土木工程中钢结构无损检测技术及其应用

曹立人

无损检测技术在土木工程中的应用具有重要意义，它主要包括超声波法、回弹法以及雷达检测法等。其中，钢结构的无损检测大多选择超声波探伤技术，该技术是通过发射声波，在构件检测表面的耦合剂中传播，接收反射波与质量合格的钢结构声波进行对比，从而判断钢结构是否出现裂缝与焊缝质量问题等。因此，在土木工程无损检测技术的应用研究中，应重点关注超声波检测法及其在钢结构探伤中的应用。

1 土木工程中开展钢结构无损检测的目的

1.1 保证土木工程的施工质量

目前，我国土木工程领域中钢结构的应用较为广泛，为了方便施工，多是在施工现场通过焊接、螺栓等方式连接或固定钢结构。在此过程中，由于是手工焊接工艺，很容易因操作不当、施焊环境不满足要求而出现缝隙、损伤等问题。由此可见，应用无损检测技术对土木工程中的钢结构焊缝进行探伤检测，十分重要且必要。在钢结构工程无损探伤过程中，要根据不同的类型和结构元件选择不同的无损检测技术，适时排查缺陷，展开焊缝质量检查，从而排除相关因素对工程实体的影响与干扰。从实际工程效果来看，应用无损检测技术检测钢结构焊缝的质量，能够切实提升土木工程的施工质量，提高钢结构工程的焊接技术水平[1]。

1.2 促进钢结构工程的可持续发展

土木工程钢结构中使用超声波、磁粉、渗透及射线等无损检测技术，可以在一定程度上提高工程效益。第一，不同的损伤检测技术有各自的特点和优势，方便监理或技术人员针对不同材质、不同部位和不同结构选择合适的无损检测技术，以最低的成本完成土木工程结构的损伤诊断和管理工作，进一步提高土木工程的经济效益。第二，无损检测技术在土木工程中的应用，能够提高工程施工的安全性，保证工程的使用寿命等，进而促进钢结构工程的可持续发展。

2 土木工程中钢结构超声波探伤识别技术原理

超声波无损探测技术原理是利用所检测物体的超声波形与钢标准块的超声波标准曲线进行对比，从而检测出被检测对象可能存在的气孔、夹渣及裂纹等缺陷，若出现反射回波异常的情况，则说明钢结构中存在焊缝空间异常的情况。

2.1 点状非金属夹杂物反射波特征

钢结构中如果存在点状气孔或非金属夹渣等，超声波形中就会出现波峰较圆钝或波形间有1 ～2个低矮波峰的缺陷波，该缺陷波的根部较宽，探头稍作移动缺陷波就会立刻消失，而且改变探头方向探测时获得缺陷波的形状也各不相同。对于条状夹杂物，探头平行移动时，缺陷波会连续移动；或者在一定长度范围内，波峰连续波动但缺陷波不会消失。当焊缝内存在大量点状分布的夹渣时，超声波检测所产生的波形峰值就会此起彼落，波形杂乱无章，并出现各种不规则的连续异变[2]。

2.2 气孔反射波特征

气孔反射波一般具有尖锐、陡峭和波根清晰的特点，当探头围绕该缺陷旋转移动时，均能探测到缺陷波；当超声波探头沿平行焊缝方向移动时，单个气孔及针状气孔的缺陷波很快就会消失，连续气孔则不断出现缺陷波，密集型气孔会出现多个此起彼伏的缺陷波；当探头向焊缝的方向移动时，气孔缺陷波会瞬间消失，但针状气孔除外。

2.3 未焊透与未熔合缺陷反射波特征

缺陷波很高，尖锐、陡峭、波根清晰，当探头沿焊缝平行移动时，在较大范围内连续出现缺陷波且在屏幕同一位置上，幅度变化不大；若未焊透深浅不一时，波幅会发生一定变化，但变化不大。当探头沿焊缝垂直移动时，缺陷波消失的快慢取决于未焊透的深度。当探头做环绕移动时，缺陷波降低，最后消失。未焊透的情况一般出现在焊缝底部，深度接近板材厚度；未熔合一般出现在焊缝和母材交界的位置。

2.4 裂纹缺陷反射波特征

只有波束和其长度方向垂直时才能探测到裂纹，缺陷波形明显、尖锐、波峰陡峭。探头平行移动时，波形在荧光屏上随裂纹的方向、曲折程度而变化，探头移动一定的距离后才逐渐减小，直至消失[3]。

