建筑鋼結構工程中TOFD檢測技術的應用分析

劉富陽

廣東省建筑材料研究院有限公司 廣東 廣州 510000

引言

城市化建設進程持續加快推進，建筑工程建設規模不斷擴大，傳統的混凝土結構難以滿足現代建筑工程施工建設需求。鋼結構強度高，承重負荷大，滿足建筑抗震需要，應用優勢顯著。但在鋼結構連接過程中，存在焊縫質量通病問題，為提升焊縫質量，應用了TOFD檢測技術，大大提升了建筑結構整體安全性。

1 建筑鋼結構相關內容分析

1.1 鋼結構性能優勢

鋼結構的焊接方式、焊接質量，直接關乎到工程整體建設質量，與工程安全性息息相關。傳統的混凝土結構成本相對低廉，可以承受一定的負荷，具有較強的防火性能，使用周期較長。但在長期使用中，暴露出諸多的缺陷，如混凝土結構自重大、耗費資源、易受氣候或溫度的影響出現伸縮縫等。而鋼結構抗拉性能優，具有一定的可塑性和韌性，自重更輕，滿足建筑物抗震需要，尤其在高層建筑中應用鋼結構，可最大限度上發揮鋼結構價值作用。鋼結構與混凝土結構相比，材質均勻，試驗發現，當鋼結構受力時，鋼材受力狀態穩定，力學性能好[1]。

1.2 鋼結構常規檢測技術

在建筑鋼結構工程中，涉及焊接技術應用，旨在將預先制造的鋼結構成品進行焊接組裝，但受多種因素影響，在焊接期間，容易引發焊縫缺陷問題，降低了鋼結構的焊接質量。工程中進行結構焊接時，發生了內部缺陷問題，包括出現氣孔、脫焊、裂縫等；發生了外部缺陷問題，如表面氣孔、燒穿等。發生上述任何一種焊接質量通病，均會引發工程安全隱患，影響鋼結構工程建設品質。基于此，為提升焊縫質量，明確焊縫缺陷的危害性，在鋼結構工程施工建設中，引入了無損檢查技術，主要是對焊縫缺陷進行檢查，于無損傷的情況完成檢查，可快速得出檢測結果，給出檢測結論。具體的檢測技術如下：

1.2.1 射線探傷技術。射線檢測中含有X射線和 射線，可穿透檢測對象進行曲線檢測。研究發現，當射線經過檢測對象時，會減弱射線強度，被檢測對象吸收的射線會直接投射到膠片上，進而顯現出檢測對象內部缺陷全貌，幫助相關檢測人員科學判斷焊縫缺陷性質，并制定針對性的處理辦法[2]。此種檢測技術在實際應用中，展現出一定的技術優勢，但是設備攜帶不便，長期接觸射線，損害身心健康。

1.2.2 超聲波檢測技術。超聲波檢測技術在平面型缺陷檢測中展現了技術優勢，且便于檢測人員攜帶，檢測效率較比其他檢測方法更高。但實際運用超聲波檢測技術時，容易受到檢測材料屬性干擾和影響，且無法提供直觀化的缺陷檢測結果。

2 TOFD檢測技術相關內容分析

2.1 技術優勢

TOFD是新興的無損檢查技術手段，彌補了傳統檢測技術不足之處，與傳統的檢測技術相比，TOFD衍射波抗干擾能力強，對來自任何方向的焊接縫質量缺陷敏感度高，檢測成功率高，受到技術使用人員的青睞。同時，TOFD檢測技術數據采集方式更靈活，保證了數據的完整性和精確性，為缺陷處理提供了數據支持。此外，TOFD檢測可精準定位缺陷位置，能夠準確計算缺陷范圍，缺陷部位的判斷公式表示為：

