㈠ 简述使用超声波探伤判断金属内部裂纹的方法
钢结构在现代工业中占有重要地位，更是海洋石油行业重要的基础设施，在国民经济和社会发展中起到十分重要的作用。钢结构在建造焊接过程中受到各种因素的影响，难免产生各种缺陷，甚至是裂纹等危害性较大的缺陷，若在建造过程中不及时发现并将其移除，将可能发生重大突发事件，甚至危及生命安全。因此，无损检测在建造环节中尤为重要，目前常用的无损检测方法有：射线检测、超声波检测、磁粉检测、渗透检测等，而超声波检测由于其效率高、灵敏度高、无辐射无污染等优点，在海洋钢结构的建造中得到广泛的应用。
1 超声波检测基础
超声检测是指超声波与工件相互作用，就反射、透射和散射波进行研究，对工件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。
1.1 超声波检测原理
利用超声波对材料中的宏观缺陷进行探测，依据的是超声波在材料中传播时的一些特性，如：声波在通过材料时能量会有损失，在遇到两种介质的分界时，会发生反射等等，其工作原理是：
1）用某种方式向被检试件中引入或激励超声波；
2）超声波在试件中传播并与其中的物体相互作用，其传播的方向或特征会被改变；
3）改变后的超声波又通过检测设备被检测到，并可对其处理和分析；
4）根据接收的超声波的特征评估试件本身及其内部存在的缺陷特征。
通常用以发现缺陷并对缺陷进行评估的基本信息为：
1）来自材料内部各种不连续的反射信号的存在及其幅值；
2）入射信号与接收信号之间的传播时间；
3）声波通过材料以后能量的衰减。
图1 超声检测示意图
1.2 超声波检测的优点和局限性
1.2.1 优点
与其他无损检测方法相比，超声检测方法的主要优点有：
（1）适用于金属、非金属、复合材料等多种材料的无损评价。
（2）穿透能力强，可对较大厚度范围的试件内部缺陷进行检测，可进行整个试件体积的扫查。
（3）灵敏度高，可检测到材料内部很小的缺陷。
（4）可较准确的测出缺陷的深度位置，这在很多情况下世十分必要的。
（5）设备轻便，对人体和环境无害，可作现场检测。
1.2.2 局限性
（1）由于纵波脉冲反射法存在盲区，和缺陷取向对检测灵敏度的影响，对位于表面和近表面的某些缺陷常常难以检测。
（2）试件形状的复杂性，如不规则形状，小曲率半径等，对超声波检测的课实施性有较大影响。
（3）材料的某些内部结构，如晶粒度，非均匀性等，会使灵敏度和信噪比变差。
2 横向裂纹检验
横向裂纹不仅给生产带来困难，而且可能带来灾难性的事故。裂纹焊接中最危险的缺陷之一，他严重削弱了工件的承载能力和腐蚀能力，即使不太严重的裂纹，由于使用过程中造成应力集中，成为各种断裂的断裂源。正因为裂纹有如此大的危害性，像JB/T 4730， GB 11345，AWS D1.1， API RP 2X等国内外各大标准中都有“裂纹不可接受”等类似描述。而超声波检测对缺陷性质判定没有射线检测直观，如果检测方法不当等原因造成横向裂纹的漏检或误判，其都有不良结果：若把其他缺陷判为横向裂纹造成不必要的返修，进而影响材料韧性等性能；把裂纹判为点状缺陷放过，则工程就存在较大的安全隐患。所以正确选择探测方法和对回波特性分析，对横向裂纹的超声波检测尤为重要。
2.1 探头角度的选择
纵波直探头：横向裂纹属面状缺陷，一般和探测面垂直，而0°直探头适用于发现与探测面平行的缺陷，所以直探头不能有效的探测出横向裂纹。
