鋼結構技術(shù)論文
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
摘 要：本文介紹了常用無(wú)損檢測技術(shù)在建筑鋼結構工程質(zhì)量控制中的作用、重要性以及四種常用無(wú)損檢測技術(shù)的應用范圍。
關(guān)鍵詞：建筑鋼結構；無(wú)損檢測；滲透檢測；磁粉檢測；射線(xiàn)照相檢測；超聲檢測
1 建筑鋼結構工程現狀
近20年來(lái)，由于國家的大力支持和市場(chǎng)的旺盛需求，我國鋼結構發(fā)展迅猛，被稱(chēng)為建筑行業(yè)的“朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)”。各類(lèi)鋼結構企業(yè)應運而生，但專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員相對匱乏，工程質(zhì)量控制水平低下，以至于在一些鋼結構工程中出現了嚴重的技術(shù)經(jīng)濟不合理現象，甚至造成了許多工程質(zhì)量事故，損失慘重。
2 無(wú)損檢測方法的重要性
建筑鋼結構的安全性和可靠性源于設計，其自身質(zhì)量則源于原材料、加工制作和現場(chǎng)安裝等因素。評價(jià)建筑鋼結構的安全性和可靠性一般有三種方式：⑴模擬實(shí)驗；⑵破壞性實(shí)驗；⑶無(wú)損檢測。
模擬實(shí)驗是按一定比例模擬建筑鋼結構的規格、材質(zhì)、結構形式等，模擬在其運行環(huán)境中的工作狀態(tài)，測試、評價(jià)建筑鋼結構的安全性和可靠性。模擬實(shí)驗能對建筑鋼結構的整體性能作出定量評價(jià)，但其成本高，周期長(cháng)，工藝復雜。破壞性實(shí)驗是采用破壞的方式對抽樣試件的性能指標進(jìn)行測試和觀(guān)察。破壞性實(shí)驗具有檢測結果精確、直觀(guān)、誤差和爭議性比較小等優(yōu)點(diǎn)，但破壞性實(shí)驗只適用于抽樣，而不能對全部工件進(jìn)行實(shí)驗，所以不能得出全面、綜合的結論。無(wú)損檢測則能對原材料和工件進(jìn)行100%檢測，且經(jīng)濟成本相對較低。
焊接作為建筑鋼結構主要連接方式之一，其質(zhì)量的好壞對整個(gè)工程起著(zhù)舉足輕重的作用。國內鋼結構方面的專(zhuān)家對 2008年汶川大地震中鋼結構工程的破壞形式總結如下：
1）框架節點(diǎn)區的梁柱焊接連接破壞；
2）豎向支撐的整體失穩和局部失穩；
3）柱腳焊縫破壞及錨栓失效。
由以上原因可以看出控制焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵所在。
焊縫質(zhì)量分為：外觀(guān)缺陷、焊縫尺寸、表面缺陷、近表面缺陷和內部缺陷。其中外觀(guān)缺陷、焊縫尺寸主要用量具、目視來(lái)檢驗，表面缺陷、近表面缺陷和內部缺陷的檢驗則主要通過(guò)無(wú)損檢測來(lái)完成。
3 無(wú)損檢測概述
無(wú)損檢測（Nondestructive Testing,縮寫(xiě)為NDT），就是研發(fā)和應用各種技術(shù)方法，以不損害被檢對象未來(lái)用途和功能的方式，為探測、定位、測量和評價(jià)缺陷，評估完整性、性能和成分，測量幾何特征，而對材料和零（部）件所進(jìn)行的檢驗、檢查和測試。根據物理原理的不同，無(wú)損檢測方法多種多樣。建筑鋼結構工程中最普遍采用的有滲透檢測(PT)、磁粉檢測（MT）、射線(xiàn)照相檢測（RT）和超聲檢測（UT）。其中，射線(xiàn)照相檢測和超聲檢測主要用于檢測內部缺陷，磁粉檢測主要用于檢測表面和近表面缺陷，滲透檢測只能用于表面開(kāi)口缺陷。
