鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協(xié)會
建筑鋼結構分會主辦
摘 要：本文介紹了常用無損檢測技術在建筑鋼結構工程質量控制中的作用、重要性以及四種常用無損檢測技術的應用范圍。
關鍵詞：建筑鋼結構；無損檢測；滲透檢測；磁粉檢測；射線照相檢測；超聲檢測
1 建筑鋼結構工程現(xiàn)狀
近20年來，由于國家的大力支持和市場的旺盛需求，我國鋼結構發(fā)展迅猛，被稱為建筑行業(yè)的“朝陽產業(yè)”。各類鋼結構企業(yè)應運而生，但專業(yè)技術人員相對匱乏，工程質量控制水平低下，以至于在一些鋼結構工程中出現(xiàn)了嚴重的技術經濟不合理現(xiàn)象，甚至造成了許多工程質量事故，損失慘重。
2 無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，其自身質量則源于原材料、加工制作和現(xiàn)場安裝等因素。評價建筑鋼結構的安全性和可靠性一般有三種方式：⑴模擬實驗；⑵破壞性實驗；⑶無損檢測。
模擬實驗是按一定比例模擬建筑鋼結構的規(guī)格、材質、結構形式等，模擬在其運行環(huán)境中的工作狀態(tài)，測試、評價建筑鋼結構的安全性和可靠性。模擬實驗能對建筑鋼結構的整體性能作出定量評價，但其成本高，周期長，工藝復雜。破壞性實驗是采用破壞的方式對抽樣試件的性能指標進行測試和觀察。破壞性實驗具有檢測結果精確、直觀、誤差和爭議性比較小等優(yōu)點，但破壞性實驗只適用于抽樣，而不能對全部工件進行實驗，所以不能得出全面、綜合的結論。無損檢測則能對原材料和工件進行100%檢測，且經濟成本相對較低。
焊接作為建筑鋼結構主要連接方式之一，其質量的好壞對整個工程起著舉足輕重的作用。國內鋼結構方面的專家對 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(jié)點區(qū)的梁柱焊接連接破壞；
2）豎向支撐的整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)；
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量的關鍵所在。
焊縫質量分為：外觀缺陷、焊縫尺寸、表面缺陷、近表面缺陷和內部缺陷。其中外觀缺陷、焊縫尺寸主要用量具、目視來檢驗，表面缺陷、近表面缺陷和內部缺陷的檢驗則主要通過無損檢測來完成。
3 無損檢測概述
無損檢測（Nondestructive Testing,縮寫為NDT），就是研發(fā)和應用各種技術方法，以不損害被檢對象未來用途和功能的方式，為探測、定位、測量和評價缺陷，評估完整性、性能和成分，測量幾何特征，而對材料和零（部）件所進行的檢驗、檢查和測試。根據物理原理的不同，無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）、射線照相檢測（RT）和超聲檢測（UT）。其中，射線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口缺陷。
4 常用無損檢測方法的原理、適用范圍及優(yōu)缺點
4.1滲透檢測
液體滲透檢測（Liquid Penetrant Testing，PT）是基于毛細管現(xiàn)象揭示非多孔性固體材料表面開口缺陷的無損檢測方法。簡稱滲透檢測。
將滲透液借助毛細管作用滲入工件的表面開口缺陷中，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，經毛細管作用，缺陷中的滲透液被吸附出來并在表面顯示。
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口缺陷的檢測。
滲透檢測在使用和控制方面都相對簡單。滲透檢測所使用的設備可以是分別盛有滲透液、去除劑、顯像劑的簡單容器組合，也可以是復雜的計算機控制自動處理系統(tǒng)。
滲透檢測的主要優(yōu)點是：顯示直觀；操作簡單；滲透檢測的靈敏度很高，可檢出開口小至1μm的裂紋。滲透檢測的主要局限是：它只能檢出表面開口缺陷；粗糙表面和孔隙會產生附加背景，從而對檢測結果的識別產生干擾；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損檢測方法。
當被檢材料或零件被磁化時，表面或近表面缺陷處由于磁的不連續(xù)而產生漏磁場；漏磁場的存在，亦即缺陷的存在，借助漏磁場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(xiàn)的主要缺陷有：各種裂紋、夾雜（含發(fā)紋）、夾渣、折疊、白點、分層、氣孔、未焊透、疏松、冷隔等。
磁粉檢測的主要優(yōu)點是：顯示直觀；檢測靈敏度高，可檢測開口小至微米級的裂紋；設備簡單（主要設備為磁粉探傷機），操作簡便，結果可靠，價格便宜；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射線照相檢測
射線照相檢測（Radiographic Testing，RT）是基于被檢件對透入射線（無論是波長很短的電磁輻射還是粒子輻射）的不同吸收來檢測零件內部缺陷的無損檢測方法。
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，零件的不同部位會吸收不同量的透入射線。這些透入射線吸收量的變化，可以通過專用底片記錄透過試件未被吸收的射線而形成黑度不同的影像來鑒別。根據底片上的影像，可以判斷缺陷的性質、形狀、大小和分布。
射線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)應用的射線檢測技術有三種：X射線檢測、γ射線檢測和中子射線檢測。其中使用最廣泛的是X射線照相檢測，主要設備是X射線探傷機，其核心部件是X射線管，常用管電壓不超過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源時，可獲得數十兆電子伏的
高能X射線，可檢測厚度500～600㎜的鋼件。
射線照相檢測的主要優(yōu)點是：可檢測工件內部的缺陷，結果直觀，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束夾角不宜超過10°，否則將很難檢出。
射線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）在介質中傳播時產生反射的性質來檢測缺陷的無損檢測方法。
對透過被檢件的超聲波或反射的回波進行顯示和分析，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，超聲波幾乎產生全反射；在金屬/液體和金屬/固體界面，超聲波產生部分反射。產生反射界面的裂紋、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生部分反射和散射或產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）進行檢測：能對缺陷進行定位；設備輕便，可現(xiàn)場檢測。主要局限是：常用的縱波脈沖發(fā)射法存在盲區(qū)，表面與近表面缺陷難以檢測；試件形狀復雜對檢測可實施性有較大影響；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踐經驗。
5 小 結
綜上所述，每種無損檢測方法的原理和特點各不相同，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(guī)格、材質、缺陷的性質、缺陷產生的位置等諸多因素合理選擇無損檢測方法。一般地，選擇無損檢測方法及合格等級，是設計人員依據相關規(guī)范而確定的。有的工程，業(yè)主對無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程中無損檢測方法的選擇見表1：
表1 無損檢測方法
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實驗研究院有限公司，鄭州 450000）
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