其中Ce表示：縱波聲速；t1表示：反射波發射時間；S表示：探頭之間的距離。檢測缺陷高度計算公式為：

其中l表示缺陷的高度，t2表示反射波的傳播時間。研究發現，TOFD檢測高度誤差＜1mm，接縫缺陷尺寸較大時的檢測高度誤差則更小。

2.2 技術應用現狀

研究發現，TOFD檢測技術在鍋爐制造、特種設備檢測中，廣泛應用到此項無損檢測技術，有效評估和識別壓力設備的危險源，精準判斷壓力容器的密封性、穩定性等使用性能，確保壓力容器滿足使用需要。并在TOFD+MT+UT技術聯合檢測模式下，實現對壓力容器的全方位檢查。同時，TOFD檢測技術應用在工業管道檢測中，工業管道具有特殊屬性，經常運輸易燃易爆、高溫高壓液體或氣體物質，若出現管道泄漏問題，將引發嚴重的安全隱患，泄漏的有毒有害氣體將污染生態環境。因此，為提升工業管道適用安全性，加強管道質量控制，進行TOFD檢測，達到了無損檢測目的，保證管道接頭的焊接質量可靠，同時，對壓力鋼管進行全面的掃查，實現對隱蔽缺陷的探查，檢測效率高，堅果結果準確。此外，TOFD檢測技術在電力行業中的應用優越性顯著，利用TOFD檢測技術對蝸殼焊縫進行檢測，對電站超厚部件內部缺陷進行檢測，檢測發現，TOFD檢測可檢出細小裂縫。基于TOFD檢測技術應用優勢顯著，當前，TOFD檢測逐漸滲透到建筑鋼結構接縫檢測。

2.3 數據可視化特征

TOFD檢測數據顯示方式多樣，TOFD檢測中的A掃圖能夠清晰化將檢測結果顯現在射頻圖譜中。B掃圖像則是用灰度圖表示振幅，能夠提供檢測對象縱截面的信息。D掃圖像實用性較強，一般在焊縫缺陷檢測中，會聯合使用B掃+D掃結合的掃查方式，旨在精準定位缺陷位置。研究波形相位特征發現，灰度圖能夠提供相位信息，可準確識別超聲波來源，TOFD檢測不同類型的焊縫缺陷是，反映出的衍射波形也存在一定的差異性，根據掃查檢測圖譜的信息，能夠準確判斷氣孔、夾渣、底面缺陷、開口缺陷等，進而為缺陷處理提供指導。

3 TOFD檢測技術在建筑鋼結構中的具體應用

建筑工程中的鋼結構焊縫無損檢測始終是建筑行業研究的重點課題。研究發現，在鋼結構焊接過程中，受焊接工藝參數設置影響以及焊接技術操作手法等相關因素的影響，引發了焊縫缺陷問題，降低了鋼結構使用安全性，縮短了鋼結構工程的使用周期。基于此，重視鋼結構焊縫缺陷無損檢測顯得尤為重要。基于常規的檢測技術存在諸多的局限性，且檢測結果不支持永久性的保存，無法進行檢測結果追溯。因此，建筑行業積極與時俱進，引入了TOFD檢測技術，實現對鋼結構焊縫缺陷的有效識別，準確判斷缺陷的危害性和屬性，減少建筑鋼結構工程質量影響因素，最大限度上提高焊縫的質量。

3.1 檢測試驗

3.1.1 研究對象。試驗對象為6塊有焊縫缺陷的鋼結構試塊，編號分別為N1～N6，所有試塊長度和寬度相同，高度不同、缺陷類型不同；隨機設置缺陷深度，具體見表1。

表1 試塊缺陷基本信息

3.1.2 檢測參數。為得出可靠的檢測結果，提升圖像質量，本試驗前預先設定了TOFD檢測參數，加工制作了400mm×400mm×25mm的試塊，試塊內部設計了一條長度為10mm、深度為8mm的縱向裂紋，做好檢測現場準備工作，經過模擬檢測，獲取到TOFD檢測最佳參數，確認超聲探頭為7.5MHz、晶片直徑為3mm，完成參數設置后，對6塊試塊進行檢測。

3.2 檢測圖像分析

3.2.1 試塊開口裂紋及底面開口裂紋。圖譜D中的圖像可清晰化顯示出與直通波相位相同缺陷下端點的衍射信號，表面有波紋狀的裂紋，裂紋與焊縫延伸方向斜交。但直通波斷開，裂紋上端無衍射波信號，整體的形狀是連續條紋。其中底面開口裂紋反射波信號中斷，未顯示裂紋下端的衍射信號；地表面紋理為波紋狀，整體形狀為拋物線形，裂紋與焊縫垂直。

