,超聲反射波掃查焊縫根部的區域變大,探頭5P6×6A65和5P6×6A55(入射角度分別為65°,55°)。多次反射法完全掃查焊縫根部,探頭的入射角度滿足的條件為tanβ≥a/t。現場檢測多次反射法超聲波入射角分析如表5所示。

由表5可知,工程1和工程2現場復測,采用多次反射法探傷,工程1超聲波入射角度β要滿足tanβ≥1.1～1.6,工程2超聲波折射角度β要滿足tanβ≥1.1～1.4。2種探頭超聲波入射角度分別為65°(tanβ=2.14)和55°(tanβ=1.43),可完全掃查焊縫根部,避免探傷漏檢,檢測出大量工廠漏檢焊接缺陷。

2.3 回波能量分析

超聲波探傷機理是探頭發出的脈沖超聲波信號遇到異質介質發生反射,一定能量反射信號被接收到,才可進行回波信息分析。反射回波能量與脈沖頻率、反射面方向及脈沖能量傳播損失等有關。

2.3.1不同規格探頭反射回波分析

橫波斜探頭超聲波的產生是探頭中第一介質中縱波在界面折射進入第二介質而形成。橫波脈沖反射回波能量與超聲場聲壓成正比關系,可用回波聲壓(或波幅)表示。

橫波波源軸線上的聲壓為:

(1)

式中:K為系數;FS為波源面積;f為第二介質橫波頻率;C為第二介質橫波速度;X為軸線上某點至假想波源距離;β′為橫波折射角;α為縱波入射角。

其他條件相同,由式(1)可知,超聲波頻率越高,回波聲壓越高即反射波波幅越大。以φ3mm×40mm孔為對比反射體,采用2.5P13×13K2.0,2.5P13×13K2.5,2.5P10×16K1.5,5P6×6A55,5P6×6A55探頭分別制作距離-波幅曲線,再分別測試φ1mm×6mm,φ3mm×40mm孔回波能量差(dB),如表6所示。

表6 φ1mm×6mm孔與φ3mm×40mm孔回波能量差

由表6可知,2.5P13×13K2.0,2.5P13×13K2.5,2.5P10×16K1.5(頻率2.5MHz)探頭反射回波能量均低于5P6×6A65,5P6×6A55(頻率5.0 MHz)探頭,工廠探傷采用2.5P13×13系列探頭,對于較小危害性缺陷易漏檢或誤判。

2.3.2脈沖能量傳播損失分析

對現場構件鋼板內、外表面進行電鏡掃描分析,如圖5,6所示(工程1中14mm厚鋼板)。鋼板背面表面狀況如圖5所示,鋼板正面表面狀況如圖6所示。微觀分析可看出未經打磨的鋼板2個面表面平整度相差較大。超聲波從一個面入射,再經另一個面反射,探測表面狀態對脈沖能量的影響。

圖5 鋼板背面SEM照片(150倍)

圖6 鋼板正面SEM照片(150倍)

鋼板表面狀態不同對超聲波傳播及反射能量均有一定影響,若打磨探頭移動區域,只能打磨1面,采取補償4dB方法探傷并不能完全消除表面狀態不同對超聲波多次反射波能量的影響。模擬現場鋼板表面狀態,制取不同深度φ3mm長橫孔試件,用2.5P13×13K2.0探頭測試其與RB系列試塊(標準試塊)上φ3mm長橫孔回波幅度差值,如表7,8所示。

表7 14mm厚試件與RB試塊φ3mm長橫孔回波能量差值

表8 20mm厚試件與RB試塊φ3mm長橫孔回波能量差值

由表7,8所示測試數據可知,未打磨的鋼板試件φ3mm 長橫孔回波能量小于RB試塊上φ3mm長橫孔回波能量,但差值大多數<4dB,這是由鋼板表面粗糙度不同引起。14mm厚鋼板正面探傷中,直射波回波能量差值為-2.0～-8.5dB,一次反射波回波能量差值為0～-6.7dB;14mm厚鋼板背面探傷中,直射波回波能量差值為-4.7～-6.0dB,一次反射波回波能量差值為-1.6～-2.9dB。20mm厚鋼板正面探傷中,直射波回波能量差值為-1.3～-5.9dB, 一次反射波回波能量差值為-3.6～-4.7dB;20mm厚鋼板背面探傷中,直射波回波能量差值為-7.0～-9.0dB, 一次反射波回波能量差值為-6.9～-8.3dB。 工廠探傷表面能耗損失補償4dB,多數情況下會將超標缺陷誤判為可允許存在的缺陷。

