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建筑钢结构无损检测技术应用与发展

发布时间:2016-12-18      文章来源:未知

摘要:随着高层建筑和大跨度结构的大力发展,钢结构的应用也日益广泛,对钢结构的无损检测要求也日益提高。文中阐述了当前常用的无损检测技术,分析了无损检测在建筑钢结构中应用现状和存在问题,探讨了无损检测技术新发展的方向。
关键词:无损检测,钢结构,激光全息,应用,发展趋势
The application and development of Steel building structural nondestructive testing technology
Abstract:With high-rise buildings and large span structure to develop energetically, steel structure is widely used in steel structure, nondestructive testing requirements are also increasing.This paper expounds the common nondestructive testing technology,analyzes the nondestructive testing in construction steel structure application present situation and the existing problems,discusses the new development direction of Nondestructive Testing Technology.
Key Words:Nondestructive testing(NDT),Steel structure,Laser holography,Application,Developing trend

1引言
        钢结构作为一种承重结构体系,由于其自重轻,强度高、塑性及韧性好、抗震性能优越、工业装配化程度高、综合经济效益显著、造型美观以及符合绿色建筑等众多优点,深受建筑师和结构工程师的青睐,被广泛的应用于各类建筑中,尤其在大跨度桥梁和超高层建筑领域显示出无与伦比的优势。
        在美国,已有 70%以上的低层(如两层以下)非居住型建筑已经使用钢结构建筑。全世界已有的 100 多栋超高层建筑中,钢筋混凝土建筑仅占 10%左右,纯钢结构占 60%以上,不同形式的钢砼结构为 10%。
        在我国,钢结构建筑最早可以追溯到上海外滩的外白渡桥、钱塘江大桥、1913 年的上海杨树浦发电厂房;较早的钢结构桥梁也以铆接为主,厂房也是简单的柱梁焊接,而现代钢结构建筑中连接方式主要是为焊接,如深圳的帝王大厦,其用钢量达2.45万吨,焊缝长度达 600km。
        进入21世纪后,我国的钢结构建筑呈现全面发展的趋势。上海卢浦大桥全钢结构焊接桥梁的建成,世界第一跨度1088米钢箱梁斜拉桥-苏通大桥的通车标志着我们超长钢结构桥梁的新的建设阶段。上海环球金融中心,首都鸟巢,水立方等钢结构建筑创造了中国建筑史上的奇迹,标志着我国正式步入钢结构发展的新阶段。
2钢结构无损检测技术
        目前,焊接作为一种钢构连接的基本加工工艺方法,广泛地应用各种钢结构件中,已经成为保证钢结构工程质量的一个重要环节。焊缝质量的好坏直接关系到整个钢结构的安全。其中焊缝缺陷检验又是焊缝检验的主要内容。焊接过程中常见的缺陷有:表面气孔、咬边、烧穿、未焊满这一类的近表面缺陷和夹渣、未溶合、未焊透、裂纹这一类的内部缺陷。为了保证焊接构件的质量,对焊缝缺陷进行检测、评价是很必要的,除了目测焊缝表面缺陷和成形缺陷外,通常用无损检测查找焊缝的内部缺陷。
