DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.06.028

钢箱梁疲劳裂纹特征超声波检测方法试验研究

吉伯海，袁周致远，傅中秋，谢发祥

(河海大学 土木与交通学院，江苏 南京，210098)

摘要：采用疲劳裂纹标准试件对钢箱梁疲劳裂纹长度、宽度、深度、倾斜角度及开裂位置等特征进行超声波检测试验，研究钢箱梁疲劳裂纹特征超声波检测方法。依据理论计算和试验结果，对比分析每种裂纹检测波形及回波参数，提出1/3测长法，给出测长法判断依据的理论解，与实际检测结果相符合；针对裂纹深度，提出裂纹深度检测的精度提高的方法；建立裂纹倾斜角度、开裂位置判定计算公式。分析面板与U肋焊缝处不同类型裂纹检测结果，给出裂纹距焊趾距离K计算公式，并由K建立焊趾、焊根、未溶透部位疲劳裂纹判别方法。研究结果表明：疲劳裂纹特征与回波参数存在一定的相关性，疲劳裂纹特征检测方法具有较好的准确性。

关键词：钢箱梁; 疲劳；裂纹特征；超声波检测

中图分类号：U441.4             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)06-2023-07

Fatigue crack features in steel box girder by ultrasonic testing

JI Bohai, YUANZHOU Zhiyuan, FU Zhongqiu, XIE Faxiang

(College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Abstract: The fatigue crack features of length, width, depth, angle and location were studied in steel box girder by ultrasonic testing (UT). Standard specimens were made with some artificial cracks. According to the detecting results, each kind of cracks flew echo waveform and its parameters were analyzed. 1/3 length measurement method was put forward and verified by theoretical calculation and experimental result. The detection precision, for crack depth, was improved and formulation to calculate crack angle and position was established. Though analysis of detection results on different crack types in weld part of U-rib and deck, K value (distance between crack and weld toe) method was given out, which can distinguish these fatigue cracks that start from weld toe, weld root and undissolved part. The results show that the crack feature has some relative with echo parameter. The detection method of fatigue crack features is accurate.

Key words: steel box girder; fatigue; crack features; ultrasonic testing

钢箱梁具有强度高、质量轻、抗风稳定性好等优点，是大跨度桥梁采用的主要截面形式之一。随着我国大跨度桥梁建设服役年限的增加，钢箱梁病害亦逐步呈现，其中以疲劳最为严重^[1-2]。在车辆荷载的反复作用下，钢箱梁焊接缺陷、应力集中部位极易产生疲劳裂纹^[3]，危害大，会降低钢箱梁的使用寿命，若不及时进行检测和修复，影响桥梁的正常运营，严重时会导致桥梁倒塌事故。针对疲劳裂纹的检测通常分为有损和无损2种方法，而无损检测^[4]是现在最为常用的一种。常规的无损检测方法有渗透检测、磁粉检测、涡流检测、射线检测及超声波检测，其中渗透、磁粉只能够检测表面裂纹，但检测范围大、速度快；涡流和射线检测技术难以适应复杂的现场检测环境；超声波检测^[5-6]的特点在于其能够检测到内部的裂纹，与渗透和磁粉检测相比具有更大的灵活性。针对钢箱梁疲劳裂纹的检测，近几年相关学者开展了一些研究，提出了基于电磁检测原理^[7]和电阻法原理^[8]的疲劳裂纹检测技术以及利用X线，研究裂纹断面的3D扩展规律^[9]。通过超声波对表面裂纹的检测，对金属的疲劳失效进行了评估^[10]；采用声发射或超声波检测技术对疲劳裂纹的扩展进行动态检测^[11-14]及对焊缝附近进行自动化探伤^[15]。总的来说，超声波检测技术已在钢箱梁疲劳裂纹检测中得到应用，但现场检测时，检测人员对钢箱梁疲劳裂纹特征认识不足，忽略对裂纹的深度、倾斜角度以及特殊部位隐蔽裂纹的检测，没有形成系统的钢箱梁疲劳裂纹超声波检测方法，导致疲劳裂纹修复不完善，残留裂纹缺陷，产生二次萌生。因此，本文作者针对钢箱梁疲劳裂纹的不同特征，制作了相关裂纹标准试件，研究了钢箱梁疲劳裂纹特征超声波检测方法，建立了疲劳裂纹长度、深度、倾斜角度、开裂位置的系统的检测方法，为疲劳裂纹修复方案的制定提供科学有效的参考。