4 常用無(wú)損檢測方法的原理、適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)
4.1滲透檢測
液體滲透檢測（Liquid Penetrant Testing，PT）是基于毛細管現象揭示非多孔性固體材料表面開(kāi)口缺陷的無(wú)損檢測方法。簡(jiǎn)稱(chēng)滲透檢測。
將滲透液借助毛細管作用滲入工件的表面開(kāi)口缺陷中，用去除劑清除掉表面多余的滲透液，將顯像劑噴涂在被檢表面，經(jīng)毛細管作用，缺陷中的滲透液被吸附出來(lái)并在表面顯示。
滲透檢測的基本步驟：預處理、滲透、去除、干燥、顯像和后處理。
滲透檢測方法：熒光滲透檢測和著(zhù)色滲透檢測。滲透檢測適用于表面裂紋、折疊、冷隔、疏松等缺陷的檢測，被廣泛用于鐵磁性和非鐵磁性鍛件、鑄件、焊接件、機加工件、粉末冶金件、陶瓷、塑料和玻璃制品的檢測。在建筑鋼結構工程中主要用于鍛件、鑄件、焊接件和奧氏體不銹鋼的表面開(kāi)口缺陷的檢測。
滲透檢測在使用和控制方面都相對簡(jiǎn)單。滲透檢測所使用的設備可以是分別盛有滲透液、去除劑、顯像劑的簡(jiǎn)單容器組合，也可以是復雜的計算機控制自動(dòng)處理系統。
滲透檢測的主要優(yōu)點(diǎn)是：顯示直觀(guān)；操作簡(jiǎn)單；滲透檢測的靈敏度很高，可檢出開(kāi)口小至1μm的裂紋。滲透檢測的主要局限是：它只能檢出表面開(kāi)口缺陷；粗糙表面和孔隙會(huì )產(chǎn)生附加背景，從而對檢測結果的識別產(chǎn)生干擾；對零件和環(huán)境有污染。
4.2磁粉檢測
磁粉檢測（Magnetic Particle Testing，MT）是基于缺陷處漏磁場(chǎng)與磁粉的相互作用而顯示鐵磁性材料表面和近表面缺陷的無(wú)損檢測方法。
當被檢材料或零件被磁化時(shí)，表面或近表面缺陷處由于磁的不連續而產(chǎn)生漏磁場(chǎng)；漏磁場(chǎng)的存在，亦即缺陷的存在，借助漏磁場(chǎng)處聚集和保持施加于工件表面的磁粉形成的顯示（磁痕）而被檢出；磁痕指示出缺陷的位置、尺寸、形狀和程度。施加于工件表面的磁粉可以是干磁粉，也可以是置于載液（例如水載液、油基載液和乙醇載液）中的濕磁粉。
磁粉檢測的基本步驟是：預處理、磁化工件、施加磁粉或磁懸液、磁痕分析與評定、退磁和后處理。
磁粉檢測可發(fā)現的主要缺陷有：各種裂紋、夾雜（含發(fā)紋）、夾渣、折疊、白點(diǎn)、分層、氣孔、未焊透、疏松、冷隔等。
磁粉檢測的主要優(yōu)點(diǎn)是：顯示直觀(guān)；檢測靈敏度高，可檢測開(kāi)口小至微米級的裂紋；設備簡(jiǎn)單（主要設備為磁粉探傷機），操作簡(jiǎn)便，結果可靠，價(jià)格便宜；磁粉檢測的主要局限是：只能檢測鐵磁性材料的表面和近表面缺陷，而不適用于非鐵磁性材料。某些應用中，還要求探傷之后給被檢件退磁。
4.3射線(xiàn)照相檢測
射線(xiàn)照相檢測（Radiographic Testing，RT）是基于被檢件對透入射線(xiàn)（無(wú)論是波長(cháng)很短的電磁輻射還是粒子輻射）的不同吸收來(lái)檢測零件內部缺陷的無(wú)損檢測方法。
由于零件各部分密度差異和厚度變化，或者由于成分改變導致的吸收特性差異，零件的不同部位會(huì )吸收不同量的透入射線(xiàn)。這些透入射線(xiàn)吸收量的變化，可以通過(guò)專(zhuān)用底片記錄透過(guò)試件未被吸收的射線(xiàn)而形成黑度不同的影像來(lái)鑒別。根據底片上的影像，可以判斷缺陷的性質(zhì)、形狀、大小和分布。