3.2.2 內部裂紋。試驗發現，產生內部裂紋的主要原因與焊接頭金屬原子合力損壞有關。TOFD檢測圖像顯示，裂紋上下端點衍射信號不連續，信號與信號之間分散著諸多的碎片化信號，表面紋理為鋸齒狀，整體呈現的是條紋狀，裂紋走向與焊縫平行；與掃查面和地面裂紋圖像特征存在一定的差異性。

3.2.3 氣孔。氣孔影響到鋼結構焊縫的致密性，占據了截面面積，無法保證焊縫機械性能和塑性。TOFD檢測圖像顯示，氣孔上下端點衍射信號混雜，邊界不清晰，部分上端衍射信號被遮蓋，分辨難度大。表面波紋密集，整體呈現拋物線狀，與焊縫垂直。

3.3 檢測結論

研究發現，不同缺陷的TOFD圖像存在一定的差異性，有缺陷的焊縫下端點有衍射信號，表面有條狀顯現，可根據TOFD圖譜準確判斷缺陷類型。

本試驗中，根據TOFD檢測特征可見，夾渣與未焊頭TOFD檢測圖像特征相似，增加了實際檢測難度，容易混淆缺陷類型。TOFD焊縫檢測中，可檢測到掃查面開口裂紋和地面裂紋缺陷，此類缺陷在TOFD圖像中，缺陷邊緣很清晰，裂紋上端相位與直通波相位相反，但下端的相位是相同的，因此，在判斷地面微小裂紋時，可根據地面的回波情況明確檢查結果。未焊頭焊縫在TOFD圖像中的邊界清晰度較高，伴有不連續的條紋信號，若是缺陷位于根部，則表現出強烈的衍射信號，相位與底波相位正好相反。此時，可依據未焊透焊縫的深度、位置等確定焊縫缺陷性質。鋼結構焊縫檢測中，常見氣孔缺陷，通常單個氣孔缺陷形態多為拋物線，而密集的氣孔形態多為不同幅度的弧線，再具體判斷氣孔缺陷時，可具體進行分析。

夾渣也叫體積型缺陷，危害性較大，在TOFD檢測圖像中，多呈現的是不規則的形狀，邊界相對模糊，一般點狀的夾渣衍射波信號相對較弱，因此，在檢測中也容易與氣孔缺陷混淆；當圖像顯示的是條狀夾渣缺陷時，容易與裂紋缺陷混淆。為提高檢測準確性，降低判斷難度，要全面分析TOFD檢測A掃圖像、B掃圖像、D掃圖像。同時，建議根據信號波形進行區分缺陷類型，避免檢測錯誤，提高檢測準確性。通過研究不同試塊的TOFD檢測圖像特征，可總結檢測規律和檢測經驗，在TOFD檢測技術支持下，焊縫缺陷與圖譜圖像一一對應，幫助檢測人員準確判斷裂紋情況，避免出現誤判。證實了TOFD檢測技術在建筑鋼結構工程中的應用價值，值得在相關工程中大力推廣和應用[3]。

4 TOFD檢測技術前景

常規的檢測技術難以發現隱蔽性缺陷問題，在缺陷定位方面存在一定的局限性，在內壁較厚的部件缺陷檢測方面難度較大，難以實時記錄檢測路徑和相關的數據信息等。TOFD檢測技術優勢顯著，在建筑鋼結構工程焊縫缺陷檢測中，展現了技術價值，在大壁厚部件檢測方面，可準確測量缺陷高度，檢測效率非常高，解決了傳統檢測技術中出現的問題。未來，仍需要加深TOFD檢測技術領域的研究，逐步減小檢測盲區，進一步提高檢測質量。

5 結束語

綜上所述，TOFD檢測技術在多領域和行業中得以應用，展現了無損檢測技術優勢，將TOFD檢測技術應用在建筑鋼結構質量檢測中，發揮了巨大的作用，提高了檢測精度。通過試驗分析，證實了TOFD檢測技術在鋼結構焊縫氣孔、裂紋、夾渣、未焊透等缺陷中的應用價值，為建筑鋼結構工程焊縫缺陷檢測提供了新思路，大大提升了工程建設品質。