㈠ 簡述使用超聲波探傷判斷金屬內部裂紋的方法
鋼結構在現代工業中佔有重要地位，更是海洋石油行業重要的基礎設施，在國民經濟和社會發展中起到十分重要的作用。鋼結構在建造焊接過程中受到各種因素的影響，難免產生各種缺陷，甚至是裂紋等危害性較大的缺陷，若在建造過程中不及時發現並將其移除，將可能發生重大突發事件，甚至危及生命安全。因此，無損檢測在建造環節中尤為重要，目前常用的無損檢測方法有：射線檢測、超聲波檢測、磁粉檢測、滲透檢測等，而超聲波檢測由於其效率高、靈敏度高、無輻射無污染等優點，在海洋鋼結構的建造中得到廣泛的應用。
1 超聲波檢測基礎
超聲檢測是指超聲波與工件相互作用，就反射、透射和散射波進行研究，對工件進行宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、組織結構和力學性能變化的檢測和表徵，並進而對其特定應用性進行評價的技術。
1.1 超聲波檢測原理
利用超聲波對材料中的宏觀缺陷進行探測，依據的是超聲波在材料中傳播時的一些特性，如：聲波在通過材料時能量會有損失，在遇到兩種介質的分界時，會發生反射等等，其工作原理是：
1）用某種方式向被檢試件中引入或激勵超聲波；
2）超聲波在試件中傳播並與其中的物體相互作用，其傳播的方向或特徵會被改變；
3）改變後的超聲波又通過檢測設備被檢測到，並可對其處理和分析；
4）根據接收的超聲波的特徵評估試件本身及其內部存在的缺陷特徵。
通常用以發現缺陷並對缺陷進行評估的基本信息為：
1）來自材料內部各種不連續的反射信號的存在及其幅值；
2）入射信號與接收信號之間的傳播時間；
3）聲波通過材料以後能量的衰減。
圖1 超聲檢測示意圖
1.2 超聲波檢測的優點和局限性
1.2.1 優點
與其他無損檢測方法相比，超聲檢測方法的主要優點有：
（1）適用於金屬、非金屬、復合材料等多種材料的無損評價。
（2）穿透能力強，可對較大厚度范圍的試件內部缺陷進行檢測，可進行整個試件體積的掃查。
（3）靈敏度高，可檢測到材料內部很小的缺陷。
（4）可較准確的測出缺陷的深度位置，這在很多情況下世十分必要的。
（5）設備輕便，對人體和環境無害，可作現場檢測。
1.2.2 局限性
（1）由於縱波脈沖反射法存在盲區，和缺陷取向對檢測靈敏度的影響，對位於表面和近表面的某些缺陷常常難以檢測。
（2）試件形狀的復雜性，如不規則形狀，小曲率半徑等，對超聲波檢測的課實施性有較大影響。
（3）材料的某些內部結構，如晶粒度，非均勻性等，會使靈敏度和信噪比變差。
2 橫向裂紋檢驗
橫向裂紋不僅給生產帶來困難，而且可能帶來災難性的事故。裂紋焊接中最危險的缺陷之一，他嚴重削弱了工件的承載能力和腐蝕能力，即使不太嚴重的裂紋，由於使用過程中造成應力集中，成為各種斷裂的斷裂源。正因為裂紋有如此大的危害性，像JB/T 4730， GB 11345，AWS D1.1， API RP 2X等國內外各大標准中都有「裂紋不可接受」等類似描述。而超聲波檢測對缺陷性質判定沒有射線檢測直觀，如果檢測方法不當等原因造成橫向裂紋的漏檢或誤判，其都有不良結果：若把其他缺陷判為橫向裂紋造成不必要的返修，進而影響材料韌性等性能；把裂紋判為點狀缺陷放過，則工程就存在較大的安全隱患。所以正確選擇探測方法和對回波特性分析，對橫向裂紋的超聲波檢測尤為重要。
2.1 探頭角度的選擇
縱波直探頭：橫向裂紋屬面狀缺陷，一般和探測面垂直，而0°直探頭適用於發現與探測面平行的缺陷，所以直探頭不能有效的探測出橫向裂紋。
