超聲波探傷檢測在蘇滁高新區九梓大橋工程中的應用分析

王 革 （安徽建工檢測科技集團有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引言

隨著現代建筑行業的快速發展，建筑結構體系的種類不斷的向重量小、強度高的方向發展，各種結構類型的鋼結構以及鋼結構裝配式結構在建筑工程建設中的應用領域發揮著重要作用，特別是近年來在高速鐵路的橋梁中，鋼管系桿拱橋、鋼結構（如鋼箱梁橋）已經被廣泛應用。焊接是現代鋼鐵結構首要連接手段，是確保鋼結構整體質量的關鍵因素之一，因而制作過程中需要采用無損檢測法對焊縫進行檢測。

鋼結構探傷包括磁粉探傷（MT）、超聲探傷（UT）、X 射線探傷（RT）、滲透探傷（PT）和渦流探傷（ET）。其中，超聲波探傷最為簡單高效，其特點是檢測距離大、檢測設備體積小、重量輕、易于帶到現場進行檢測、檢測快捷高效，且在檢測過程中僅消耗耦合劑和磨損探頭，故而其檢測總成本低。因此在鋼結構工程的焊縫質量檢測中超聲波探傷被普遍采用。

1 工程概況

九梓大道位于滁州市中新蘇滁高新技術產業開發區內，東至來安，西接花園路。主線橋梁全長850 m，其中九梓大橋為跨清流河的一座融合交通和景觀的市政橋梁，為區域性控制工程。

九梓大橋采用雙層橋面連續鋼結構體系，橋梁全長260 m，跨徑布置為50 m +80 m +80 m +50 m，上層橋面寬度24.5 m 布置雙向六車道，下層橋面寬度19.5 m 布置人行道和非機動車道。桁架采用等桁高，桁式采用“V”形桁，桁高7.8m，桁架基本間距10m。南北側分別布置一跨與主橋相接的簡支組合鋼箱梁橋，跨徑均為50 m，橋面寬度24.5 m，布置雙向六車道。鋼結構主梁采用分離雙箱閉口箱型梁，梁高為2m（最高處），由6 個中心箱室、2 個挑臂箱室和1個中橫梁組成，主橋總體布置見圖1。

圖1 主橋總體布置（單位：m）

2 檢測依據、檢測方法及焊縫等級要求

2.1 檢測依據

該工程中的探傷焊縫按設計要求分為全熔透焊縫和部分熔透焊縫，全熔透焊縫應達到《鋼結構焊接規范》（GB 50661-2011）要求的一級焊縫；部分熔透焊縫，即熔深焊縫超聲波檢測需要達到《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級》（GB 11345-2013）的設計要求。全熔透焊縫和部分熔透焊縫超聲波檢測比例均為100%，本橋焊縫采用的主要基本型式如下所示。

2.1.1 全焊透坡口焊縫

類別主要分為X 型坡口對接焊縫、U 型坡口對接接頭焊縫、K 型坡口對接接頭焊縫、T 型接頭、其它特殊接頭、單面V 型坡口對接接頭焊縫、T 型接頭及角接接頭（有襯墊）等。

全焊透坡口焊縫主要用于以下構件的焊接，即所有板件的對接，鋼箱梁頂底板及腹板現場焊接，主桁節點板與頂、底板及腹桿腹板的連接，支座支撐加勁與底板的連接，支座支撐加勁與腹板的連接，中橫梁和端橫梁腹板與頂底板的連接。

2.1.2 部分焊透坡口焊縫

主要體現為雙面單V 型坡T 型接頭焊縫、單面單V型坡口T 型接頭焊縫等。

部分焊透坡口焊縫主要用于以下構件的焊接，即主桁節點板范圍外腹板與頂、底板的連接，板厚t≥20mm 的加勁肋與被加勁板的連接，U 型加勁肋與橋面板的連接，橫隔板與翼板、腹板連接。

2.1.3 角焊縫

角焊縫主要用于以下構件的焊接，即加勁肋與被加勁板的連接，橫隔板與翼板、腹板的連接，普通橫梁腹板與頂、底板連。

2.2 檢測方法

超聲波探傷檢測可以分為穿透法和脈沖反射法。鋼結構實際檢測中采用了脈沖反射法來進行焊縫探傷，是因為穿透法的靈敏度比不上脈沖反射法，它的工作原理是根據聲波可以反射與折射，通過楔塊等介質將脈沖波由工件探測面入射至工件中，入射波在鋼構件中傳播時，假如碰到不一樣的介質（缺陷、不同材質等）就會出現界面反射波，即根據缺陷反射波的高低來判斷缺陷的大小，并依據規范標準即可判定焊縫等級。