横波斜探头：对同一缺陷，70°和60°探头声程较大，声波能量由于被吸收和散射造成衰减严重，尤其只在检测母材厚度较大的焊缝时，回波高度较低，对发现缺陷波和波形分析不利，进而影响是否为横向裂纹的判定。而45°探头具有声束集中、声程短衰减小，声压往复透射率高的特点，所以选用45°探头具有良好的效果。图2是70°，60°和45°探头在相同的基准灵敏度的前提下，对同一横向裂纹的回波比较：
（a）70°探头回波 （b）60°探头回波
（c）45°探头回波
图2 70°，60°和45°探头对同一横向裂纹的回波
2.2 横向裂纹的扫查
图3 焊缝UT扫查方式平面图
常见的焊接缺陷（如夹渣、未熔合、未焊透等）大多与焊缝轴线平行或接近平行，或以点状形式存在，针对这种情况，综合使用图3中的方式A、方式B和方式C即可，但该三种扫查方式对横向裂纹等与焊缝轴线垂直（与声束方向平行）的横向缺陷无回波显示，即无法被检出。为能有效探出焊缝横向裂纹应尽可能使声束尽可能平行于焊缝。可用如下几种扫查方式探测横向裂纹：
2.2.1 骑缝扫查
如果焊缝较平滑或焊缝加强高已经打磨处理，探头“骑”在焊缝上探测是检查横向裂纹的极为有效的方法，可采用在焊缝上直接扫查的方式，如图3方式D所示。
2.2.2 斜平行扫查
若焊缝表面较为粗糙且不宜进行打磨处理，为探测出焊缝中的横向裂纹，可用探头与焊缝轴线成一个小角度或以平行于焊缝轴线方向移动扫查，如图3方式E所示。 2.2.3 用双探头横跨焊缝扫查法
将两个斜探头放在焊缝两侧，组成一发一收装置，此时若焊缝中有横向裂纹，发射的超声波经反射后会被接收探头接收从而检出缺陷，如图4所示。
图4 双探头横跨焊缝扫查法
该三种方法各有特点，斜平行扫查操作简单、效率高、焊缝无需处理、耦合较好，但由于声束方向与裂纹不能完全垂直而造成灵敏度不高；双探头横跨焊缝扫查法操作精度要求高困难大、效率不高；骑缝扫查对焊缝表面要求较高，对埋弧焊或其他焊接方法但焊缝表面进过处理的焊缝，表面相对较平滑，能够有效的耦合，该方法较为直接，且效率高，灵敏度高，所以在很多情况下“骑缝扫查”是首选。
2.3 扫查灵敏度
按照各项目业主所规定的标准调节。
3 横向裂纹的判别
根据形状，我们把缺陷分为点状缺陷、线状缺陷和面状缺陷（裂纹、未熔合）。显然，反射体形状不同，超声波反射特性必然存在一定的差异，反过来，通过分析反射波、缺陷位置、焊接工艺等信息，就可以推测缺陷的性质。
横向裂纹具有较强的方向性，当声束与裂纹垂直时，回波高度较大，波峰尖锐，探头转动时，声束与裂纹角度变化，声束能量被大量反射至其他位置而无法被探头接收，回波高度急剧下降，这一特性是判定横向裂纹的主要依据。
检测过程中横向裂纹的判别可以按以下步骤：
1）在扫查灵敏度下将探头放在的焊缝缝上扫查（参考2.2节扫查方式）；
2）发现横向显示后，找到最高波，确定是否为缺陷回波；
3）定缺陷回波后，定出缺陷的具体位置，并在焊缝上做出标记；
4）探头围绕缺陷位置做环绕扫查（如图5所示）；
图5 环绕扫查示意图 图6 动态波形图1
环绕扫查时回波高度基本相同，变化幅值不大，其动态波形如图6所示，则可以判定其为点状缺陷；若环绕扫查时其动态波形如图7或图8所示，结合静态波形，可判断为横向裂纹，在条件允许的情况下可用同样的方法到焊缝背面扫查确认。
图7 动态波形图2 图8 动态波形图3
5）若条件允许可打磨到裂纹深度，借助磁粉检验（MT）进一步验证。
图9 横向裂纹MT验证
4 结论
超声波探伤是检出焊缝横向裂纹的有效手段，尤其是厚壁焊缝，射线检测灵敏度下降，难以发现其中的横向裂纹。用超声波检测方法，选择正确的参数、合适的扫查方式，掌握横向裂纹的静态和动态波形特点，能够有效的判别横向裂纹，这已举措已经在海洋石油工程的各个项目中得到应用，并多次准确成功检测出横向裂纹，保证了多项工程质量。