        无损检测技术(nondestructive test)简称 NDT,是在不损坏或影响原有结构的基础上,通过测定某些物理量,不破坏原有的化学成分、性质、功能以达到检测物体的某些重要性能的方法。 它是一种多学科相结合的应用高技术,其基础科学主要有:物理学、力学、材料学、断裂分析、化学、控制工程、电子技术、计算机等学科。常用的钢结构无损测试技术方法有以下几种。
2.1射线探伤(RT)
        射线探伤是一种广泛使用的检查焊缝内部缺陷的方法,它是采用γ射线或X射线照射,使其透过焊接接头部位,照射在照相底片或荧光屏上。然后根据底片上出现的缺陷形状、大小和数量,便能定量评定焊缝质量并进行分类定级,作为产品验收的质量指标。目前,对密闭性要求较高的钢结构产品,如锅炉、压力容器、大型船身,均广泛采用射线探伤作为检验焊缝质量的主要方法。按照缺陷显示方法的不同,射线探伤除了常用的照相观察法和荧光屏观察法之外,还有电离法和工业电视法。
        射线探伤的优点是能确切地判定缺陷的形状,可靠性高,底片能长期保存。其缺点是射线对人体有害,检测成本高,从检查到判定所需的时间长。
2.2 超声波探伤(UT)
        利用超声波探测材料内部缺陷的无损检测法,称为超声波探伤。超声波是一种频率接近或超过 20000Hz 的机械振动。超声波探伤是通过超声波仪探头产生和发射高频超声波到待检材料中,利用超声波在同一均匀介质中按恒速直线传播,而从一种介质传播到另一介质时,它会产生反射和折射的原理,再用探头接收这些反射、折射的超声波到超声仪,由超声仪放大显示在超声显示屏上,超声波探伤工作者根据显示的波形和波高来分析和判定缺陷的类型和大小的检测方法。超声波探伤具有高灵敏度、操作简便、探测速度快、成本低且对人体无损伤的优点,故得到广泛应用。其缺点是该探伤方法进行定性定量的评定受探伤人员的经验技术熟练程度的影响较大,且不直观,至今仍难达到精确评定的要求。
2.3磁粉探伤(MT)
        磁粉探伤按测量漏磁方法的不同,分为磁粉法、磁感应法和磁记录法。其中,磁粉法是应用最广的。磁粉探伤是利用在强磁场中,铁磁性材料表层缺陷产生的漏磁场吸附磁粉的现象,进行的一种无损检验法。当钢铁材料被磁化后,被检测对象上面将出现磁力线均匀分布。当钢结构出现裂痕等缺陷时,工件表面的磁力线会发生局部的变形或漏磁,使用合适的光照就可以看到这些缺陷,这样就可以达到检测的目的。这种检测方法适用于铁磁性材料的钢结构工件,比如钢管、铸钢工件和钢板等,对于这些材料加工而成的工件也可以进行检测。磁粉检测技术成本低、使用方便、检测效率高、检测结果非常直观。缺点是它只能用于检测铁磁性材料的表面缺陷,对于内部缺陷或者埋藏较深的缺陷无法发现,检测受工件形状和尺寸影响。对于某些特别工件,检测完成后还需要退磁。
        磁记忆检测方法的原理为:铁制工件在工作时,受工作载荷的作用,在应力和变形集中区域内会发生具有逆磁致伸缩性质的磁畴组织定向的和不可逆的重新取向,而且这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后不仅会保留,还与最大作用力有关系。即在应力集中处漏磁场的切向分量具有最大值,法向分量改变符号且具有零值点。从而通过磁场法向分量的测定,便可准确地推断工件的应力集中区,实现对铁磁性工件的早期诊断。
2.4渗透探伤(Pt)
        渗透探伤是利用有色染料和荧光染料具有强渗透性的物理特性以显示缺陷痕迹的一种无损探伤方法,又称为着色探伤或荧光探伤。这种方法不但可以用来检测钢焊缝,还可用于检查不锈钢、耐候钢,铜、铝等有色金属及其合金材料,以及其他非磁性工件的缺陷。渗透探伤的优点与超声波探伤和磁粉探伤一样,而缺点与磁粉探伤一样,只能发现工件表面和接近表面的缺陷,而且也只能作缺陷的定量分析,难以正确判定缺陷的性质和埋藏深度。
