钢管混凝土结构中钢管焊缝的超声波检测.pdf

实践经验 钢管混凝土结构中钢管焊缝 的超声波检测 李 宁,李利群 (南京工业大学,南京 210009) ULTRASONIC INSPECTION OF THE WELDS OF THE STEEL TUBES IN CONCRETE STRUCTURES LI Ning, LI Li2qun (Nanjing University of Technology , Nanjing 210009 , China) 中图分类号:TG115.28 文献标识码:B 文章编号:100026656(2003)0520269203 近年来建筑业发展迅猛,钢结构在建筑工程中 应用越来越广泛,钢结构中的焊缝探伤也日益受到 人们重视。焊缝探伤方法有多种,如超声、 射线及表 面探伤等。其中超声探伤具有准确率高、 操作方便 和适用范围广等特点,已成为焊缝无损检测的重要 手段之一。我国现行的 《钢结构工程施工及验收规 范》 要求对钢结构工程中的焊缝进行超声探伤,作为 工程验收的依据之一。 超声探伤方法简单,但技术要求高,在工程中应 用不当,易造成缺陷的漏判或错判。为此,笔者通过 一工程实例,探讨焊缝超声检测技术在实际工程中 的应用。 1 工程概况 某业务综合楼建筑面积约8万m2,共41层(含 地下室三层 ) , 主体为框架2筒体结构,其中框架柱采 用钢管混凝土。钢管直径为 <1 200mm ,管内灌注 C60混凝土,十层以下钢管壁厚为25mm ,十层以上 为20mm。钢管预先在工厂采用钢板卷制和焊接而 成,加工后运至工程现场安装就位并焊接,然后在钢 管内浇注混凝土。一根钢管柱长3. 8～4. 5m ,工厂 制作钢管的焊接工艺如图1所示,大部分钢管有两 道纵向焊缝和一道环向焊缝,钢管的材质为Q345B , 焊接坡口形式为X型,坡口角度55,根部间隙约4 ～6mm ,上 下 对 接,双 面 施 焊,采 用 结507 收稿日期:2002201222 图1 图2 型碱性焊条,所有焊缝内侧均采用手工电弧焊,外侧 采用埋弧自动焊。钢管运至现场就位后,采用单面 施焊,坡口形式为单V形,无钝边,坡口角度35,钢 管内侧施焊部位焊有衬板,衬板厚度为4mm ,根部 间隙8～10mm ,焊接方法为手工电弧焊,焊接工艺如 图2所示。 2 钢管焊缝超声探伤原理及方法 超声探伤基本原理是探头发射超声波到被检工 件内,根据超声波的传播时间和反射波的幅度来判 断工件中缺陷位置和大小。该工程采用CTS223型 和CTS226型金属超声波探伤仪,探伤依据 《钢结构 工程施工及验收规范》 和G B 11345—1989《钢焊缝手 工超声波探伤方法和探伤结果分级》 等标准,焊缝检 962 第25卷第5期 2 0 0 3年5月 无损检测 NDT Vol. 25 No . 5 May 2 0 0 3 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 验等级为B级,评定等级为 Ⅱ 级。钢管制作中焊缝 探伤比例为100 % ,现场安装的对接焊缝探伤比例 为焊缝长度的20 %。 根据标准,采用斜探头对焊缝的单面双侧进行 检验,必要时作横向缺陷检测。超声探伤一般在施 焊24h经外观检查合格后进行,按照标准,探头K 值一般选用2.0～3.0,为避免在近场区探伤,提高 定位定量精度,工程选用K3探头;由于焊缝大部分 采用手工电弧焊,焊条为结507碱性焊条,焊接力学 性能好,但易产生气孔和夹渣等缺陷[1],焊接母材是 Q345B ,晶粒细,衰减小,采用5. 0MHz频率有利于提 高缺陷分辨力和探伤灵敏度;采用CSK2ⅠA型标准 试块及RB21型参考试块;耦合剂采用便于清洗的化 学纤维素;探伤前,焊接表面需清除飞溅物、 焊瘤、 氧 化皮和锈蚀,并用砂皮打磨处理,焊缝两侧的修整宽 度 ≮180mm ,表面粗糙度Ra≯6. 3nm;探伤的扫描速 度按深度2∶1调节,检测灵敏度为 <3mm40mm - 16dB ,耦合补偿4dB ,并依此作出探伤距离2波幅曲 线。 3 焊缝缺陷的判定技术 试件缺陷主要根据反射波的情况来判定。缺陷 定位根据示波屏上缺陷波的水平刻度值与扫描速度 来确定。G B 11345标准没有对非平行表面工件的 缺陷定位作说明,工程中钢管的曲率半径为600mm , 当横波探头探测环缝时,缺陷定位与平行表面的缺 陷定位相同;探测纵缝时,缺陷定位与平行表面的缺 陷有差别,应进行曲率修正。 3.1 曲率半径对缺陷定位的影响及修正 根据超声探伤原理,对曲率半径为R的工件, 若仪器显示的缺陷深度为d/2 ( d 为显示屏的读 数 ) , 实际的缺陷深度为H,可以推导出下列公式[2] H = R - Kd 2 2 +R - d 2 2 (1) 当K= 3, R= 600mm时,d与H的对应关系如 表1所示。 可以看出,缺陷的实际深度H比探伤仪显示的 表1mm d/2Hd/2Hd/2Hd/2H 55141322183023 88161424203224 10918162621 121120172822 深度d/2要小,并且两者的差值随d/2值的增大而 增大。