无损检测方法.docx

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无损检测方法

超声波检测技术在公路桥梁桩基检测中的应用分析

摘要：

本文结合工程实例，简要介绍了超声波法的原理及影响基桩质量检测波形的因素，通过具体的检测工作，对超声波检测技术在工程上的应用进行分析探讨，可供同类工程技术人员参考。

　　关键词：

桩基础；检测技术；超声波；公路桥梁工程

　　1.前言

　　随着我国交通事业的发展，桩基已成为一种重要的基础形式应用到交通基础建设中，它决定着整个工程的基本质量。

目前混凝土钻（冲）孔灌注桩是桥梁施工结构的主要形式，这主要是由于桩能将上部结构的荷载传递到深层稳定的土层中去，从而大大减少基础沉降和建筑物的不均匀沉降，具有抗震性能好，承载力高，施工噪音小等特点，是一种极为有效，安全可靠的基础形式。

　　由于桩基是典型的地下隐蔽结构物，由基桩缺陷引起的工程问题时有发生，很容易出现缩径、断裂、夹泥、沉渣、扩径等质量问题。

对施工后的基桩进行质量检测，对于及时发现问题、采取必要的工程措施有相当的重要意义。

　　2.超声法概述

　　超声法检测桩的混凝土质量是上世纪九十年代发展起来的一种新的检测方法。

具有以下优点:

　　1）检测细致，结果准确可靠。

2）不受桩长、桩径限制。

3）无盲区。

声测管埋到的部位都可检测，包括桩顶低强区和桩底沉渣厚度。

4）桩顶露出地面即可检测，方便施工。

　　因此，虽然需预埋声测管，材料费用较高，但仍然得到广泛采用。

　　3.检测参数

　　3.1声速。

声速即超声波在混凝土中传播的速度，它是混凝土超声波检测中一个主要的参数，与混凝土的弹性性质及混凝土的内部结构组成有关。

弹性模量越高、内部越密，其声速就越高。

　　3.2波幅。

接收波波幅通常指首波，反映了接收到声波的强弱，它与混凝土的粘塑性能有关。

在发出的超声波情况下，波幅的大小反映了超声波在混凝土中衰减的情况，即在一定程度上反映了混凝土的强度。

对于内部有缺陷或裂缝的混凝土，由于缺陷、裂缝使超声波反射或绕射，波幅也将明显变化。

　　3.3频率。

超声检测中，电脉冲激发出的声脉冲信号是复频超声脉冲波，在混凝土内传播过程中，其中的高频成分首先衰减，而下降的多少除与传播距离有关外，主要取决于混凝土本身的质量和内部是否存在缺陷。

　　3.4波形。

波形指接收换能器屏幕上显示的接收波波形。

当超声波在传播过程中碰到混凝土内部缺陷、裂缝或异物时，会产生绕射、反射和传播路径的变化，反射波、绕射波等波相继到达接收换能器，它们的频率和相位各不相同，叠加后使波形畸变。

因此，对接收波波形的研究分析有助于对混凝土内部质量及缺陷的判断。

　　4.现场检测工作

　　4.1准备工作。

1）调查、收集资料。

包括:

桩的类型、尺寸、标高，成孔方法及工艺、地质资料，设计参数，混凝土参数、施工方法和工艺及施工中出现的问题等。

2）制定检测方案。

根据桩基预埋的声测管数量确定检测剖面个数，并统一进行编号。

桩的混凝土强度龄期一般应大于14d，以保证各特性参数基本平缓。

3）前期准备。

包括设备、仪器检定等准备工作。

　　4.2现场检测。

1）在桩顶测量相应声测管外壁间净距离。

2）用一段直径与换能器略同的圆钢作疏通吊锤，检查声测管的通畅情况。

3）向管内灌满清水。

4）将发射与接收换能器通过深度标志分别放入声测管中的测点处。

5）发射与接收换能器以相同高度或保持固定高差同步升降，测点间距不宜大于250mm。

6）实时显示和记录接收信号的时程曲线，读取声时、首波峰值和周期值，宜同时显示频谱曲线及主频值。

7）桩身质量可疑测点周围，应采用加密检测，包括采用平测、斜测、扇形扫测等方法进行复测。

　　5.测试数据的计算整理

　　5.1声速

　　式中——每检测剖面相应两声测管的外壁间净距离,mm；

　　t′——超声仪声时读数；

　　——声时初读数，是由标定计算出的值。

　　5.2波幅。

波幅是相对测试。

由于桩身混凝土内部结构的变异性很大而难以找出较强的波幅统计规律性，因此在实际中多是根据实测经验将波幅值的一半定为临界值。

　　5.3绘制深度～声速、波幅图。

根据各测点的数据按桩绘制出桩上各测试面沿桩身的深度～声速、波幅图。

　　6.桩身混凝土质量的判断和评定方法

　　对桩身混凝土质量的判断和评定包括以下三个方面:

