各种体育馆结构性检测鉴定案例

本文阐述了体育场（鸟巢）钢结构工程的声波探伤技术，并提出了带垫板全熔透焊缝的声检测方法，为类似工程提供参考。

关键词：声波探伤  缺陷  全熔透焊缝  错边  垫板

 

 

1  体育场钢结构工程简介

1.1  工程概况

体育场是北京2008年奥运会的主体育场，建筑面呈鞍形，长轴为332.3m，短轴为296.4m，较高点为68.5m，点高度为42.8m。屋盖中间开洞长度为186.7m，宽度为127.5m。屋钢结构，设计新颖、*特，主桁架围绕屋盖中间的开口放射形布置，与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型。大跨度屋盖支撑在周边的24根桁架柱上，体现了当今国际较高水平。

作为空间结构体系，巨型桁架柱和主桁架节点构造复杂，立面次结构和面次结构不规则，小单元体类型各异，对制作、安装提出了新的要求。这种复杂的结构，对质量检测提出了很高的要求。

1.2  检测难点

1.2.1  工程规模大，构件吨位重。

马鞍形钢屋盖长轴约333m，短轴约280m；内环长轴约182m，短轴约124m；矢高12m。

作为屋盖结构的主要承重构件，桁架柱较大断面达25m×20m，高度达67m，单榀较重达520t。而主桁架高度12m，双榀贯通较大跨度145.577+112.788m，不贯通桁架较大跨度102.391m，桁架柱与主桁架体型大、单体重量重。钢结构设计总重量达41875t。其中主桁架：12720t；组合柱：12548t；次结构：11670t；楼梯：4137t；马道：800t。共检测全熔透焊缝35420m。

1.2.2  节点复杂

由于本工程中的构件均为箱型断面杆件，所以，无论是主结构之间，还是主次结构之间都存在多根杆件空间汇交现象。加之次结构复杂多变、规律性少，造成主结构的节点构造相当复杂，绝大多数接点呈T、K、Y空间相贯形式，加垫板焊接。

 

2  无损检测方法和验收要求

依据设计要求，体育场钢结构工程全焊透为一、二级焊缝，采用声波探伤进行内部缺陷的检验，声波探伤不能对缺陷作出判断时，应采用射线探伤。其内部缺陷分级及探伤方法应符合现行标准《钢焊缝手工声波探伤方法和探伤结果分级法》GB11345-89 或《钢熔化焊对接接头射线照相和质量分级》GB3323-2005 的规定。

声波探伤是利用声波在被检材料中传播时，根据材料中存在的缺陷所显示的声学性质对声波传播的影响来探测缺陷的一种无损探伤方法，可对各种金属材料的本身质量或焊接质量进行无损探伤。

、二级焊缝的质量等级及缺陷分级应符合表1的规定。

检查数量：全数检查。

检验方法：检查声波或射线探伤记录。

 

 

文章曾在宝冶《工程技术与管理》2008年3月刊发表。

表1  一、二级焊缝质量等级及缺陷分级

 

3  声波检测技术

3.1  人员要求

从事该项工程检测的人员经过或相关部门培训并钢结构检测人员资格证书者才能担任，并掌握一定的探伤基础知识，材料、焊接知识和操作技能与经验。签发者持有II级或II级以上资格证书。

3.2  仪器、探头及其系统性能

3.2.1  仪器

使用的仪器有国内外的微型声波探伤仪EPOCH4，USN52R，TS-2028等，其精度均控制在任意相邻12dB误差控制在±1dB以内，水平线性误差1%以内，垂直线性误差5%以内。经过上海市计量院计量，完全，能充分满足体育场工程的检测需要。

3.2.2  探头

使用的探头均为广东汕头声电子股份有限公司生产，具体有2.5P20×20K1、2.5P16×16K1、2.5P10×10K1、2.5P13×13K2、2.5P10×10K2.5、2.5P8×12K3等；出厂前均计量。

