-12-ICS號中文標(biāo)準(zhǔn)文獻分類號中國冶金建設(shè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)TG-CMCAnyy-xxxx鋼結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力超聲檢測技術(shù)規(guī)程ThetechnicalSpecificationforUltrasonictestingonresidualstressofsteelstructures（征求意見稿）（本規(guī)程未公開印刷之前禁止拷貝、傳播和摘錄，僅用于本群專業(yè)工作者討論）（版權(quán)所有違者必究）2018-××-××發(fā)布 2018-××-××實施中國冶金建設(shè)協(xié)會發(fā)布1總則1.1為了保證焊接鋼結(jié)構(gòu)工程在建造階段和服役過程的安全性，掌握鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力分布及鋼結(jié)構(gòu)整體受力和變形情況，評價焊接殘余應(yīng)力對鋼結(jié)構(gòu)焊接強度的影響、鋼結(jié)構(gòu)焊接熱影響區(qū)的抗腐蝕能力、抗變形能力和抗疲勞性能、焊接鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，制定本規(guī)程。1.2本規(guī)程適用于鋼結(jié)構(gòu)由焊接引起的殘余應(yīng)力和內(nèi)部預(yù)緊性裝配應(yīng)力、環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的熱應(yīng)力、外界載荷應(yīng)力等服役應(yīng)力的無損檢測與監(jiān)測。1.3本規(guī)程規(guī)定了鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力的超聲臨界折射縱波檢測方法和要求。1.4本規(guī)程適用于鋼結(jié)構(gòu)焊接熱影響區(qū)表層及內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)的無損檢測。1.52術(shù)語、符號2.1 術(shù) 語2.1.1GB/T12604.1和以下界定的術(shù)語和定義適用于本文件。2.1.2裝配應(yīng)力Assemblystress鋼結(jié)構(gòu)零部件裝配后產(chǎn)生的應(yīng)力，由預(yù)緊性裝配產(chǎn)生，如螺紋緊固產(chǎn)生的預(yù)緊性應(yīng)力，過盈配合、鉚釘和銷釘、干涉裝配產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力等。2.1.3 殘余應(yīng)力Residualstress機械構(gòu)件受載超過材料的彈性范圍，在卸去荷載后構(gòu)件材料內(nèi)殘存的應(yīng)力，具有三維矢量特性。2.1.4 焊接殘余應(yīng)力Weldingresidualstress由于焊接工藝過程產(chǎn)生的、留存于焊縫附近區(qū)域或焊接熱影響區(qū)內(nèi)部的應(yīng)力。2.1.5 殘余應(yīng)力分布Residualstressdistribution殘余應(yīng)力在三維空間上的變化。2.1.6 許用殘余應(yīng)力Allowableresidualstress機械或工程設(shè)計中允許零件或構(gòu)件內(nèi)部存在的最大殘余應(yīng)力數(shù)值，要衡量構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力高低的標(biāo)準(zhǔn)，許用殘余應(yīng)力與外界載荷應(yīng)力之和超過構(gòu)件材料屈服強度時構(gòu)件將變形或開裂，當(dāng)零件或構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力不超過許用殘余應(yīng)力數(shù)值時，這個零件或構(gòu)件在服役中是安全的，否則就是不安全的。2.1.7 殘余應(yīng)力閾值Residualstressthreshold考慮到實際構(gòu)件或零件材料材質(zhì)具有一定的分散性、外界載荷波動和循環(huán)往復(fù)疲勞作用、殘余應(yīng)力檢測數(shù)值存在一定偏差，規(guī)定了一個實際可檢測的殘余應(yīng)力數(shù)值最為閾值。通常將1/3或1/2的許用殘余應(yīng)力數(shù)值作為實際可測的殘余應(yīng)力閾值。2.1.8 殘余應(yīng)力安全裕度Residualstresssafetymargin許用殘余應(yīng)力與殘余應(yīng)力閾值之差稱為殘余應(yīng)力安全裕度。