橫波斜探頭：對同一缺陷，70°和60°探頭聲程較大，聲波能量由於被吸收和散射造成衰減嚴重，尤其只在檢測母材厚度較大的焊縫時，回波高度較低，對發現缺陷波和波形分析不利，進而影響是否為橫向裂紋的判定。而45°探頭具有聲束集中、聲程短衰減小，聲壓往復透射率高的特點，所以選用45°探頭具有良好的效果。圖2是70°，60°和45°探頭在相同的基準靈敏度的前提下，對同一橫向裂紋的回波比較：
（a）70°探頭回波 （b）60°探頭回波
（c）45°探頭回波
圖2 70°，60°和45°探頭對同一橫向裂紋的回波
2.2 橫向裂紋的掃查
圖3 焊縫UT掃查方式平面圖
常見的焊接缺陷（如夾渣、未熔合、未焊透等）大多與焊縫軸線平行或接近平行，或以點狀形式存在，針對這種情況，綜合使用圖3中的方式A、方式B和方式C即可，但該三種掃查方式對橫向裂紋等與焊縫軸線垂直（與聲束方向平行）的橫向缺陷無回波顯示，即無法被檢出。為能有效探出焊縫橫向裂紋應盡可能使聲束盡可能平行於焊縫。可用如下幾種掃查方式探測橫向裂紋：
2.2.1 騎縫掃查
如果焊縫較平滑或焊縫加強高已經打磨處理，探頭「騎」在焊縫上探測是檢查橫向裂紋的極為有效的方法，可採用在焊縫上直接掃查的方式，如圖3方式D所示。
2.2.2 斜平行掃查
若焊縫表面較為粗糙且不宜進行打磨處理，為探測出焊縫中的橫向裂紋，可用探頭與焊縫軸線成一個小角度或以平行於焊縫軸線方向移動掃查，如圖3方式E所示。 2.2.3 用雙探頭橫跨焊縫掃查法
將兩個斜探頭放在焊縫兩側，組成一發一收裝置，此時若焊縫中有橫向裂紋，發射的超聲波經反射後會被接收探頭接收從而檢出缺陷，如圖4所示。
圖4 雙探頭橫跨焊縫掃查法
該三種方法各有特點，斜平行掃查操作簡單、效率高、焊縫無需處理、耦合較好，但由於聲束方向與裂紋不能完全垂直而造成靈敏度不高；雙探頭橫跨焊縫掃查法操作精度要求高困難大、效率不高；騎縫掃查對焊縫表面要求較高，對埋弧焊或其他焊接方法但焊縫表面進過處理的焊縫，表面相對較平滑，能夠有效的耦合，該方法較為直接，且效率高，靈敏度高，所以在很多情況下「騎縫掃查」是首選。
2.3 掃查靈敏度
按照各項目業主所規定的標准調節。
3 橫向裂紋的判別
根據形狀，我們把缺陷分為點狀缺陷、線狀缺陷和面狀缺陷（裂紋、未熔合）。顯然，反射體形狀不同，超聲波反射特性必然存在一定的差異，反過來，通過分析反射波、缺陷位置、焊接工藝等信息，就可以推測缺陷的性質。
橫向裂紋具有較強的方向性，當聲束與裂紋垂直時，回波高度較大，波峰尖銳，探頭轉動時，聲束與裂紋角度變化，聲束能量被大量反射至其他位置而無法被探頭接收，回波高度急劇下降，這一特性是判定橫向裂紋的主要依據。
檢測過程中橫向裂紋的判別可以按以下步驟：
1）在掃查靈敏度下將探頭放在的焊縫縫上掃查（參考2.2節掃查方式）；
2）發現橫向顯示後，找到最高波，確定是否為缺陷回波；
3）定缺陷回波後，定出缺陷的具體位置，並在焊縫上做出標記；
4）探頭圍繞缺陷位置做環繞掃查（如圖5所示）；
圖5 環繞掃查示意圖 圖6 動態波形圖1
環繞掃查時回波高度基本相同，變化幅值不大，其動態波形如圖6所示，則可以判定其為點狀缺陷；若環繞掃查時其動態波形如圖7或圖8所示，結合靜態波形，可判斷為橫向裂紋，在條件允許的情況下可用同樣的方法到焊縫背面掃查確認。
圖7 動態波形圖2 圖8 動態波形圖3
5）若條件允許可打磨到裂紋深度，藉助磁粉檢驗（MT）進一步驗證。
圖9 橫向裂紋MT驗證
4 結論