桩身混凝土是否存在缺陷及范围；桩身混凝土强度；桩身混凝土均匀性。

其中对缺陷的判断和评定是最主要的。

对缺陷的判断主要根据声速和波幅二个参数，必要时辅以PSD值变化大小。

　　6.1用声速参数判断。

（1）当实测混凝土声速值低于声速临界值时应将其作为可疑缺陷区。

　　Vi<>

　　式中Vi——第i个测点声速值,km/s；

　　VD——声速临界值，km/s。

（2）声速临界值采用正常混凝土声速平均值与2倍声速标准差之差。

　　VD=v-2σV

　　式中VD——声速临界值，km/s；

　　v——正常混凝土声速平均值，km/s，一般在3500～4500；

　　σV——正常混凝土声速标准差。

　　6.2用波幅参数判断

　　波幅测值在缺陷探测中是一种重要的参数，大量的工程实践都证实，桩内存在的缺陷其波幅测值都有明显的反映，且比声速更为敏感。

当实测混凝土波幅值低于波幅临界值时，应将其作为可疑缺陷区。

　　AD=Am-6

　　式中AD——波幅临界值，dB；

　　Am——波幅平均值，dB，一般在65～110（与剖面距离有关系）。

　　上述各项参数计算及绘图均由专用软件完成，测试一结束即可知道那些是异常点，而在深度～声速图上也可一目了然地看出低于临界值的测点。

　　6.3综合判断

（1）以声速值进行概率法统计判断，获得低于临界值（单点判断和相邻点判断）异常点的位置和深度，结合PSD值的大小；

（2）分析波幅的变化，把声速低于临界值且波幅又明显偏低的测点和部位定为异常部位；（3）根据细测和斜测资料，确定缺陷的范围；（4）根据缺陷在桩上的位置、施工情况等综合判定缺陷的种类和性质。

　　判断时要注意各个测试剖面的声速和波幅及PSD值，特别是在判断整个断面的层状缺陷（断桩）时更要慎重。

对于层状缺陷，必须是三（3根声测管）或六（4根声测管）个测试剖面都是层状缺陷才行。

有时附着在声测管上的泥团会使二个测试剖面或三个剖面测值低，但并不是整个断面的缺陷，通过斜测与扇形扫测试可进一步得以判断。

　　7.缺陷性质与声学参数的关系

　　1）沉渣:

沉渣是松散介质，其本身声速很低（2500m/s以下），对声波的衰减也较明显，如遇到桩底沉渣，检测时声速和波幅均剧烈下降。

2）泥团:

声速与波幅均下降，但下降多少则视缺陷情况而定。

如果是局部的泥团，并未包裹声测管，则下降的程度并不大；如果泥团包裹声测管，声速与波幅值明显下降，特别是波幅的下降较为明显。

一根声测管被泥团包裹（如三根声管影响两个测试剖面、六根声管就影响三个测试剖面），通过斜测与扇形扫测可以分辨缺陷程度和位置。

3）混凝土离析:

粗骨料多的地方，由于粗骨料本身声速高，往往造成该部位声速测值并不低，而只有波幅偏低；但由于粗骨料的声学界面多，对声波的反射、散射加剧，接收信号削弱，于是波幅下降。

有时砂浆多的地方而粗骨料少，所测得声速值偏低，但波幅测值不下降，有时还会高于附近测值，所以对桩的判定时要以声速和波幅两个参数进行综合的分析判断，必要时结合PSD值进行分析。

　　8.桩身完整性评价

　　根据测试和判断的结果，对所测桩的完整性、缺陷和处理意见进行综合性评价。

结合《公路工程基桩动测技术规程》，本项目基桩超声波检测评价表如表1

超声波检测（UT），是开发较早、应用较广的四大常规方法之一。

目前，这种方法仍是锅炉压力容器、特种设备、钢结构、输电、铁塔、通信铁塔等制造质量检验和在用检验最常用的无损检测方法之一。

其他主要的还有射线检测（RT）；磁粉检测（MT）；渗透检测（PT）。

另外，还有涡流检测（ET）、声发射检测（AE）等。

    一、超声波检测适用范围

超声波检测适用于板材、复合板材、碳钢和低合金、钢锻件、管材、棒材、奥氏体不锈钢、锻件等钢结构、输电线路铁塔、微波通信塔及承压设备原材料和零部件的检测；也适用于钢结构、输电线路铁塔、微波通信塔及承压设备对接焊接接头、T型焊接接头、角焊缝以及堆焊层等的检测。