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㈢ 水利施工中大体积混凝土抗裂技术探讨
水利工程大体积混凝土结构物的截面尺寸比较大，通常因外荷载形成的裂缝的可能性小，然而因混凝土收缩与在水化反应中水泥释放出来的水化热形成的温度变化的共同作用，会衍生出比较大的收缩应力与温度应力，这也是大体积混凝土结构有裂缝产生的关键原因。
1 大体积混凝土裂缝的形成原因
1.1 温差裂缝
水泥水化热形成的混凝土表层和混凝土内部的温度相差太大，通常来说，大体积混凝土结构规定浇筑时要一气呵成，浇筑完毕之后，因体积大水泥由于水化形成水化热集中于内部很难散发出去，它的内部温度将要明显上升，而它的表层散热速度较快，产生很大的温度差，促使混凝土表面形成拉应力、内部形成压应力。这个时候，混凝土抗拉强度较低，混凝土龄期比较短。一旦温差形成的表面抗拉应力比混凝土极限抗拉强度大，那么在混凝土表层就会出现裂缝。
1.2 收缩裂缝
在慢慢地硬化与散热的过程当中，混凝土形成的收缩应力较大，尤其是大体积混凝土结构物，若应力比当时混凝土极限抗拉强度要大的话，那么混凝土内就会有收缩裂缝产生。在大体积混凝土当中，就算是水灰比较大且自身收缩量值不算太大，当问同温度收缩叠加的时候就会增大应力。因此，在进行较大的水工建筑物大体积混凝土施工的过程中药先测定并考虑自身收缩因素。
1.3 安定性裂缝
龟裂之所以会出现主要归咎于水泥安定性不合格，它是安定性裂缝的主要表现形式。
2 裂缝的控制措施
2.1 防治收缩裂缝
在配置混凝土时，要高度重视采用的水泥用量、种、水灰比的控制、掺外加剂、骨料的选择等等。
2.1.1 水泥的选择与使用
在选择大坝混凝土，应当优先选择采用低含碱期强度高、初凝期长、低发热量、塑性性能好的特制泥。一般硅酸盐水泥熟料的化学成分比例如表1所示。
由上表可以得到，C2S的水花速度慢，水化热小，体积收缩不大，而且后期的强度高，由此可以得知C2S是比较适合的矿物，由于C3A的水化热最大，所以其含量应适当控制。综合因素考虑，硅酸盐水泥熟料的化学成分的比例最好能控制在C2S十C3S≥80%，C3A≤5%，C4AF≤15%这个范围内。水泥的使用品种最好不要选太多种类，而且将水泥运进工地时应当严格地进行质量检验，并进行相关试验的测试。
2.1.2 水泥的用量及其水灰比
为了保持水泥的流动性、粘聚性和保水性，为了避免配制出的混凝土质量不合格，以致不能浇筑。所以在配制混凝土时，一定要尽可能地减少水泥用量和单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规定，如表2所示。
2.1.3 砂石骨料
在大体积混凝土中，骨料所占比例通常为该混凝土的绝对体积的80%～83%，所以应选择体积膨胀系数小、弹性模量低、级配均匀的骨料。砂子除了砂粒的大小要满足骨料的要求外，还要适当多加点石粉或细粉，因为石粉或细粉可以提高混凝土的密实性、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 掺和料