2.5 声发射检测(AET)
        材料或结构件受到内力或外力的作用产生形变或断裂时,以弹性波的形式释放出应变能的现象称为声发射,也称为应力波发射。声发射检测是通过受力时材料内部释放的应力波判断被检对象内部结构损伤程度的一种新兴动态无损检测技术。它适用于被检对象的动态监测,如对大型桥梁、核电设备的实时动态监测。优点是可以远距离监控设备的运行情况和缺陷的扩展情况,为结构的安全性和可靠性评价提供依据。缺点是无法监测静态缺陷,干扰检测的因素较多;设备复杂,价格较贵,检测技术不太成熟。
2.6全息探伤(Holographic testing)
        全息探伤是利用激光、X 光和声学全息照相来探测和显示缺陷三维立体情况的一种探伤检测方法。全息探伤技术能够准确地检测到焊件表面和内部缺陷的位置和大小,并能获得缺陷的全方位情况,从而能够方便探伤人员正确地判断和评定焊缝的质量。目前,虽然全息探伤技术还不是很成熟,且其检测花费较大,应用较少,但却被一致认为是无损检测的发展方向。
3无损检测新技术--激光全息无损探伤
        激光全息无损探伤laser holographic NDT利用激光全息照相来检验物体内部缺陷的一种技术。通过对物体施加载荷,使其表面产生微小变形,利用激光全息照相来记录并比较这种变形,从而判断出物体内部的缺陷。原理与方法物体内部的缺陷在外力作用下,它所对应的物体表面将产生与其周围不相同的微差位移。激光全息无损探伤就是比较物体在不同受载情况下的光波。
3.1观察物体表面微差位移的基本方法有以下3种:
①实时法
        先拍摄物体在不受力时代全息图,冲洗处理后,把全息图精确地放回到原来拍摄时的位置上,并用拍摄全息图时代同样参考光照射,则全息图就再现出物体三维立体像(物体的虚像),再现的虚像完全重合在物体上。这时,对物体加载,物体的表面会产生变形,受载后的物体表面光波和再现的物体虚像之间就形成了微量的光程差。由于这两个光波都是相干光波(来自同一个激光源),并几乎存在于空间的同一位置(因变形甚小),因此这两个光波叠加仍会产生干涉条纹。加入物体内部没有缺陷,则受载后的物体表面变形是连续规则的,所产生的干涉条纹的形状和间距 的变化也是连续均匀的,并与物体外形轮廓的变化相协调。物体内部如没有缺陷,受载后对应于内部有缺陷的物体表面部位的变形就比周围的变形要大。因此,当与再现虚像的光波相干涉时,对应于有缺陷的局部地区,就会出现不连续的突变干涉条纹。
        由于物体的初始状态(再现的虚像)和物体加载状态之间的干涉度量比较少在观察时完成的,所以称这个方法为实时法。这种方法的优点是只需要一张全息图就能观察到各种不同加载情况下的物体表面状态,从而判断出物体内部是否含有缺陷。因此,这种方法能经济、迅速而准确地确定出物体所需加载量的大小。其缺点是:
        为了将全息图精确地放回原来的位置,需要有一套附加机构以便使全息图位置的移动不超过几个光波导波长。
由于全息干版在冲洗过程中乳胶层不可避免地要产生一些收缩,当全息图放回原位时,虽然物体没有变形,但仍有少量的位移干涉条纹出现。
显示的干涉条纹图样不能长久保留。
        为了解决全息图精确复位的困难,也可以采用“就地显影”的方法。当全息干版感光以后,不再从干版架中取下,而直接在原位冲洗处理。有的激光全息照相设备本身附带有显影装置,可以进行就地显影。至于乳胶层的收缩变形问题可以采用下述的“两次曝光法”来克服,或在原位冲洗法中先放入清水进行曝光。
        在观察实时条纹时,为了改善条纹对比度,常常改变光路的分光比,增加再现物象的亮度而减少原物体的照明光强。这可以采用可调分光器或在光路中放置(或去掉)滤光器来实现。总之,要使再现像光强和物体反射光强和物体反射光强大致相同,以获得较好的条纹对比度为准。