3.2.3  系统性能

（1）灵敏度余量

系统有效灵敏度必须大于评定灵敏度10dB以上。

（2）远场分辨率

斜探头：Z≥6dB

3.2.4  仪器、探头及其系统性能的周期检查

（1）仪器、探头及其系统性能，除灵敏度余量外，均应按相关标准进行测试。

（2）仪器的水平线性和垂直线性，在设备**后每隔三个月检查一次。

（3）斜探头及系统性能，在下表规定的内必须检查一次。

表2  斜探头及系统性能检查周期

3.3  试块

本次检测使用试块为CSK-IB、RB-1、RB-2、RB-3标准试块。且经过计量。

3.4  探伤前的准备工作

（1）探伤检测前，应对需检的焊缝两侧探头移动区域清除焊接飞溅、铁屑、油垢等外部杂质。探伤表面应平整光滑，便于探头的自由扫查，其表面粗糙度不应过Ra6.3um.视情况作打磨处理。

（2）探头的移动距离为不小于S=2.5KT

K：检测使用的探头的K值

T：需检测的焊缝的母材厚度

（3）探伤面及使用折射角见表3

表3  探伤面及使用折射角

图1  探伤位置示意图

（４）耦合剂

耦合剂应选用适当的液体或糊状物作为耦合剂，耦合剂应具有良好的透声性和适宜流动性，且不应对材料和人体有损伤作用，同时应便于检验后清理。本工程选用化学浆糊（CMC）作为耦合剂，冬季施工时，由于北京天气冷，适当加入盐或防冻液。以防耦合剂冻结。

调试仪器用耦合剂应和构件检验用耦合剂相同。

3.5  仪器的调整与校核

3.5.1  使用仪器在CSK-IB、RB-1、RB-2、RB-3（其孔均为Φ3×40标准反射体）标准试上按实测数据绘制距离－波幅（DAC）曲线，在整个检验范围内，曲线应处于荧光屏满幅度的20%以上。其示意图及灵敏度如下：

图2  距离一波幅曲线示意图

表4  距离—波幅曲线的灵敏度

3.5.2  每次检验前，应在标准试块上对时基扫描比例和距离－波幅曲线（灵敏度）进行调节或校验。检验点不少于两点。

检验过程中每4h之内或检验工作结束后应对时基扫描和灵敏度进行校验，校验可在对比试块或其他等效试块上进行。

扫描调节校验时，如发现校验点反射波在扫描线上偏移过原校验点刻度读数的10%或满刻度的5%（两者取较小值），则扫描比例应重新调整，前次校验后已经记录的缺陷，位置参数应重新测定，并予以正。

灵敏度校验时，如校验点的反射波幅比距离－波幅曲线降低20%或2dB以上，则仪器灵敏度应重新调整，并对前次校验后检查的全部焊缝应重新检验。如校验点的反射波幅比距离-波幅曲线增加20%或2dB以上，仪器灵敏度应重新调整，而前次校验后，已经记录的缺陷，应对缺陷尺寸参数重新测定并予以评定。

3.6  声波操作要领

3.6.1  一般要求

（1）声波检验应在焊缝及探伤表面经外观检查。探头移动区应清除焊接飞溅、铁屑、油垢及其它外部杂质。探伤表面应平整光滑，便于探头的自由扫查，其表面粗造度不应过Ra6.3μm，必要时进行打磨后进行；

（2）检验前，探伤人员应了解受检工件的材质、结构、曲率、厚度、焊接方法、焊缝种类、坡口形式、焊缝余高及背面衬垫、沟槽等情况；

（3）探伤灵敏度应不评定线灵敏度；

（4）扫查速度不应大于150mm/s，相邻两次探头移动间隔保证至少有探头宽度10%的重叠；

（5）对波幅过评定线的反射波，应根据探头位置、方向、反射波的位置判断其是否为缺陷。判断为缺陷的部位应在焊缝表面作出标记。

3.6.2  对接焊缝的检验

（１）为探测纵向缺陷，斜探头垂直于焊缝中心线放置在探伤面上，作锯齿型扫查示意图如下。探头移动范围应保证扫查到全部焊缝及热影响区。在保持探头垂直焊缝作前后移动的同时，还应在10°～15°的左右的转动；

（2）为探测焊缝及热影响区的横向缺陷应进行平行和斜平行扫查；

（3）焊缝母材厚度过100mm时，应采用两种角度探头（45°和60°或45°和70°并用）作单面两个方向的平行扫查；亦可用两个45°角探头作串列式平行扫查；对电渣焊缝还应增加与焊缝中心线成45°角的斜向扫查；

（4）为确定缺陷的位置、方向、形状、观察缺陷动态波行或区分缺陷讯号与伪讯号，可采用前后、左右、转角、环绕等四种探头扫查方式。

 