    二、超声波在检测中应用

1．板材超声检测

板材主要用于压力容器壳体，钢结构厂房，铁塔连接板。

一般厚度为6～250mm，大多数压力容器用钢板厚度为8～40mm，钢板制造厂多采用超声局部水浸法。

容器制造厂多采用接触法复验。

在用设备一般不进行钢板超声检测。

当发现异常以及鼓包等特殊情况再做这项工作。

当使用双晶直探头时，应符合JB/T4730.3-2005标准中附录A双晶直探头性能要求，特别是注意探头的距离——波幅曲线。

对厚度为＜6mm的薄板，如用单晶直探头法，由于其板厚可能在盲区内，缺陷难以分辨，因此改用板波进行探伤。

6～20mm的钢板应用双晶直探头检测。

探头频率使用5MHz比2.5MHz要高，晶片面积不小于150mm2，其他性能应符合JB/T4730.3-2005附录A要求。

采用阶梯试块CBⅠ调整灵敏度，使试块上工件等厚的底面。

第一次超声波达到满刻度的50%，再提高10db作为基准灵敏度；厚度＞20～40mm的钢板，采用5MHz单晶直探头，晶片尺寸在Φ14～Φ20。

厚度＞40～250mm的钢板宜采用2.5MHz、晶片尺寸在Φ20～Φ25的单晶直探头。

2．锻件超声检测

检验时机：

原则上应安排在热处理后，孔台等结构和加工前进行。

检测面的表面粗糙度Ra≤6.3μm。

当工件检测距离≥50mm时，采用CSⅠ试块、公称频率2MHz～5MHz，晶片为Φ14～Φ25的单晶直探头。

当工件检测距离＜50mm时，采用CSⅡ试块、公称频率5MHz、晶片面积≥150mm2的双晶直探头。

当被检部位厚度≥3倍的探头近场区长度，且探测面与底面平行时，原则上可采用底波计算法确定单直探头基准灵敏度。

而双晶直探头确定基准4，应采用CSⅡ试块，依次测试一组不同检测距离Φ3平底孔（至少三个）。

做出距离－波幅曲线以此作为基准灵敏度。

3．钢管超声检测

钢管的检测主要是针对纵向缺陷。

一般采用横波斜射法。

对比试块应选取与被检钢管规格相同，材质、热处理工艺和表面状况相同或相似的钢管制备。

不得有≥Φ2当量的自然缺陷。

试块的尺寸，V形槽和位置应符合JB/T4730.3-2005的规定。

4．焊缝超声检测

焊缝质量直接影响产品的使用寿命及安全性。

UT是保证焊缝质量的重要检测手段之一。

焊缝内部质量一般用RT，但对于厚壁或焊缝中的裂纹。

未熔合等危险性缺陷。

超声方法优于射线。

JB/T4730.3-2005对母材厚度为400mm的全熔化焊对焊缝的超声检测进行了明确规定，并指出应检测到整条焊缝熔合线和热影响区，而过去人们认为，对焊缝的检测只是检测焊缝部位。

5．平板对接焊缝

8～46mm厚平板对接焊缝采用二次波探伤，大于46mm的采用一次波。

采用耦合剂有机油、化学糨糊和水；常用探头频率为2.5MHz～5MHz，检查时常用锯齿形扫查。

扫查时需注意：

①扫查时探头作10°～15°转动；

②扫查范围符合要求；

③每次前进间距不超过探头晶片直径。

探头选择时要考虑：

①使声束扫查到整个焊缝截面；

②使声束中心尽量与主要危险性缺陷垂直；

③保证有足够的探伤灵敏度。

6．管座角焊缝超声检测

管座角焊缝超声检测以直探头为主，对直探头扫查不到的应以斜探头检测，直探头探伤时，平底孔距离波幅曲线可在CSⅠ或CSⅡ上测试，其灵敏度为：

评定线Φ2平底孔，定量线为Φ3平底孔，判废线为Φ6平底孔。

而采用斜探头时，距离波幅曲线的测试同平板对接焊缝。

7．T形接头焊缝超声检测

6～50mm厚全焊透T形接头焊缝的超声检测要依据不同的焊缝结构形式，选择一种或几种方式组合实施检测。

常用探头是直探头（或双晶直探头）和斜探头。

直探头距离－波幅曲线的灵敏度为：

评定线Φ2平底孔，定量线为Φ3平底孔，判废线为Φ4平底孔。

斜探头距离－波幅曲线的灵敏度为：

应按JB/T4730.3-2005表19规定。

    三、使用超声检测的原则

在无损检测中，必须认识到任何一种无损检测方法都不是万能的，每种无损检测方法都有各自的优点和缺点。

因此，在无损检测应用中，如有可能，不要只采用一种无损检测方法，而应尽可能多的同时采用几种方法，以便保证各种检测方法互相取长补短，从而获得更多的信息。

另外，应根据材料材质、结构、制造方法、工作介质、使用条件和失效模式，预计可能产生的缺陷种类、形状、部位和方向。

利用有关材料、焊接加工工艺的知识，选择适宜的无损检测方法，综合起来进行判断。

例如，RT、UT主要用于内部缺陷检测，UT对裂纹缺陷控制灵敏度高，但定性不准是其不足。

而RT的优点之一是对缺陷定性比较准确。

MT主要用于铁磁性材料表面和近表面缺陷。

PT主要用于非多孔性金属材料的表面开口和缺陷的检测。

ET主要用于导电金属材料表面和近表面的缺陷。

多种方法配合使用，能保证检测结果准确、可靠。

随着现代工业的发展，对产品质量和结构安全性、使用可靠性提出了越来越高的要求，由于无损检测技术具有不破坏试件、检测准确度高的特点，广泛应用于国内许多行业和部门。

做为无损检测人员，只有了解结构、使用条件和失效模式，了解材料和焊缝中常见缺陷种类和产生原因，才有助于正确选择无损检测方法，正确分析和判断结果。