1  实验设计

1.1  试件

试件材料为Q345q，采用CO₂保护焊进行焊接，焊缝高度h_f=8.0 mm，针对钢箱梁U肋与面板焊接构造细节(图1)，制作了人工裂纹标准试件，对该部位焊缝的6种不同疲劳裂纹开裂形式进行模拟(图2)。裂纹采用电火花线切割加工，综合考虑了裂纹的长度L、深度D、宽度W、倾斜角度α及位置等特征^[3]见图3所示。表1所示为试验设计的主要裂纹参数，包括裂纹宽度W(0.10，0.15和0.20 mm)、裂纹深度D(4，6，8和12 mm)、裂纹长度L(15，30和40 mm)、裂纹角度α(0°，30°和45°)及板厚T(6和12 mm)。

1.2  仪器

采用SH610数字超声波探伤仪，研究钢箱梁疲劳裂纹特征的超声波检测方法。试验中使用的探头为  4P8×12 K2.5斜探头，耦合剂为CG-98型超声波耦合剂。在探头使用前，先在标准试块上对探头性能进行测定和校准，得到探头前沿为9.0 mm，斜探头K为2.5，声束偏斜角为1°，灵敏度余量64 dB。

图1  钢箱梁U肋与面板连接焊缝构造

Fig. 1  Structure of U-rib and deck in steel box girder

图2  U肋与面板连接焊缝裂纹类型

Fig. 2  Crack types in weld joint of U-rib and deck

图3  裂纹特征示意图

Fig. 3  Diagram of crack feature

2  裂纹特征检测结果分析

对人工裂纹进行检测时缺陷回波波形呈现明显的单峰，反射率高；前后、左右移动探头或转动探头，回波高度比例发生改变。裂纹尖端回波高度比例最高，声波越过尖端后回波高度比例迅速下降。

2.1  裂纹长度

采用绝对灵敏度法^[2]对人工裂纹进行测长，假设P为入射声压，P_B为返回声压，则将超声波探头中心(声束轴线)对准裂纹边缘时，声波传递情况如图4所示。

表1  裂纹设计参数

Table 1  Crack parameters

图4  超声波在裂纹边缘反射情况

Fig. 4  Ultrasonic reflection at edge of crack

返回声压P_B的计算公式为

P_B=P_B1+P_B2               (1)

其中，P_B1=P/8，P_B2=P/4，把两者相加得到：

P_B=P_B1+P_B2=3P/8            (2)

从理论推导中可以得到裂纹边缘的返回声压为入射声压的3/8。而探头在裂纹内部的返回声压可根据几何规则体的回波声压计算公式^[16]进行近似处理，这里为P_B=P。由于超声波检测中返回声压P_B与回波高度比例H呈正比，即P_B′/P_B″=H′/H″，所以，超声波在裂纹边缘检测时其回波高度比例比裂纹内部回波高度比例低3/8。

对裂纹CP-111-11，CP-112-11和CP-113-11进行超声波测长试验，寻找到缺陷最高回波，调节灵敏度，使最高回波高度比例稳定在70%左右，记录边缘回波高度比例，得到如图5所示裂纹不同位置回波高度比例曲线。

从图5可以看出：探头位于裂纹中间时的回波高度比例最高，向两边移动时回波高度比例迅速下降，直到裂纹边缘回波高度比例达到最低，越过裂纹边缘后，回波消失。最高回波和最低回波的高度相差约1/3，试验结果符合理论计算结果，为应用方便，这里近似取为1/3作为裂纹边缘的判断基准。