超聲波探傷是檢出焊縫橫向裂紋的有效手段，尤其是厚壁焊縫，射線檢測靈敏度下降，難以發現其中的橫向裂紋。用超聲波檢測方法，選擇正確的參數、合適的掃查方式，掌握橫向裂紋的靜態和動態波形特點，能夠有效的判別橫向裂紋，這已舉措已經在海洋石油工程的各個項目中得到應用，並多次准確成功檢測出橫向裂紋，保證了多項工程質量。
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㈢ 水利施工中大體積混凝土抗裂技術探討
水利工程大體積混凝土結構物的截面尺寸比較大，通常因外荷載形成的裂縫的可能性小，然而因混凝土收縮與在水化反應中水泥釋放出來的水化熱形成的溫度變化的共同作用，會衍生出比較大的收縮應力與溫度應力，這也是大體積混凝土結構有裂縫產生的關鍵原因。
1 大體積混凝土裂縫的形成原因
1.1 溫差裂縫
水泥水化熱形成的混凝土表層和混凝土內部的溫度相差太大，通常來說，大體積混凝土結構規定澆築時要一氣呵成，澆築完畢之後，因體積大水泥由於水化形成水化熱集中於內部很難散發出去，它的內部溫度將要明顯上升，而它的表層散熱速度較快，產生很大的溫度差，促使混凝土表面形成拉應力、內部形成壓應力。這個時候，混凝土抗拉強度較低，混凝土齡期比較短。一旦溫差形成的表面抗拉應力比混凝土極限抗拉強度大，那麼在混凝土表層就會出現裂縫。
1.2 收縮裂縫
在慢慢地硬化與散熱的過程當中，混凝土形成的收縮應力較大，尤其是大體積混凝土結構物，若應力比當時混凝土極限抗拉強度要大的話，那麼混凝土內就會有收縮裂縫產生。在大體積混凝土當中，就算是水灰比較大且自身收縮量值不算太大，當問同溫度收縮疊加的時候就會增大應力。因此，在進行較大的水工建築物大體積混凝土施工的過程中葯先測定並考慮自身收縮因素。
1.3 安定性裂縫
龜裂之所以會出現主要歸咎於水泥安定性不合格，它是安定性裂縫的主要表現形式。
2 裂縫的控制措施
2.1 防治收縮裂縫
在配置混凝土時，要高度重視採用的水泥用量、種、水灰比的控制、摻外加劑、骨料的選擇等等。
2.1.1 水泥的選擇與使用
在選擇大壩混凝土，應當優先選擇採用低含鹼期強度高、初凝期長、低發熱量、塑性性能好的特製泥。一般硅酸鹽水泥熟料的化學成分比例如表1所示。
由上表可以得到，C2S的水花速度慢，水化熱小，體積收縮不大，而且後期的強度高，由此可以得知C2S是比較適合的礦物，由於C3A的水化熱最大，所以其含量應適當控制。綜合因素考慮，硅酸鹽水泥熟料的化學成分的比例最好能控制在C2S十C3S≥80%，C3A≤5%，C4AF≤15%這個范圍內。水泥的使用品種最好不要選太多種類，而且將水泥運進工地時應當嚴格地進行質量檢驗，並進行相關試驗的測試。
2.1.2 水泥的用量及其水灰比
為了保持水泥的流動性、粘聚性和保水性，為了避免配製出的混凝土質量不合格，以致不能澆築。所以在配製混凝土時，一定要盡可能地減少水泥用量和單位水泥的用水量即水灰比，最大水灰比和最小水泥用量有一定的規定，如表2所示。
2.1.3 砂石骨料
在大體積混凝土中，骨料所佔比例通常為該混凝土的絕對體積的80%～83%，所以應選擇體積膨脹系數小、彈性模量低、級配均勻的骨料。砂子除了砂粒的大小要滿足骨料的要求外，還要適當多加點石粉或細粉，因為石粉或細粉可以提高混凝土的密實性、工作性能、耐久性和抗裂性等。研究表明，石粉的比例一般占沙子的15%～18%。
2.1.4 摻和料