2.3 焊縫質量等級評定

焊縫超聲波檢測的距離-波幅曲線靈敏度符合在板厚3.5～150 mm 中：判廢線為Φ3×40-0dB，定量線為Φ3×40-6dB，評定線為Φ3×40-14dB，及本工程缺陷等級評定應采用B 級檢測即單面雙側檢測；在鋼板厚度T 為3.5～150mm、缺陷長度在不超過T/3及最小長度8mm時，最大40mm 可評為評定等級Ⅰ；缺陷長度在不超過2/3T 及最小長度8mm時，最大70mm 可評為評定等級Ⅱ；缺陷長度在不超過3/4T 且最小長度12mm 時，最大90mm 可評為評定等級Ⅲ；缺陷長度超過評定等級Ⅲ者可評為評定等級Ⅳ。例如本項目要求所有板件的對接，鋼箱梁頂底板及腹板現場焊接，主桁節點板與頂、底板及腹桿腹板的連接，支座支撐加勁與底板的連接，支座支撐加勁與腹板的連接，中橫梁和端橫梁腹板與頂底板的連接質量等級為一級、焊縫缺陷評級不得低于評定等級Ⅱ。

2.4 焊縫外觀質量要求

對于本工程的焊縫外觀要求為受拉部件縱向及橫向對接焊縫、U 形加勁肋角焊縫翼板側受拉區不容許咬邊，橫向及縱向對接焊縫不容許出現表面氣孔等外觀質量缺陷。

2.5 焊接工藝要求及注意事項

所有的焊接均應按照經批準的焊接工藝評定試驗要求進行，制造廠應根據設計圖和制造加工技術要求，編制工廠焊接和工地焊接的工藝文件，焊接時應注意以下事項：①焊接之前準備工作，需要按照要求檢查坡口角度和尺寸、底部間距等，若達不到要求則不能進行焊接；②當準備焊接前預熱，需要確認母材是否有裂紋，并在完全預熱后再次確認，確認無裂紋后方可焊接；③工廠及現場焊工需要進行嚴格工藝考核；④在焊之前應徹底清除焊接待焊區域的有害物質，并且還應需要對母材進行預加熱，對部分不進行預熱的母材應用氣割進行干燥處理以避免冷裂紋的產生；⑤焊接起弧起始點應在坡口內進行，禁止在鋼板表面起??；⑥現場焊接需要對鋼板焊接部位采取有效的防護措施，例如搭設臨時防護罩來遮擋風雨、在工藝條件滿足的時候才能施焊；⑦在現場安裝施焊前，需要核查鋼構件接頭情況，以及接頭坡口尺寸、角度、兩側間距、尺寸偏差等是否滿足要求；⑧焊接鋼板預熱范圍為焊縫中線兩邊各10cm；⑨需要對各類鋼構件現場安裝、焊接做出規范要求并認真執行，減少因焊接導致的各種應力和不規則變形。

3 超聲波探傷檢測的相關準備工作

3.1 選擇探頭

①斜探頭的K 值（角度）選取原則包括：斜探頭的聲速能掃查到整個檢測區的截面；斜探頭的聲速中心線應盡量與該焊縫可能出現的危險性缺陷垂直；盡量使用一次波判別缺陷，減少誤判并保證有足夠的檢測靈敏度。經總結得到公式如下所示。

K≥a+b+lo/T。

式中: a 為上焊縫寬度的一半，單位是mm ；b 為下焊縫寬度的一半，單位是mm；lo為探頭的前沿長度，單位是mm；T 為焊縫母材厚度，單位是mm；K 為斜探頭K值。

對單面焊焊縫，b 可忽略不記，此時K≥a+lo/T。

本工程使用的板厚為10、12、14、16、20、32、40mm，根據上述公式計算將K2、K2.5、K3 探頭結合使用。

②探頭頻率和晶片大小的選擇：探頭頻率的選擇很大程度上決定了超聲波探傷檢測的檢測能力，高頻率探頭聲速小、波長短、擴散角小而能量集中、識別細小缺陷的能力強但穿透力差、在材料中衰減較快，不利于中厚板的檢測，因此在實際工程中選用2.5MHZ 的探頭；由于該工程有少量鋼管且表面檢測面不平，為了較好地耦合，選用的晶片尺寸不易過大，根據實際經驗該工程選用的是8mm×8mm和6mm×6mm的晶片。