4  带垫板全熔透焊缝声检测技术

4.1.1  带垫板全熔透焊缝根部缺陷的特点

“鸟巢”每根柱子必须在现场组焊，而对接接头的坡口也是单面单边V形，带垫板，横焊全焊透，实施手工电弧焊，具体形状如图所示。这种几何结构容易在接头的根部形成缺陷，如未焊透、未熔合、夹渣等，经验证明，未焊透、未熔合将在接头中形成一个很深内凹口，是使焊缝产生横向裂纹的潜在因素，该裂纹大多会向母材内部发展，严重的会导致母材开裂，危及结构的。在声波探伤过程中示波屏上反映出的根部缺陷反射波与根部几何形状异变造成的反射波相似，难辩真伪，对于这一问题目前国内外尚没有成熟的解决办法。

其焊口形状为：

30o

 

30o

 

 

 

 

图3（无错边）                                图4（错边）

4.1.2  带垫板全熔透焊缝根部波形分析

由于此次工期短，现场拼焊时，柱子是菱形，桁架是箱型无法进入柱子内部焊接及检测，所以只能在柱子外部的焊缝两侧用声波探伤来检测焊缝内部缺陷。下面我们以板厚为40mm的试件为例，根据焊口不同情况，分别对焊缝根部波形进行分析：

B1  B2

 

深度

 

（1）焊口无错边、无缺陷

 

            

 

 

                

 

      

 

图5                                          图6

a.在焊口无错边、垫板与母材紧贴时，图中反射波Ｂ１为探头在3#、4#检测位置时根部垫板与母材熔和处的反射波，反射波B2为探头在2#、5#检测位置时根部垫板割断处的反射波，而探头在1#、6#检测位置时无反射波；当垫板分割处熔和不深时，反射波B2、B1相重；

b.在焊口无错边、垫板与母材不紧贴时，图中反射波Ｂ１为探头在3#、4#检测位置时根部垫板与母材熔和处的反射波；反射波B2为探头在2#、5#检测位置时根部垫板割断处的反射波；而探头在1#、6#检测位置时有较低的反射波，有时反射角度好时也有较高的反射波，为B1；当垫板分割处熔和不深时，反射波B2、B1相重。

（2）焊口错边、无缺陷

a.在焊口错边、垫板与母材紧贴时，图中反射波B１为探头在4#检测位置时根部垫板与母材熔和处的反射波，反射波B3为探头在5#检测位置时根部垫板割断处的反射波，反射波Ｂ4为探头在3#检测位置时根部垫板割断处的反射波，反射波B5为探头在2#检测位置时根部垫板割断处的反射波，而探头在1#、6#检测位置时无反射波；当垫板分割处熔和不深时，反射波B4、B5相重；

b.在焊口错边、垫板与母材不紧贴时，图中反射波Ｂ１为探头在4#检测位置时根部垫板与母材熔和处的反射波，反射波B3为探头在5#检测位置时根部垫板割断处的反射波，反射波B4为探头在3#检测位置时根部垫板割断处的反射波，反射波B5为探头在2#检测位置时根部垫板割断处的反射波，而探头在1#、6#检测位置时有较低的反射波，有时反射角度好时也有较高的反射波，为B2；当垫板分割处熔和不深时，反射波B2、B4、B5相重。

B1B2 B3 B4B5

 

波高

 

深度

 

 

                            图7                                           图8

（3）无错边单边根部未熔合

B1 B2 B3

 

            图9（未熔在坡口侧或在钝边侧）                          图10

a.未熔在位置１＃侧，则B1为缺陷反射波，在１＃、４＃位置都有缺陷反射波，则此缺陷波易与根部垫板与母材熔和部位反射波、根部垫板割断处熔和不深时的反射波B2相混淆；

b.未熔在位置６＃侧，则B1为缺陷反射波，在３＃、６＃位置都有缺陷反射波，则此缺陷波易与根部垫板与母材熔和部位反射波、根部垫板割断处熔和不深时的反射波B2相混淆。

B1B2 B3 B4B5

 

波高

 

（4）有错边单边根部未熔合

 

 

     

图11（未熔在坡口侧或在钝边侧）                          图12

a.未熔在位置1#侧，则B1、B2为缺陷反射波，在1#、4#位置都能探出，则此缺陷波易与根部垫板与母材熔和部位反射波相混淆。根部垫板割断处的反射波、根部夹渣、未焊透缺陷反射波也在示波屏上与未熔显示在同一位置；

b.未熔在位置6#侧，则B2、B4为缺陷反射波，在3#、6#位置都能探出，则此缺陷波易与根部垫板与母材熔和部位波相混淆。根部垫板割断处的反射波、根部夹渣、未焊透缺陷反射波也在示波屏上与未熔显示在同一位置。