射線(xiàn)照相檢測主要適用于體積型缺陷，如氣孔、疏松、夾雜等的檢測，也可檢測裂紋、未焊透、未熔合等。工業(yè)應用的射線(xiàn)檢測技術(shù)有三種：X射線(xiàn)檢測、γ射線(xiàn)檢測和中子射線(xiàn)檢測。其中使用最廣泛的是X射線(xiàn)照相檢測，主要設備是X射線(xiàn)探傷機，其核心部件是X射線(xiàn)管，常用管電壓不超過(guò)450kV，對應可檢鋼件的最大厚度約70～80㎜；當采用加速器作為射線(xiàn)源時(shí)，可獲得數十兆電子伏的
高能X射線(xiàn)，可檢測厚度500～600㎜的鋼件。
射線(xiàn)照相檢測的主要優(yōu)點(diǎn)是：可檢測工件內部的缺陷，結果直觀(guān)，檢測對象基本不受零件材料、形狀、外廓尺寸的限制：主要局限是：三維結構二維成像，前后缺陷重疊；被檢裂紋取向與射線(xiàn)束夾角不宜超過(guò)10°，否則將很難檢出。
射線(xiàn)的輻射生物效應可對人體造成損傷，必須采取妥善的防護措施；成本高，要有高素質(zhì)的操作和評片人員。
4.4超聲檢測
超聲檢測（Ultrasonic Testing，UT）是利用超聲波（常用頻率為0.5～25MHz）在介質(zhì)中傳播時(shí)產(chǎn)生反射的性質(zhì)來(lái)檢測缺陷的無(wú)損檢測方法。
對透過(guò)被檢件的超聲波或反射的回波進(jìn)行顯示和分析，可以確定缺陷是否存在及其位置以及嚴重程度。超聲波反射的程度主要取決于形成界面材料的物理狀態(tài)，而較少取決于材料具體的物理性能。例如：在金屬/氣體界面，超聲波幾乎產(chǎn)生全反射；在金屬/液體和金屬/固體界面，超聲波產(chǎn)生部分反射。產(chǎn)生反射界面的裂紋、分層、縮孔、發(fā)紋、脫粘和其他缺陷易于被檢出；夾雜和其他不均勻性由于產(chǎn)生部分反射和散射或產(chǎn)生某種其他可檢效應，也能夠被檢出。具體檢測方法主要有脈沖回波法和超聲穿透法，其中以超聲脈沖回波法應用最廣。
基本的缺陷顯示方式有三種：顯示缺陷深度和缺陷反射信號幅度的A型顯示（A掃描）、顯示缺陷深度及其在縱截面上分布狀態(tài)的B型顯示（B掃描）、以及顯示缺陷在平面視圖上分布的C型顯示（C掃描）。
超聲檢測的主要優(yōu)點(diǎn)是：適用多種材料與制件的檢測；可對大厚度件（如幾米厚的鋼件）進(jìn)行檢測：能對缺陷進(jìn)行定位；設備輕便，可現場(chǎng)檢測。主要局限是：常用的縱波脈沖發(fā)射法存在盲區，表面與近表面缺陷難以檢測；試件形狀復雜對檢測可實(shí)施性有較大影響；為耦合傳感器，要求被檢面光滑。要有參考標準。檢測者需要較豐富的實(shí)踐經(jīng)驗。
5 小 結
綜上所述，每種無(wú)損檢測方法的原理和特點(diǎn)各不相同，且適用的檢測對象也不一樣。在建筑鋼結構的行業(yè)中應根據結構的整體性能，檢測成本及被檢對象的用途、受力情況、規格、材質(zhì)、缺陷的性質(zhì)、缺陷產(chǎn)生的位置等諸多因素合理選擇無(wú)損檢測方法。一般地，選擇無(wú)損檢測方法及合格等級，是設計人員依據相關(guān)規范而確定的。有的工程，業(yè)主對無(wú)損檢測方法及合格等級有相應要求，這就需要供需雙方相互協(xié)商了。
鋼結構在加工制作及安裝過(guò)程中無(wú)損檢測方法的選擇見(jiàn)表1：
表1 無(wú)損檢測方法
參考文獻
[1] 郭冰，雷淑忠 鋼結構的檢測鑒定與加固改造[M]。北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006。
[2] 汶川地震建筑震害調查與災后重建分析報告[M]。北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008。
[3] 王自明，張引 無(wú)損檢測綜合知識[M]。北京：機械工業(yè)出版社，2009。
（河南省基本建設科學(xué)實(shí)驗研究院有限公司，鄭州 450000）
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