摘要：钢结构产业是国民经济中至关重要的部分。通过无损检测对钢结构焊缝进行检测显得尤为重要。钢结构工程已经全面运用于各行各业从常见的公交站台到造型别致的凯旋门从简单的钢管桩基础到横跨江河的桥梁从地面的居民房屋到耸入云端的超高建筑。为了准确了解成型后的焊接结构或焊件是否符合使用要求,也不用在大面积实施具有破坏性的试验的前提下针对钢结构焊缝无损检测技术在目前钢结构工钢结构焊缝无损检测工程领域的应用本文对几种常见的钢结构工程焊缝无损检测技术的应用进行了深入分析。
关键词：钢结构；焊缝；缺陷；无损检测
一、引言
无损检测的发展经历了无损探伤、无损检测、无损评价这3个发展阶段。无损探伤即为对缺陷的探查与发现；无损检测则是在无损探伤的基础上进一步确定缺陷位置、性质、大小及状态；无损评价的内涵更为广泛，其要求对被检对象要掌握以更加全面、准确的综合性信息，以评估被检对象的运行状况与寿命。无损检测即为在对被检测对象的应用性不会造成影响的基础上，应用超声、红外、射线、电磁等技术手段与设备来对其进行物理、化学参数，以及缺陷检测、无损检测是开展工业生产所必须要应用到的一项工具手段。针对钢结构工程焊缝实施无损伤检测，可将钢结构在焊接过程中所存在着的各项缺陷问题及时找出，是保障钢结构工程安全性的一项关键措施。钢结构方便简单,具有很好的抗震性,能够节能环保,其应用范围越来越广泛。我国在1985年建城国内第一个深圳发展中心——深圳发展中心大厦,其后各地钢结构建筑在全国各地迅速兴起。一般来讲,钢结构具有强度高、综合经济效益好的等优点,受到建筑行业、机械行业的重视,在一些重点工程中起到了重要作用。钢结构工程的安全性受到了工业界的普遍关注,在一些重点工程中钢结构的安全质量事故为我们敲响了警钟。钢结构的检测技术是保证钢结构工程安全的主要手段。钢结构的检测主要有模拟实验、破坏性实验和无损检测三种方法。模拟实验能够对钢结构整体性能做出评估,但其成本高、周期长、破坏性实验能够对被抽检样品做出精确判断,但是不能对工件整体进行检验，无损检验能够对原材料和工件进行完全的检测,工艺简单,成本低廉,近年来手段钢结构工业青睐。我国早在20世纪80年中期就将无损检测技术用于钢结构工程,取得了较好的效果。在上海证卷大厦工字梁、卢浦大桥等重大工程中都用到了无损检测技术。
二、钢结构焊缝缺陷的无损检测的技术应用
1.超声检测
超声检测仪的基本原理主要是利用超声波的反射和透射特性,通过接收回波信号,进行缺陷评定。超声波遇到缺陷和两种不同介质的界面时都会发生反射,反射信号被探头接收后,通过检测仪内部的电路转换,就可以把缺陷信号和底波信号形象的显示出来,根据超声波的反射次序,我们可以轻易地将缺陷信号和底波信号分开,通过标准试块进行定标,就可以实现缺陷的定位和定量。超声检测被称为UT，在实际检测过程中，相关技术人员要结合GB50205-2001钢结构验收规范的具体内容进行判定和分析，检测比例一般要控制在焊缝长度的10%-20%。在标准要求中，探伤比例要按照焊缝长度的百分比进行分析，且要在200mm以上。因为超声波要借助介质形成反射或者是折射，因此，利用探头对>20k Hz的超声波进行测定，就会在表面出现缺陷的位置形成反射回声波，只需要将其记录在专用仪器设备中，就能结合脉冲波形具体要求和物理参数进行处理和分析。需要注意的是，反射能量越大表面反射面越大，则证明相应的缝隙结构较大。仪器设备：PXUT-350+、CTS-9002PLUS及HS600数字金属超声波探伤仪器。检测准备：调试仪器,定标并校正探头K值、前沿,制定DAC曲线。对需检测的焊缝进行打磨处理,并去除焊缝周围飞溅、焊瘤等表面缺陷，如图A、B所示。
C.对接焊缝超声波探伤并标注返修部位及深度 D.角对接组合焊缝超声波探伤