3 土木工程钢结构探伤中超声波检测技术的应用要求

超声波检测法适用于长距离检测，距离越长传回的声波就会越微弱。在检测过程中，当超声波到达材料时会发生散射及反射，其结果能够反映出检测对象是否存在缺陷以及检测对象的厚度。不仅如此，该技术还具有内部缺陷检测结果精准、对钢结构损伤小、对人体基本无害、不存在类似射线探伤检测的安全隐患以及便于操作等优点，但会受到介质密度、声速等众多因素影响，因此在实践应用中需要格外注意这些问题。该技术应用的具体要求主要包括以下几个方面。

3.1 做好焊前准备工作

在对钢结构构件焊接实施探伤检查前，技术人员要先熟悉构造图，了解被检查钢结构构件的材料、厚度、曲率、坡口形式以及焊接等级等实际情况后，再根据钢结构类型及元件等特点，选择合适的探头。同时，要对被检测的钢结构构件焊缝两侧进行预处理，常见的有抛光、打磨等，待钢结构表面露出金属光泽且满足检测条件后，按照专业规定选择略大于2.5 倍K 值和母材厚度的乘积作为打磨宽度。打磨好后进行核验，合格后开展超声波检测作业。

3.2 科学选择探测面与探头

探头是一个可逆的声电转换器件，在检测过程中具有同时发出和接收高频脉冲弹性信号的功能。探测器构造主要包含压电传感晶片、制音片、壳体、阴极、防护膜（斜锲）以及调谐线圈；探测器类型包含直探头（聚焦直探测器、单晶片、双晶片）、斜探头（具有表面波探测器、横波探头）。由于钢结构缺陷具有多样化及不确定性，因此需要依据实际缺陷状况和焊缝种类来选定检测面与探头。例如，在选用探头时，应根据钢结构焊接工艺、造型特征以及有可能出现缺陷的部位正确选用探测器；在选用检测面时，应根据焊接特点和缺陷可能扩散方向来科学选用[4]。

3.3 科学选择探头角度与频率

超声波探伤法要想达到最好的钢结构检验应用效果，科学合理选用探头视角和频率至关重要。首先，探伤法的检验人员应在充分考虑钢结构中各种焊接坡口类型、预测缺口种类以及钢板的厚薄程度等实际状况下，科学合理选用探头视角。例如，由于多数钢结构构件所采用的钢板厚度相对较小，因此探头视角也不应太大。超声探伤探头视角通常选用K1.5 ～K2.5，但在钢网架结构杆件搭设测试中，一般选用K3 探头。在探头频率选用中，既要保证超声探伤测试清晰度符合规定，又要保证其具备一定的穿透力。这主要是因为探伤检查技术人员一旦使用频率过低的探头作业，将会造成探伤检查的清晰度不够；一旦频率选择过高，则易造成超声波的穿透力因衰减增加而减弱，从而无法保障检查质量。

因此，检查技术人员必须在全面综合钢结构工程中各种材料的材质及厚薄等实际情况的基础上，科学合理选用探头频率。通常情况下，在钢结构检查中选用2.5 MHz 的探头[5]。

3.4 科学选用耦合剂

在检查钢结构缺陷时，应确保所采用的耦合剂具备优异的流动性和透声性，同时需对人体无害，对环境无污染，对钢结构本身无腐蚀。市面上有着很多耦合剂产品，在保证质量和环保的前提下，要尽量选用价格实惠的耦合剂，通常采用洗洁精和化学浆糊作为耦合剂。

4 超声波探伤识别技术在土木工程钢结构探伤中的实践应用

土木工程施工过程中，往往需要对钢结构焊缝质量进行探伤检测，旨在及时发现钢结构的质量缺陷，并采取防腐、加固等有效的补救措施。超声波检测技术在钢结构探伤中的应用，主要是依靠一种频率高达几百千赫到几兆赫的高频率脉冲弹性波。技术人员根据相关计算方法与土木施工等资料，将探头放置到指定位置，通过发射超声波和接收反射波，结合荧光屏（示波屏）上的反射波信息，计算出来构件缺陷的大小和位置等，使监理人员与施工人员能够准确掌握钢结构的焊接质量。本文以甘肃省兰州市中川国际机场三期扩建工程为例，详细阐述应用超声波检测技术进行钢结构探伤的有效措施，以供参考。

4.1 工程概况

兰州中川国际机场是国家实施西部大开发战略后改扩建的第一座西部地区机场，该机场是西北省会城市4E 级干线机场，跑道全长4 500 m，位于兰州市永登县秦王川冲洪积盆地下游，海拔1 947 m，属于高原机场。其中，航站楼共包括1 个航站楼主楼及A ～D 4 个指廊（包括61 座登机桥）。航站楼主楼地上3 层、局部地下2 层；指廊A 地上3层（局部夹层），屋盖采用钢结构，整个工程中危大工程包括4 个指廊桁架。本工程钢结构施工涉及A ～D 4 个指廊、航站楼E1 ～E3 区的屋盖大跨度桁架网架，以及B ～D 指廊大跨度矩形钢梁；主要构件类型均为热轧无缝钢管和圆钢管，材质主要为Q355C、Q390C、Q390GJC 和Q420GJC，圆管截面主要包括φ245×8、φ325×16、φ405×16、φ500×35 等。