②两次曝光法
        改方法是将物体在两种不同受载情况下的物体表面光波摄制在同一张全息图上,然后再现这两个光波,而这两个再现光波叠加时仍然能够产生干涉现象。这时,所看到的再现象像除了显示出原来物体的全息像外,还产生较为粗大的干涉条纹图样。这种条纹表现在观察方向上的等位移线,两条相邻条纹之间的位移差约为再现光波导半个波长。若用氦-氖激光器作为光源,则每条条纹代表大约为0.316μm的表面位移。从这种干涉条纹的形状和分布来判断物体内部是否有缺陷。
        两次曝光法是在一张全息片上进行两次曝光,记录了物体在发生变形之前和之后的表面光波。这不但避免了实时法中全息图复位的困难,而且也避免了感光乳胶层收缩不稳定的影响,因为这时每一个全息图所受到的影响是相同的。此外,此法系永久性记录。其主要缺点是对于每一种加载量都需要摄制一张全息图,无法再同一张全息图上看到不同加载情况下物体表面的变形状态,这对于确定加载参数是比较费事的。
两次曝光法和实时法一样,在研究物体两种状态之间的变化时,其变化不能太大或者太小,要在全息干涉分析限度之内(几个、几十个波长)。如果太大,全息图再现的干涉条纹太密,以致人眼分辨不出来;若变化太稀少,也不能进行准确测量。因此选择合适的变化状态是这两种检测方法中应注意的问题。
        两次曝光法中干涉条纹的产生由两个因素决定,一是两次曝光时间间隔中间物体状态的变化;一是两次曝光时,光波频率的变化。后一种因素往往是问题复杂化,有事频率的变化甚至达到使干涉条纹无法形成的程度。所以,为了保证获得清晰度干涉条纹,要严格控制激光器输出光波频率的稳定性。
③时间平均法
        时间平均法师在远比振动周期长得多的时间内对稳定振动的物体进行曝光,就象对精致物体拍摄全息图的过程一样。全息干版将振动物体在两个端点状态记录下来,当再现全息图时,这两个端点状态的像就相互干涉而产生干涉条纹。用干涉条纹图样的形状和分布来判断物体内部是否有缺陷。所谓时间平均法可以理解成反复多次的两次曝光,这种方法对于稳定的周期振动分析非常有效,是迄今为止振动分析方法中最好的一种。
        由于全息术是一种干涉术,任何不稳定的振动将导致干涉条纹的移动。如在摄制静态物体的全息图时发生这种情况,将引起全息图上干涉条纹的混叠。但对于稳定周期振动,如下图所示,振动体各点的振幅恒定的,只不过在两个端点之间周期变化而已。因此,对应的干涉条纹位置也是恒定的,只是由于振动体在振动的各个位置上停留的时间不同,使整个像上的条纹亮度呈不均匀分布,停留时间长的地方亮度打,而停留时间短的地方亮度小罢了。由于振动物体做正弦式的周期性振动,因此,把大部分时间消耗在振动的两个端点上,所以,全息图上所记录的状态实际上是物体在振动的两个端点状态的叠加。
3.2常用的加载方式有以下几种。
  ①声加载
   声加载是以声频和中等的超声频进行的(通常低于100kHz),加载方法是把压电换能器粘贴在被检工件表面上,在工件中建立起共振板模式。当需要大幅度振动的情况下,换能器可通过一个实心的指数曲线形喇叭(声变换器)机械地耦合到一个点上,压电换能器装在半径较大的一端,半径较小的一端压向工件。这种单点激励法也可使整个工件建立起共振,因此,可同时检查整个表面的物理特性和探出缺陷。
  ②热加载
   这种方法是对物体施加一个温度适当的热脉冲,物体因受热而变形,内部有缺陷时,由于传热较慢,该局部区域比缺陷周围的温度高。因此,造成该处的变形量相应也较大,从而形成缺陷处相对于周围的表面变形有了一个微差位移。用激光全息照相记录时,就可在全息图中显示出突变的干涉条纹图样。
  ③内部充气法