频率是影响对缺陷定量可靠性的重要因素,它决定着能检出缺陷的理论最小分辨率,所以针对钢结构焊缝的特点,探头采用频率取为宜。晶片的大小对检测也有一定的影响,选择晶片尺寸时要考虑以下因素：（1）晶片尺寸增加,半扩散角减小,波束指向性变好,超声能量集中,对检测有利；（2）晶片尺寸增加,近场长度迅速增加,对检测不利；（3）探头晶片尺寸较大时,探头入射至反射体的能量大,且指向角较小,能量相对集中,发现远距离缺陷能力强。但通常晶片尺寸大的探头,前沿较大,一次波能直接扫查的区域减小。探测频率相同时,晶片尺寸小,有利于发现薄板焊缝缺陷。大K值探头,一次波能直接扫查的区域也较大,但实际使用中,K3.0的探头会有不同程度的表面波干扰,增加缺陷判断的难度。当然,表面波与缺陷波还是能区别的,在一定范围内前后移动探头,表面反射波讯号通常始终存在,且波幅变化不显著。而缺陷波只有探头在特定的位置,才具有最佳的反射条件,因而,发现缺陷波时前后移动探头,波幅变化显著。
2.磁粉检测
磁粉检测的基础是缺陷处漏磁场与磁粉的相互作用,即铁磁性材料或工件磁化后,在表面和近表面如有不连续性存在,则在不连续性处磁力线会离开工件和进入工件表面发生局部畸变产生磁极,并形成可检测的漏磁场,它吸附施加在工件表面的磁粉,形成在合适光照下目视可见的磁痕,从而显示出不连续性的位置、形状和大小。磁粉检测技术也被成为MT，主要是借助漏磁场和磁粉之间作用进行判定的技术过程。在铁磁材料被磁化后，其表面就会形成较为有序且均匀分布的磁力线，这就必然会形成相应的漏磁场，正是借助磁场能有效吸附相应被检测材料表面的磁粉物质。需要注意的是，磁粉会在缺陷位置的边缘聚集，就会形成较为明显的磁痕。这种检测方式在光照下就能对实际缺陷位置、缺陷数量等进行集中判定，不仅可操作性较强，且灵敏度高，能有效完成无损检测。然而，这种方式还存在一定的局限性，就是只能应用在铁磁性材料等磁性金属仅表面缺陷检测过程中，整体技术为定量检测。
磁粉检测是钢结构工程检测中最常用的方法之一，检测方法看似简单，其实不然。检测过程的每一个操作细节都会影响结果的准确性，如磁轭的使用磁化过程、磁悬液的施加、磁轭方向的把握、磁悬液的浓度、磁悬液的喷洒、磁痕观察条件等方面都会对检测结果产生较大的影响。因此磁粉检测不仅要求检测人员技术经验丰富、规范操作，还需要认真、细致，才能准确判断。
3.渗透检测
渗透检测的原理是利用液体的毛细管作用,将渗透液渗入固体材料表面开口性缺陷处,再通过显像剂将渗入的渗透液吸出到表面显示缺陷的存在的方法。渗透检测也被称为PT，利用毛细处理，主要是在被检测材料的表面添涂有色染料或者是具有较强渗透力的荧光特性液体，这些液体会直接渗入到表面的缺口位置中，利用显像剂就能完成分布形态的分析和判定。不仅具有结果直观的优势，其灵敏度和可操作性都较为合理。但是，PT应用过程会受到很多外界因素的影响，需要技术人员结合实际情况对其进行检测分析。
渗透检测在钢结构工程检测中使用得相对少一些，但它仍然是检测钢结构焊缝表面开口缺陷的有效手段之一。渗透检测过程的每一步操作，如渗透剂种类的选择、预清洗的程度、渗透时间的控制、清洗方法的选择、显像剂的施加等都会影响结果的准确性。因此，渗透检测不仅要求检测人员经验丰富、判断准确，还要有认真、细致的求真精神。
4.射线检测
常用的射线照相技术是指使用射线由射线发生器产生和射线通常由放射性同位素如钻、铱等产生辐照试件时,透过的射线强度能量在试件内密度变化区域被不同程度地吸收,放置在试件背面的对射线敏感的照相胶片记录介质能记录透射的射线能量差异构成潜像,经处理后转变成具有可见黑度差的图像,从而能够显示试件中缺陷的平面投影图像以供评定。射线是一种高频短波的电磁波。钢结构无损检测一般使用X射线,这种射线具有穿透能力强,衰减率低等优点。当X射线穿透被测工件后,会被部分吸收并衰减,由于缺陷的存在,会影响X射线的吸收和衰减。当射线到达胶片后,由于胶片吸收了数量不同的光子,就会出现缺陷的映像,检测人员根据这些映像即可判断缺陷的大小和性质。X射线检测方法适用于工件厚度在80mm以内的缺陷检测,具有检测结果直观、定性准确、检测结果可长期保留易于存档等优点,但是这种方法成本较高,检测周期长,效率低,在检测中会对检测员身体产生一定的伤害。