水泥掺和料选用前，一定先要经过试验的测定，然后再从试验中选取符合要求的活性材料，因为这是为了避免掺用不合格的材料，防止影响混凝土的强度和寿命等性能。在混凝土中可以掺用粉煤灰，这可以提高混凝土的抗渗性、耐久性，提高混凝土的抗拉强度，可以减少混凝土的收缩和泌水性，降低了其水化热，抑制了碱骨料间的反应，这些均有助于提高混凝土的抗裂性能。但是一定要保证粉煤灰的细度要与水泥颗粒相当，而且其含硫量和含碱量要低，所需水量比要小。混凝土中除了可以掺用粉煤灰外，添加掺合料的水泥综合性能都很好，比如添加矿渣的矿渣硅酸盐水泥、添加火山灰的火山灰硅酸盐水泥等等。
2.1.5 外加剂
为了使混凝土可以向高性能化发展，外加剂是不可或缺的重要组分，应积极使用。例如外加剂中的高效减水剂和引气剂，将它们混合使用，可以减少大体积混凝土单位用水量和胶凝材料的用量，这样不但减少了搅拌混凝土时所需的工作量，而且也提高了硬化混凝土的力学、热学等方面的性能，还提高其耐久性等。
2.2 温差裂缝
温差裂缝是由混凝土水化热引起的内部温度与混凝土表面的温度差异过大而引起的。所以为了避免产生温差裂缝，就要降低水化热。而导致产生较大的水化热因素有配置混凝土时的用水量、水泥用量、水灰比、掺和料和外加剂等，但还有施工中的控制问题。因此，为了更好的防治温差裂缝，一定要提高施工技术，加强施工管理。
2.2.1 浇筑法
大体积结构的混凝土浇筑可分为三种浇筑法，即全面分层、分段分层和斜面分层。如果要求混凝土浇筑强度大，则采用全面分层法浇筑；如果要求的浇筑强度小，采用斜面分层法。施工中选择浇筑法可根据结构物的形状尺寸、捣实方法和混凝土供应能力等来进行选择。目前常用的是斜面分层法。
2.2.2 混凝土的捣实
混凝土的捣实过程就是把浇筑入模的混凝土浇灌过程进行振捣的过程，这样可以提高混凝土的密实度。因为振捣可以排出气泡，使混凝土中各物料更加均匀地混合，得到最大的密实度。对于体积较大的混凝土为了更好地抗裂，最好进行两次振捣技术。
2.2.3 控制混凝土初始温度的综合措施
①限制出料口温度。当外界气温较高时，必须采取人工降温措施。如用冷水喷淋骨料，用凉风冷却骨料等。
②在坝体混凝土内预埋冷水管，进行冷却。
2.2.4 拆模
混凝土尽量晚拆模，拆模后要保证混凝土表面温度下降不能超过15℃，而且现场试块强度不能低于C5。
2.3 安定性
混凝土体积安定性是指在水泥硬化过程中，体积是否变化均匀的性能。安定性不好会使构件产生膨胀性裂纹或翘曲变形等质量事故。熟料中游离氧化钙或氧化镁过剩或石膏掺量过多等都能使安定性不好。所以配料时一定要严格检查其成分。
3 混凝土补强处理
3.1 灌浆处理
灌浆是处理混凝土裂缝的有效方法。一定要在需要补强灌浆的混凝土上钻孔灌浆。
3.2 结构补强
结构处理有多种方法，一种是小丰满补强时所采用的钢筋锚栓。另一种则是待坝体稳定后顺着裂缝面挖大约1m宽的槽，紧接着回填优质的混凝土，此法尽管施工较为繁杂，但也许是当前有效性最好的一大措施。
3.3 挖除后重新回填
事实上，像浇筑事故、裂缝、混凝土强度不够等情况比比皆是，它的影响很繁杂，此时通常水泥灌浆要想收到预期效果有着相当高的难度，更有甚者就算是采用一些结构补强措施也无济于事。为此，我们可依据实情试着去将其挖除之后再重新回填，在回填过程中唯有对温度应力与施工质量进行严格的控制，才有可能使得新老混凝土结合好。
4 结论
从前文的论证与阐释中我们不难看出，在混凝土配置、选料、施工的整个过程中慢慢控制是能够预防大体积混凝土的裂缝问题的。因此，在实践过程中我们务必要严把各过程关，进行规范化处理，如此才可确保大体积混凝土水工建筑物的质量与安全。
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