3.2 選擇試塊

該工程將標準試塊CSK-IA 和對比試塊RB-II 相結合對儀器進行調校。

3.3 儀器調節

該工程使用的儀器是PUXT-300C，下面就以PUXT-300C 儀器舉例說明。

①調校儀器，測定探頭入射點，確定前沿距離L0

將探頭置于CSK-IA 試塊上，測R100 和R50圓弧界面的最大反射波，找到最高波后，按自動調校，完畢后測量此時探頭最前端到邊界的距離，記為L，則前沿距離L0=100-L，實測三次取平均值。

②測定探頭折射角，即K值

將探頭置于CSK-IA 試塊上，對準中深度15mm 的孔來回移動探頭找到最高波后按確定，此時測得K 值即為探頭實際K值，同樣測三次取平均值。

③DAC曲線繪制

將探頭置于RB-II 試塊上，先測深度為10mm 的中3 孔，來回移動探頭找到最高波后調節增益使波高達到80%，作為第1 點。然后依次測深度為20mm、40mm 的最高波，作為第2、3點，然后將這些點連成曲線即為DAC 曲線。

3.4 調配耦合劑

采用甲基纖維素的漿糊作為耦合劑。調制耦合劑時，要注意不能調配的太稠，在刷涂管子表面時要薄而均勻。

4 探傷檢測的操作步驟

4.1 探傷面的處理

用磨光機清理表面的焊渣、飛濺和氧化皮，然后用鋼絲刷和抹布除去浮銹并擦凈，打磨寬度至少為2TK（T 為板材厚度、K為探頭折射角的正切值）。

4.2 檢測方式

由于該工程要求的是B 級檢測，因此根據《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級》（GB 11345-2013）中的規定，應采用直射波法和一次反射波法在對接焊縫的單面雙側進行檢測。在檢測過程中以垂直于焊縫前后移動和軸向移動為主，探頭軸向移動掃查間距小于3mm。

4.3 缺陷位置及大小的確定

找出缺陷最高波，通過示波屏讀出缺陷所在的深度、水平距離，找出最大缺陷在焊縫寬度方向上的實際位置。垂直于探頭前端的中心線與焊縫交點處就是最大缺陷在焊縫圓周方向上的位置。條狀缺陷采用6dB 法測長，當缺陷發射波信號起伏變化有多個高點時，采用端點峰值法測長。

4.4 檢測結果

本次共計檢測1551 條ZSE11～14、YSE11～13 節段一級焊縫，其中1546 條焊縫內部質量檢測結果達到《鋼結構焊接規范》（GB 50661-2011）評定等級II級的要求，焊縫能夠達到《鋼結構結構施工質量驗收規范》（GB 50205-2020）標準的一級焊縫質量等級要求；檢測中有5 條焊縫內部質量不合格，焊縫質量不能滿足《鋼結構結構施工質量驗收規范》（GB 50205-2020）標準的一級焊縫等級要求，不合格的焊縫制作工廠已進行了返修處理，單位檢測人員組織了復檢。經檢測復測結果能夠滿足《鋼結構焊接規范》（GB 50661-2011）規范評定等級II 的要求，焊縫質量等級能夠達到《鋼結構結構施工質量驗收規范》（GB 50205-2020）要求的一級焊縫。

5 結論

對于現場檢測出的不合格焊縫，焊縫制作方可以考慮是進行補焊還是刨開重焊不合格焊縫。焊接或母材的缺陷修補前應盡可能分析缺陷的性質種類和產生原因，若不是因焊工操作或執行工藝規范導致的缺陷，則需要從焊接工藝方面進行改進，編制新的工藝或經過焊接工藝評定后進行嘗試，以確保返修成功。

借鑒超聲波探傷檢測在該項目的應用，不斷積累探傷檢測的經驗，深化探傷檢測理論的探索，使得該項檢測技術能更好地服務于工程實踐中，尤其是超聲波探傷檢測對焊縫的裂紋、未焊透、未熔合等高危險性缺陷有比較高的識別能力，對嚴格控制焊接接頭質量、減少質量事故隱患扮演著非常重要的角色。但當前超聲波探傷檢測對缺陷定性的理論還不完善，還需要探傷檢測人員不斷努力，提高超聲波探傷對缺陷性質的判定。