用于无损检测的射线主要有X射线、Y射线和中子射线。在建筑工程钢结构射线检测过程中,X射线机是主要检测设备。X射线管是X射线检测机的核心部件,普通X射线管的基本结构如图E所示。它主要由阴极、阳极和管壳构成。X射线管中产生X射线的基本过程如下。X射线管的阴极灯丝通过电流,被加热到2000℃以上后产生聚集在灯丝附近的电子,当X射线管的阳极和阴极之间加上高压后,这些电子在这个高压作用下被加速,高速飞向并轰击阳极靶产生X射线,穿过阳极和阴极之间的空口辐射出来。
X射线管的能量可以通过调节管电压控制,按照试件的厚度选用合适的管电压,调节比较精确的电流,从而获得较高的对比度和灵敏度,在透照薄壁的管件或板件具有比较大的优势。而且X光机具有方向性强,透照能量低,强度小,辐射范围受到限制等优点,对环境的辐射危害比较容易控制。
三、焊缝质量的评定
1.焊缝检验等级
根据现行国家标准《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》,将焊缝超声无损检测中的检验等级分为A、B、C三个级别。由于钢结构焊缝的检验条件与材料、结构、焊接方式、受力状况有关,当无特殊规定时,钢结构焊缝质量的超声无损检测检验等级全部选用B级。B级检验等级规定,采用一种角度探头在焊缝的单面双侧进行探伤,并对焊缝的全部截面进行探伤检测，当母材的厚度大于10Omm时,应当采用双面双侧检验，当结构构件的结合条件受到限制时,采用两种角度探头在焊缝的双面单侧进行检验。
2.焊缝缺陷的评定等级
当确定焊缝缺陷之后,就需要对焊缝的质量进行分级,分别为I、II、III、IV四个等级,其质量由I级向IV级减小。判断依据为焊缝缺陷的反射能量、长度、母材厚度等决定的距离波幅曲线。当最大反射波幅不超过距离波幅曲线中的评定线时,被评定为I级缺陷，当最大反射波幅超过距离波幅曲线中的评定线,且被检测人员判断为裂纹等严重性缺陷时,不论波幅和尺寸的大小,均被评定为IV级缺陷。当最大反射波幅位于I区,且未被判断为裂纹等严重性缺陷时,被评定为I级缺陷，当最大反射波幅位于III区,不论波幅和尺寸的大小,均被评定为IV级缺陷。当最大反射波幅位于II区,且未被判断为裂纹等严重性缺陷时,更具缺陷长度进行等级评定。如果超出评定等级,应当对这些焊缝进行返修重新检测(返修次数不超过2次),直至满足规定。
3.焊缝质量等级及检测比例确定
依据各钢结构承载能力的差异,国家标准把钢结构焊缝的质量分为一级、二级和三级等级,其质量要求从一级向三级递减,故检验要求也有所不同。全焊透的一级焊缝的探伤比例为100%,也就是说无论是工厂制造还是现场安装,都需要对.所有焊缝的整条长度进行检测,合格等级要符合现行国家标准《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结构分级》，二级焊缝的探伤比例为20%,属于抽样检查。当为工厂制造的二级焊缝时,由于焊缝长度一般较长,为确保每条焊缝的质量,每一条焊缝都需要进行检测,但是探伤长度(最小检测长度)有所差异,这是根据焊缝长度的百分比进行计算的,并不是只有20%的焊缝才需要检测的意思，当为现场安装的二级焊缝时,由于焊缝长度都不长,多数是用于钢梁或钢柱的焊缝连接,不仅最小检测长度是依据焊缝长度百分比进行计算,且检测的条数也是有所差异的,也是依据焊缝长度百分比计算。
四、结语
钢结构在工业农业中的重要地位逐渐显现出来,成为国民经济中的重要组成部分。钢结构安全关系到人民生命财产的安全,无损检测技术能够对钢结构的缺陷进行判断与评估,是保证钢结构安全的重要手段之一。本文对钢结构中几种常用无损检测方法进行了较为系统的总结分析,并以焊缝无损检测技术作为案例进行了说明。当今科学技术飞速发展,新的无损检测方法不断涌现,相信随着社会进步,新的钢结构无损检测方法必将出现。本文仅对现有钢结构无损检测的常见方法进行了分析总结,该问题的研究仍然有着广大的空间。
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论文作者:张文林
论文发表刊物:《防护工程》2018年第29期
论文发表时间:2019/1/7
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