若直接以d/2定位,将会导致定位错误,造 成缺陷的漏检和误判,影响探伤的准确性和可靠性。 因此,实际检测时,应根据表1或式(1 ) , 求出实际的 缺陷深度。当板厚a= 20mm时,d≥48mm或板厚a =24mm时,d≥64mm时应按二次波检验法确定缺 陷的深度。 3.2 缺陷的现场判定 现场检测以一根钢管为一工件,每一条焊缝为 一检测单元按比例抽检。缺陷回波超过判废线时, 可直接判定该焊缝不合格,并要求返修,复检合格后 方可使用;对缺陷回波未超过判废线但超过评定线 的焊缝,应对缺陷进行测长,若缺陷长度超标,则判 该焊缝不合格,进行返修;对不超标的缺陷,除非确 定为危害性缺陷(如裂纹、 未焊透等 ) , 不需返修,只 作相应的记录。 该工程钢管于2000年11月开始制作,施工初 期现场气温低,施工条件差,在钢管焊缝中气孔和夹 渣等缺陷较多[3]。随着施工管理加强,施工条件逐 步改善,焊缝的缺陷率也逐渐下降。工厂加工的钢 管焊缝的主要缺陷形式为密集气孔和夹渣等,现场 安装对接焊缝的主要缺陷形式为气孔、 夹渣和根部 未焊透等,缺陷深度一般为10～15mm。深度显示在 板底附近,主要是由于板底焊缝咬边、 焊瘤和焊缝上 下错位等原因造成的,一般经处理后便不再有回波。 4 提高伪缺陷波判别准确性的方法 在该工程钢管焊缝超声探伤中,因为钢管焊接 的工艺特点,示波屏上常常除始波和缺陷波外,还会 出现一些由其它原因引起的伪缺陷回波,这些伪缺 陷波干扰了对缺陷波的正确判别。以下就工程中出 现的六种伪缺陷波的成因和鉴别方法进行归纳。 4.1 耦合剂反射波 理论上要求耦合层厚度为半波长的整数倍。耦 合剂稠度太大,流动性不好;耦合层厚度太厚,容易 堆积在探头前部,从压电晶片发射的纵波有一部分 转换成表面波,造成反射信号,影响判别。在这种情 况下,探头固定不动,用手轻轻抹掉探头前部的耦合 剂,该波即会消失。 4.2 焊缝表面焊痕反射波 这种反射波在钢管现场对接焊缝中出现较多, 由于钢管长度偏差,加之多层结构的累积误差,使部 分钢管柱对接时的焊缝宽度过大,多道施焊使焊缝 072 李 宁等:钢管混凝土结构中钢管焊缝的超声波检测 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 表面形成一道道焊痕(图 3) 。当超声波扫查到焊痕 时,会引起焊痕反射,该反射波信号不强烈、 迟钝,一 般出现在一二次底波稍偏后位置。识别方法是将探 头固定不动,用手沾耦合剂轻轻拍打焊痕处,该波则 出现轻轻跳动。 图3 4.3 焊缝上下错位引起的反射波 这种反射波主要出现在钢管现场对接焊缝检测 中,是由于钢管上下对接时轴线偏差引起的。图4 所示焊缝上下焊偏,在A侧探伤时,焊角反射波像 焊缝里的缺陷,如果将探头移到另一侧 (B 侧)同位 置处探伤,在一次波前没有反射波,或测得的反射波 的水平距离在母材上,说明该波是由于焊缝上下错 位引起的。 图4 4.4 单面衬板引起的反射波 钢管在现场对接时,因焊接工艺要求钢管单面 施焊,内有衬板,当超声波扫查到衬板边缘时,会引 起边缘反射,该反射信号比较强烈,一般出现在焊角 回波稍偏后位置,且回波高度比焊角回波高(图5) , 可据此判定该波是否是缺陷回波。 4.5 焊缝余高或咬边形成的非缺陷波 当焊缝过高或咬边,很容易形成边角反射,影响 图5 判别。判别方法是 ①精确计算声程距离,根据显示 屏显示的数据确定缺陷的深度或水平位置来判别是 否为缺陷波。②用手沾耦合剂轻轻拍打焊缝两侧, 如反射波信号出现跳动,则说明该反射波是因焊缝 余高而造成的边角反射,并非缺陷波。③利用手动 电磨对焊缝余高或疤痕进行打磨后再进行检测,若 此时反射波消失,则该反射波是非缺陷波。 4.6 “山” 形波 钢管在工厂制作中,焊缝外侧采用埋弧自动焊。 探头发射出的横波波束在焊角边缘处产生波型转 换,转换成纵波和横波两列波。这两列波在钢中的 传播速度不同,被探头接收到的时间不同而产生时 间差,在显示屏上出现两列反射波,这两列反射波总 是滞后于焊角底波,与焊角底波一起形成 “山” 形(图 6) 。通过测量探头的水平距离可确定该波是否为非 缺陷波。 图6 5 结论 该工程实践表明,超声探伤是钢管混凝土结构 中钢管焊缝无损检测的有效手段之一。钢管的曲率 半径对缺陷定位判别有一定影响,当对钢管纵向焊 缝进行检测时,应进行曲率修正,以提高缺陷定位判 别的准确性。探伤前应充分了解工件焊接工艺和焊 接方式,根据具体的焊缝工件结构、 表面状况、 焊接 现场等情况对检测结果进行认真分析,确定是缺陷 还是伪缺陷,减少误判。 参考文献: [1] 胡天明.超声探伤[M].武汉:武汉测绘科技大学出版 社,1994. [2] 超声探伤编写组.超声波探伤[M].北京:劳动人事出 版社,1989. [3] 尚庆祥,唐宏伟.高层钢结构现场安装焊缝的超声波探 伤[J ].施工技术,1999 ,6(6) :23 - 24. 172 李 宁等:钢管混凝土结构中钢管焊缝的超声波检测 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m