2.3.3回波反射面分析

超聲波探傷以反射波幅判斷缺陷,反射波幅受諸多因素影響。例如,入射波與缺陷反射面垂直,反射波幅最大,但由于具體焊縫構造特點,根部未焊透或未熔合缺陷的反射面未必會與入射超聲波垂直,檢測到的回波幅度將變小,如缺乏仔細分析會漏檢或誤判。工程1,2反射面分析如圖7所示,焊縫構造坡口鈍邊p為0～1mm,當鈍邊p不為0,超聲波入射點在圖7中1,2點時,未焊透或未熔合缺陷的反射面均不與入射超聲波垂直,反射回波幅度均很小,探傷時若忽略會造成漏檢;當鈍邊p=0,一次反射波方向與坡口面接近90°,反射波幅度雖較大(見圖7中4點),但被判斷為熔敷金屬與襯板結合處(見圖7中3點)的反射,作為非缺陷信號處理,會造成誤判。

圖7 反射面對缺陷回波幅度分析

2.3.4非缺陷回波干擾分析

斜探頭橫波探傷中,入射橫波在缺陷弧面反射的同時,還會產生波形轉換和折射現象,即超聲波經過缺陷弧面時,產生變形縱波L′和折射橫波S′,如圖8所示。

圖8 變形縱波和折射橫波產生

變形縱波L′和折射橫波S′傳播到較光滑的表面上,如入射角度與表面夾角接近90°,則再次沿原傳播路徑返回,被探頭接收。此時探頭接收到的反射波信號包括入射橫波、變形縱波、折射橫波。理論計算變形縱波、折射橫波回波位置分別如式(2),(3)所示,工程1,2理論計算變形縱波、折射橫波回波位置如表9所示。

表9 不同種類超聲波顯示回波位置

(2)

(3)

式中:dL為變形縱波顯示深度(mm);dS為折射橫波顯示深度(mm);VS為鋼板中橫波聲速(m/s);VL為鋼板中縱波聲速(m/s);t為鋼板厚度(mm);β為橫波入射角度;LL為縱波顯示水平距離(mm);LS為橫波顯示水平距離(mm)。

由表9理論分析可知,變形縱波和折射橫波顯示的缺陷位置不在焊縫上,入射橫波顯示缺陷在焊縫上。探傷時由于入射橫波與根部缺陷的反射面夾角較小,反射能量較小,波高較低,而變形縱波與焊縫表面處近乎垂直,反射能量高,數字式超聲波探傷儀缺陷參數均是按最高反射能量自動計算,導致以變形縱波反射信號計算缺陷參數,將缺陷信號判斷為非缺陷顯示(計算出的缺陷不在焊縫上),導致漏檢。

事故工程焊縫表面采用埋弧焊成型,焊縫表面光滑,變形縱波信號強烈,干擾了缺陷信號的判別,造成漏檢。

3 結語

對于建筑鋼結構焊縫,探傷失誤的主要原因為:探頭規格、探傷方法選擇不合理,導致掃查焊縫截面不全面和缺陷回波信號較弱產生漏檢;回波信號分析失誤,表面能耗補償不合理,產生誤判。

為避免焊縫探傷漏檢和誤判,探傷前要分析焊縫構造,選擇折射角度相差10°以上小晶片、頻率相對較高探頭組合;探傷方法采用多次反射法和直射法結合;采用構件鋼板加工對比反射體,以避免表面能耗補償;提高檢測人員分析變形波等非缺陷信號的技能。