图5  裂纹不同位置回波高度比例曲线

Fig. 5  Echo height on different crack positions

对裂纹CW-111-2和CW-111-3进行测长实验，结果见表2。从表2可见：通过1/3测长法判断裂纹边缘位置，并测量裂纹有效长度方法可行，测量相对误差小于5%，具有较高准确度，对表面裂纹和隐蔽裂纹都具有较好的适用性。

表2  焊缝处裂纹测长结果

Table 2  Results of crack length measurement

2.2  裂纹宽度

超声波测量缺陷大小通常采用当量法，将缺陷大小转化为相应的平底孔孔径。在相同灵敏度下根据缺陷回波的差异，可计算出缺陷大小。在疲劳裂纹尖端处，可近似当作横孔，其返回声压计算公式如下：

              (3)

式中：X为水平距离。

从而得到裂纹当量的计算公式为

             (4)

测量不同宽度(裂纹CP-122-11，CP-222-11，CP-322-11)的3种裂纹的回波高度比例，将裂纹CP-122-11的回波声压作为基准入射声压P，则由式(4)计算得到3种裂纹的当量，结果见表3。

3种裂纹的当量比为1.0:1.6:2.2，与3种裂纹宽度比1.0:1.5:2.0近似，说明超声波检测中可通过当量法来定性区分缺陷大小，但对裂纹宽度进行定量检测还存在一定局限性。

2.3  裂纹深度及水平位置

根据缺陷回波的声程S、指示深度Y和指示水平距离X(S，Y，X由仪器给出)，可以对裂纹深度和水平位置进行检测。如图6所示为针对同一裂纹分别采用直射法和一次反射法进行检测的缺陷回波。从图6可以看出：直射法产生的缺陷回波距离比一次反射法的近，并且回波高度比例较高，具有缺陷判别能力，因此宜优先采用直射法进行疲劳裂纹检测。

表3  裂纹当量计算结果

Table 3  Results of crack equivalent calculation

从人工标准试件中选择不同深度的裂纹进行试验，分别采用直射法和一次反射法进行检测，结果如表4所示。由表4可知：直射法测量得到的裂纹深度比实际深度偏大，而一次反射法测得的裂纹深度偏小。这是由于超声波声束有一定的扩散角，裂纹的最高回

波未必是裂纹尖端。并且超声波探头存在一定的近场区，直射法的检测精度比一次反射法的低。将直射法和一次反射法检测结果取平均值，其相对误差接近0，检测结果与实际吻合良好。因此，在探伤条件允许(可分别进行直射和一次反射法)的前提下，宜取两者结果的平均值作为裂纹的实际深度；在探索条件不允许(无法进行直射法)时，宜采取一次反射法，其检测结果偏小。

图6  直射法和一次反射法波形图

Fig. 6  Waveform of single and double traverse technology

表4  直射法和一次反射法检测结果

Table 4  Detection results of single and double traverse technique

2.4  裂纹角度

实际疲劳裂纹开裂时沿板厚方向呈一定角度扩展，并非完全垂直于表面，因此对疲劳裂纹角度的测量十分重要。图7所示为疲劳裂纹角度测量的几何方法。图7中：N为探头前端距裂纹开口距离；Q为探头前沿；l为裂纹水平投影长度；X₁和X₂分别为探头在裂纹尖端和裂纹开口时的指示水平距离；Y₁和Y₂分别为探头在裂纹尖端和裂纹开口时的指示深度。

图7  裂纹角度判定超声法

Fig. 7  Method for crack angle detection

对于可见裂纹，计算公式如下：

          (6)

对于隐蔽裂纹，计算公式如下：

          (7)

选取人工裂纹标准试件中不同倾斜角度的裂纹进行超声波角度检测试验，结果见表5。

从表5可以看到：裂纹CP-122-11，CP-122-21，CP-142-21和CP-142-22的倾斜角度计算结果与实际值接近，两者相差在10°以内，具有较好的精度；而裂纹CP-122-31由于裂纹倾斜角度较大，声束难以在裂纹尖端形成良好的反射，缺陷最高回波未必在裂纹尖端，并且裂纹CP-122-31垂直深度较小，处在探头近场区内，检测精度较低，导致测量误差较大。