  对于蜂窝结构、轮胎、压力容器、管道等工件,可用内部充气法加载,有缺陷处的表面向外鼓起量会比周围大,摄制的全息图可捕获这个微差位移。这个加载方法简便,全息图直观,检测效果较好。
     ④表面真空法
        对于无法充气的结构,如不联通的蜂窝结构、叠层结构、钣金胶接结构等,可以在外表面抽真空加载,造成缺陷处表皮的内外压力差,从而引起缺陷处表皮变形,在干涉条纹图样中会出现干涉条纹的突变或呈现出环状图案。
3.3优缺点:
        激光全息检测技术作为一种新的检测技术,解决了许多过去其他方法难以解决的无损检测问题,因此有着其明显的优点:
     (1)激光全息无损检测是一种干涉计量技术,其干涉计量的精度与激光波长同数量级,因此,其检测灵敏度甚高,极微小的变形都能检验出来。
  (2)用激光作为光源,而激光的相干长度很大,因此,可以检验大尺寸物体,只要激光能够充分照射到的物体表面,都能一次检验完毕。
     (3)对被检对象没有特殊要求,可以对任何材料、任意粗糙的表面进行检测。
  (4)可借助于干涉条纹的数量和分布状态来确定缺陷的大小、部位和深度,便于对损伤、缺陷进行定量分析。 
     另外,这种检测方法还具有非接触检测、直观感强、检测结果便于保存等特点。但是,激光全息无损检测技术也并非万能,物体内部缺陷的检测灵敏度,取决于物体内部的缺陷在外力作用下能否造成物体表面的相应变形。如果物体内部的缺陷过深或过于微小,那么,这种检测方法就无能为力了。对于叠层胶接结构来说,检测其脱胶缺陷的灵敏度取决于脱胶面积和深度比值,在近表面的脱胶缺陷面积,即使很小也能够检测出来,而对于埋藏得较深的脱胶缺陷,只有在脱胶面积相当大时才能够被检测出来。另外,激光全息无损检测目前多在暗室中进行,并需要采用严格的隔振措施,因此,不利于现场检测。
4无损检测的应用现状和存在问题
        纵观无损检测在国内建筑业中的应用,非特别重要的构件一般不采用射线探伤。对于厚度≥8 mm的板材及曲率半径不大的管材的对接焊缝多采用超声波探伤,厚度<8 mm的板材和曲率半径较大的管材的对接焊缝多采用磁粉探伤和渗透探伤,而角焊缝基本采用磁粉探伤和渗透探伤。全息探伤技术检测如果其中某一局部有缺陷则该局部的机械强度就与正常区域发生变化,使所得的干涉条纹图出现与正常区域有明显的异常区,故可用于检测试件焊缝的局部缺陷。但是目前工程实践中应用不多。而对于厚度4~8 mm钢板的对接焊缝,采用磁粉探伤和渗透探伤只能探测到表面和近表面的缺陷,内部缺陷较难探出,特别是对只能单面探伤的焊缝。普通超声仪探头适宜探测的最小厚度是8 mm,对于厚度4~8 mm的钢板或管材,探测焊缝内部缺陷必 须结合工程实际情况研制专门的超声仪探头,才能进行探伤检查。
        采用无损检测方法对钢结构建筑进行检测时,因为每种方法都有自身独具的特点,但是一种方法不可能适用于所有的缺陷,所以为了提高检测结果的可靠性,应根据设备的材质、制造方法、工作介质、使用条件和失效模式及预计可能产生的缺陷种类、形状、部位和取向,选用最佳检测方法。检查工件表面细小的裂纹就不应该选择射线和超声波检测,而应选择磁粉和渗透检测。另外,选用无损检测方法和应用时,还应充分的认识到检测的目的不是片面的追求那种过高要求的产品,而是在保证充分安全性的同时满足产品的经济性。只有这样,无损检测方法的选择和应用才会是正确的、合理的。
5 结语
        针对无损检测在我国建筑钢结构中应用的现状和存在的问题,应大力开展以下几个方面工作:结合GB/T50621-2010《钢结构现场检测技术标准》,加大各无损检测探伤方法检测涵盖的范围, 使其能很好地包容各种情况下的焊缝检测。加强对代表无损检测发展方向的全息探伤方面的研究,使其能早日普及应用到现在的无损检测战线上。
 
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