水泥摻和料選用前，一定先要經過試驗的測定，然後再從試驗中選取符合要求的活性材料，因為這是為了避免摻用不合格的材料，防止影響混凝土的強度和壽命等性能。在混凝土中可以摻用粉煤灰，這可以提高混凝土的抗滲性、耐久性，提高混凝土的抗拉強度，可以減少混凝土的收縮和泌水性，降低了其水化熱，抑制了鹼骨料間的反應，這些均有助於提高混凝土的抗裂性能。但是一定要保證粉煤灰的細度要與水泥顆粒相當，而且其含硫量和含鹼量要低，所需水量比要小。混凝土中除了可以摻用粉煤灰外，添加摻合料的水泥綜合性能都很好，比如添加礦渣的礦渣硅酸鹽水泥、添加火山灰的火山灰硅酸鹽水泥等等。
2.1.5 外加劑
為了使混凝土可以向高性能化發展，外加劑是不可或缺的重要組分，應積極使用。例如外加劑中的高效減水劑和引氣劑，將它們混合使用，可以減少大體積混凝土單位用水量和膠凝材料的用量，這樣不但減少了攪拌混凝土時所需的工作量，而且也提高了硬化混凝土的力學、熱學等方面的性能，還提高其耐久性等。
2.2 溫差裂縫
溫差裂縫是由混凝土水化熱引起的內部溫度與混凝土表面的溫度差異過大而引起的。所以為了避免產生溫差裂縫，就要降低水化熱。而導致產生較大的水化熱因素有配置混凝土時的用水量、水泥用量、水灰比、摻和料和外加劑等，但還有施工中的控制問題。因此，為了更好的防治溫差裂縫，一定要提高施工技術，加強施工管理。
2.2.1 澆築法
大體積結構的混凝土澆築可分為三種澆築法，即全面分層、分段分層和斜面分層。如果要求混凝土澆築強度大，則採用全面分層法澆築；如果要求的澆築強度小，採用斜面分層法。施工中選擇澆築法可根據結構物的形狀尺寸、搗實方法和混凝土供應能力等來進行選擇。目前常用的是斜面分層法。
2.2.2 混凝土的搗實
混凝土的搗實過程就是把澆築入模的混凝土澆灌過程進行振搗的過程，這樣可以提高混凝土的密實度。因為振搗可以排出氣泡，使混凝土中各物料更加均勻地混合，得到最大的密實度。對於體積較大的混凝土為了更好地抗裂，最好進行兩次振搗技術。
2.2.3 控制混凝土初始溫度的綜合措施
①限制出料口溫度。當外界氣溫較高時，必須採取人工降溫措施。如用冷水噴淋骨料，用涼風冷卻骨料等。
②在壩體混凝土內預埋冷水管，進行冷卻。
2.2.4 拆模
混凝土盡量晚拆模，拆模後要保證混凝土表面溫度下降不能超過15℃，而且現場試塊強度不能低於C5。
2.3 安定性
混凝土體積安定性是指在水泥硬化過程中，體積是否變化均勻的性能。安定性不好會使構件產生膨脹性裂紋或翹曲變形等質量事故。熟料中游離氧化鈣或氧化鎂過剩或石膏摻量過多等都能使安定性不好。所以配料時一定要嚴格檢查其成分。
3 混凝土補強處理
3.1 灌漿處理
灌漿是處理混凝土裂縫的有效方法。一定要在需要補強灌漿的混凝土上鑽孔灌漿。
3.2 結構補強
結構處理有多種方法，一種是小豐滿補強時所採用的鋼筋錨栓。另一種則是待壩體穩定後順著裂縫面挖大約1m寬的槽，緊接著回填優質的混凝土，此法盡管施工較為繁雜，但也許是當前有效性最好的一大措施。
3.3 挖除後重新回填
事實上，像澆築事故、裂縫、混凝土強度不夠等情況比比皆是，它的影響很繁雜，此時通常水泥灌漿要想收到預期效果有著相當高的難度，更有甚者就算是採用一些結構補強措施也無濟於事。為此，我們可依據實情試著去將其挖除之後再重新回填，在回填過程中唯有對溫度應力與施工質量進行嚴格的控制，才有可能使得新老混凝土結合好。
4 結論
從前文的論證與闡釋中我們不難看出，在混凝土配置、選料、施工的整個過程中慢慢控制是能夠預防大體積混凝土的裂縫問題的。因此，在實踐過程中我們務必要嚴把各過程關，進行規范化處理，如此才可確保大體積混凝土水工建築物的質量與安全。
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