4.1.3  试验

在进行了以上的分析后，我们模拟现场的实际情况，对焊接的试件进行检测结果分析，从中寻找缺陷的规律来。根据现场情况我们焊接了厚度为40mm，70mm，等的试板，对其进行X射线的探伤检测，并通过声波检测对缺陷部位进行验证，采用的材质为Q460或Q345；焊接方法为横焊自保护焊、手工焊；单V型坡口背面加分割式垫板、单面焊。

表5  试件一览表

统计：（1）根部缺陷9块，占总数的22.5%；（2）非根部缺陷2块，占总数的5%。

由此可见现场焊接主要是根部的处理较困难，并且缺陷的产生以根部未熔合、未透居多，所以声波的探伤放在根部，并且非根部缺陷的检测技术都已很成熟，但根部缺陷易与几何反射波相混，给结果的判定增加了难度。

4.1.4  解决方案

由以上的模拟实验及理论分析，我们对根部的声检测可以归纳为：

探头在未熔合范围内沿焊缝平移，波形较稳定 ，焊缝两侧探伤时，反射波幅不同，水平定位在一个部位，深度显示缺陷在根部，探头位置一般在未熔一侧探时未熔和反射波幅较高，另一侧探时，反射波幅则较低，甚至于没有反射波；并且在母材与垫板不紧贴时，缺陷波易与根部垫板与母材熔和部位波相混；而根部未透则焊缝两侧检测波高都较高，水平定位时都靠近检测部位一侧，但在母材与垫板不紧贴时，此波易与根部垫板与母材熔和部位波相混；根部夹渣则焊缝两侧探伤时，反射波幅不同，水平定位在一个部位，深度显示缺陷在根部，波形呈峰林状。以上反射波也易与根部垫板割断处的反射波相混淆针对这种情况我们制作了12块对比试块，对根部缺陷中具有代表性的未熔和未焊透进行量化处理。选用试件材质Q345，和Q460手工焊横焊，坡口为单边V型背面加分割式垫板，间隙为10mm-12mm，焊条为507RH（低氢），对其中6块制作了人工缺陷—未熔合，2块人工缺陷-未焊透，未熔合和未焊透自身高度约为1mm。并且我们对人工缺陷试件进行了机械性能实验完全达到要求。

试块种类如下：

（试块形状见图13、14）

30o

 

 

 

 

 

 

 

 

图13                                   图14

（1）板厚40mm，无错边：无缺陷（1块）；坡口侧未熔（1块）；直边侧未熔（1块）

（2）板厚40mm，错边4 mm：无缺陷（1块）；坡口侧未熔（1块）；直边侧未焊透（1块）

（3）板厚70mm，错边6 mm：无缺陷（1块）；坡口侧未熔（1块）；直边侧未熔（1块）

（4）板厚70mm，无错边：无缺陷（1块）；坡口侧未熔（1块）；直边侧未焊透（1块）

制作好以上试件后，每次检测前先在标准试块上作出DAC曲线，调整好灵敏度，然后与所做的人工试块上进行比较，以确定人工未熔和缺陷与标准灵敏度相差几 dB ，从而在实际检测过程中遇不能确定是否缺陷波时，我们以人工缺陷试块当量为依据，当缺陷反射波过其人工缺陷波幅时，对此处的缺陷进行判废返修处理。

 

5  结束语

5.1  通过对体育场钢结构工程制造、安装中全过程的无损检测，及时排除了可能危害钢结构的各类焊接缺陷，保证了体育场的使用。

5.2  对带垫板全熔透焊缝根部典型的反射波形进行了分析，并提出了带垫板全熔透焊缝的声检测方法，供**借鉴和参考。

 

参考文献：

[1] GB50205-2001，钢结构工程施工质量验收规范〔S〕.

[2] JGJ81-2002，建筑钢结构焊接技术规程〔S〕.

[3] 王文忠，王小艾，无损检测标准应用手册〔M〕昆明：云南科技出版社，2003.7

[4] 李家伟，陈积懋，主编，无损检测手册〔M〕北京：机械工业出版社，2002.