4.2 钢结构超声波探伤技术的具体应用

4.2.1 钢结构柱以及梁连接焊缝超声波探伤

通过对钢结构构件的受力分析可知，本工程中钢结构柱的受力较大。若其在施工过程中出现焊接工人责任心不强、焊接水平达不到要求的情况，会导致在收缩应力影响下产生层状撕裂，且面积会因焊缝的叠加而增大，从而严重危及钢结构的安全。因此，需要检测单位通过超声波探伤等检测手段加强对裂纹的检测，控制焊缝质量，避免该类问题发生。但是焊缝裂纹一般在焊接完成24 h 后才能逐步表现出来，这就要求检测人员掌握好检测时机；部分裂纹可能与超声波传播方向平行，无法观测到缺陷反射波，因此在检测过程中应采用不同的方法移动探头，如横向移动、竖向移动、斜向移动以及环绕移动等。对于裂纹，当超声波传播方向与缺陷方向垂直时，缺陷波形明显、尖锐，波峰陡峭；当探头平行移动时，波形在荧光屏上随着裂纹的方向和曲折程度发生变化，探头移动一定距离后才逐渐减小，直至消失。

4.2.2 大跨度钢管桁架网架接头焊缝超声波探伤

本工程大跨度钢管桁架网架焊缝主要为拼接接头的对接焊缝和连接接头的角接焊缝。由于钢管的直径和厚度均较小，锐角接头焊缝的超声波检测较为困难。角焊缝的超声波探伤检查通常使用斜探法，所选择的探头晶片尺寸、频率和扫查方法，应满足超声波发射声束覆盖焊缝全部横断面的要求。通过反复试验，确定探头晶片尺寸为9 mm×9 mm，频率为5 MHz。焊接扫查法主要采用锯齿和斜平行，扫查过程中要实时注意波屏显示信息，如果波屏上的回波信号振幅过大，甚至超过了评定线范围，应将其定性为可疑回波，并及时在相应焊缝部位加以标记。

第一，初探。首先，通过锯齿型扫查法来扫查检测部位，确定其是否产生夹杂、气孔以及根部问题。其次，用水平和倾斜平行扫查法来扫查热变形部位和角焊缝处，判断是否发生横向或者斜横向裂纹的问题。第二，复探。复探在效率方面不如初探。首先，通过仔细检查、初步勘察并标记位置，确认缺陷的回波方向，记录好诸如定长、定位等信息。其次，可以通过环绕、旋转、前后等基本检测方法来判断缺陷程度、种类及数量。

4.2.3 有垫板焊缝超声波探伤

本工程部分钢结构焊缝内衬垫板，施焊前如果垫板表面清理不彻底，极易在焊缝中形成夹渣，还容易产生根部未焊透、未熔合等缺陷，影响焊缝质量；而且内衬垫板反射波会干扰根部缺陷的检测，给超声波无损检测带来了极大挑战。对于内衬垫板的钢结构焊缝根部缺陷检测，首先要选择合适的探头，通过频率、晶片尺寸以及K 值的选择，保证既有一定的清晰度，又有足够的穿透能力。在反射波分析过程中，要根据波形、反射波深度、位置分析确定是缺陷反射波还是衬垫板反射波。

如果反射波深度与母材厚度相吻合，缺陷波很高，尖锐、陡峭、波根清晰，当探头沿焊缝平行移动时，在较大范围内连续出现缺陷波且在屏幕同一位置上，幅度变化不大，一般为垫板反射波。若反射波深度略小于母材厚度，探头沿焊缝垂直移动时，缺陷波反复消失出现或时降时升，一般为根部未焊透、未熔合等缺陷，且反射波消失的快慢取决于未焊透的深度。如果超声波形中出现低矮波峰的缺陷波，波幅较低，波根较宽，探头略有移动则缺陷波很快消失，且在不同方向探测时会获得不同形状的缺陷波，或超声波检测所产生的波形峰值出现各种不规则的连续异变且反射波深度小于母材厚度，可判定为焊缝中的夹渣。

5 结语

钢结构在现代土木工程领域中极为普遍，具有较好的应用优势。本文针对土木工程中钢结构缺陷和无损检测技术展开探讨与探究，旨在明确超声波探伤识别技术的应用目的与价值，力求在今后的土木工程建设中发挥该技术的优势，更加精准、快速识别钢结构缺陷，从而及时采取相应的补救措施，推进轻钢结构建筑工程的蓬勃发展。