表5  裂纹角度超声判定结果

Table 5  Results of crack angel under ultrasonic testing

3  开裂位置检测结果分析

3.1  检测方法

U肋与面板部位易产生疲劳裂纹，且裂纹种类较多^[5]。利用开裂标准试件及现场检测试验，采用直射法或一次反射法对人工裂纹进行检测试验研究，分析得到了如图8所示的不同种类裂纹的检测方法。

图8  U肋处超声波检测方法

Fig. 8  Ultrasonic detection method on U-rib

裂纹1，2和3的开裂方向较垂直，采用直射法或一次反射法，位置如探头1，2；裂纹4，5的开裂方向接近水平，从面板处检测时无回波产生，只能从U肋处采用一次反射法检测，位置如探头1；裂纹6相对于U肋其垂直性较好，采用直射法，位置如探头1。采用上述检测方法，测量了人工裂纹的具体参数，建立如图9所示的声波水平距离和声程相互关系。

从图9可以看出：裂纹1，2，3的回波参数点接近，说明三者回波参数值近似，并且该3种裂纹所采用的检测方法相同，起裂位置相近，无法直接区分，需进一步研究分析；裂纹4，5，6的点阵较分散，其中裂纹4于面板焊趾处起裂，与另外2种裂纹存在明显区别，容易判别区分。

图9  裂纹回波参数点阵图

Fig. 9  Point diagram of flaw echo parameters

3.2  开裂位置判别分析

针对上述裂纹1，2，3的检测结果分析，提出了3种裂纹开裂位置判别具体方法：通过测量探头前端与焊趾距离Z，来计算裂纹与焊趾距离K并与h_f进行比较，见图10。当K＞h_f时，为裂纹3；当K≈h_f时，为裂纹2；当K＜h_f，且焊趾处有明显的缺口，可判定为裂纹1。

图10  裂纹位置判定

Fig. 10  Method for crack position judgment

图10中，K计算公式为

K=X-Z-Q               (8)

试验中针对每条被测焊缝，分别测量h_f，根据式(8)计算K。表5给出了焊缝处开裂标准试件裂纹1(未溶透部位)、裂纹2(焊跟处)、裂纹3(焊趾处)的超声波检测结果及h_f。

表6  面板内部裂纹位置判定实验结果

Table 6  Results of crack position judgment

由表6可知：焊趾处计算的K都比实际h_f小，焊跟处K普遍与h_f接近，而未溶透部位的K都大于h_f。其中裂纹测量得到的CW-212-2的K不满足上述规律，可能是超声波检测中对缺陷波主观判断错误所致。

4  结论

1) 提出了钢箱梁疲劳裂纹超声波检测的1/3测长法，并进行了理论分析。通过1/3测长法确定裂纹的边缘位置，从而得到裂纹长度。

2) 裂纹宽度跟回波高度比例存在相关性，采用当量法可以定性地判断裂纹宽度。直射法检测的裂纹深度相对偏大，一次反射法的偏小；宜将两者检测值取平均，作为裂纹实际深度。

3) 建立了裂纹倾斜角度计算方法和公式，试验表明裂纹垂直性好，深度大，角度检测准确。

4) 针对U肋与面板焊接构造中沿面板方向扩展的3种裂纹，提出了具体位置判别的K法；试验表明K法具有良好的判别效果。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2015-06-02；修回日期：2015-09-23

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51278166)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20120094110009)；江苏省交通科学研究计划项目(2011Y09-1，2012Y12)(Project(51278166) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (20120094110009) supported by the Research Funds for the Doctoral Program of Higher Education of China; Projects(2011Y09-1, 2012Y12) supported by the Transport Science Research Project of Jiangsu Province)

通信作者：吉伯海，博士，教授，从事钢桥维护的研究；E-mail：hhbhji@163.com