2.1.9 服役應(yīng)力In-servicestress鋼結(jié)構(gòu)部件某部位承受所有應(yīng)力的總和，至少包括焊接殘余應(yīng)力、塑性加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的熱應(yīng)力、裝配應(yīng)力和外界載荷應(yīng)力等。2.1.10 臨界折射縱波longitudinalcriticallyrefractedwave當(dāng)超聲縱波以第一臨界角從第一介質(zhì)斜入射到第二介質(zhì)時，在第二介質(zhì)內(nèi)折射產(chǎn)生的沿表層傳播的超聲縱波。2.1.11 應(yīng)力系數(shù)stresscoefficient材料內(nèi)應(yīng)力與聲速的比值。實際檢測材料內(nèi)部殘余應(yīng)力時，發(fā)射和接收換能器的距離是固定的，測量聲速就變?yōu)橹苯訙y量聲時。2.2 符 號——被測應(yīng)力，單位為兆帕（MPa）；0——已知零應(yīng)力，單位為兆帕（MPa）；K——應(yīng)力系數(shù)（MPa/(m/s)）；V——超聲波在被測工件中的傳播速度，單位為秒（m/s）；V0——超聲波在零應(yīng)力試塊中的傳播速度，單位為秒（m/s）；——殘余應(yīng)力的變化量（MPa）；△——傳播速度的變化量（m/s）。3檢測原理應(yīng)力的超聲波檢測原理是聲彈性理論，即在材料彈性范圍內(nèi)，殘余應(yīng)力大小與超聲波傳播速度存在線性關(guān)系，壓縮應(yīng)力使超聲波傳播速度加快，拉伸應(yīng)力使超聲波傳播速度減慢，以無應(yīng)力時超聲波傳播速度為基準(zhǔn)，便可得知材料內(nèi)應(yīng)力的拉伸和壓縮狀態(tài)、以及數(shù)值大小?？v波波速對沿傳播方向上的殘余應(yīng)力最為敏感。依據(jù)GB/T32073，當(dāng)超聲縱波以第一臨界角斜入射到被檢測構(gòu)件表面時，依據(jù)Snell定律，在被檢測材料表層內(nèi)部產(chǎn)生臨界折射縱波（檢測原理簡圖見附錄1的圖1.2），因此，已知零應(yīng)力??0材料內(nèi)超聲傳播速度??0，就可以根據(jù)存在應(yīng)力時對應(yīng)的速度??，求出被檢測材料中的殘余應(yīng)力σ，數(shù)學(xué)關(guān)系式如下，σ???0=??（?????0）或?σ=??△??（1）其中，K為應(yīng)力系數(shù)，?σV分別為殘余應(yīng)力的變化量和傳播時間的變化量；σ為負值表示壓縮殘余應(yīng)力，正值表示拉伸殘余應(yīng)力。4檢測人員與器材4.1檢測人員4.1.1檢測的人員應(yīng)取得超聲檢測II級及以上資格證書，并通過焊接殘余應(yīng)力超聲臨界折射縱波檢測方法的專門培訓(xùn)。4.1.2檢測人員宜具有一定的材料學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、機械工程、焊接及熱處理等方面的基本知識，應(yīng)熟知被檢工件材料特性、透聲性、幾何結(jié)構(gòu)、焊接工藝等,應(yīng)熟知鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝中可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題和焊接殘余應(yīng)力可能存在的分布狀態(tài)。4.2檢測器材4.2.1檢測儀器殘余應(yīng)力超聲檢測設(shè)備應(yīng)至少具有如下功能:1)工作頻率范圍：0.3MHz-25.0MHz；2)具有濾波功能、且滿足上述工作頻帶范圍；3)超聲激勵電壓范圍40V-480V；4)超聲接收增益范圍-20dB-80dB；5)具有超聲波速度和殘余應(yīng)力值的計算功能。4.2.2檢測儀器校準(zhǔn)宜定期對檢測設(shè)備進行綜合性能校準(zhǔn)，以確認其檢測數(shù)值的準(zhǔn)確性。校準(zhǔn)間隔視檢測頻次而定，最長不超過一年。4.2.3探頭1) 超聲應(yīng)力檢測探頭由經(jīng)過測試其性能參數(shù)相同的兩個超聲換能器和聲楔塊構(gòu)成，各項性能應(yīng)符合GB/T18852對探頭的要求；檢測探頭原理示意圖見附錄1的圖1.2.2) 楔塊用于固定超聲換能器并使之實現(xiàn)超聲臨界折射縱波的發(fā)射和接收；3) 所有超聲應(yīng)力檢測探頭在使用前都應(yīng)進行應(yīng)力系數(shù)標(biāo)定和零應(yīng)力校準(zhǔn)；4) 當(dāng)被檢工件表面為曲面時，探頭應(yīng)符合GB/T11345的相關(guān)規(guī)定。4.2.4耦合劑1) 選擇透聲性良好且不損傷檢測表面的耦合劑，以保證在工作溫度范圍內(nèi)探頭與被檢件表面具有穩(wěn)定可靠的超聲耦合。如機油、化學(xué)漿糊、甘油、蜂蜜、水等；2) 應(yīng)力系數(shù)標(biāo)定、零應(yīng)力校準(zhǔn)和實施檢測過程中應(yīng)使用相同的耦合劑,并保持相同的耦合狀態(tài)。4.2.5零應(yīng)力試塊1) 零應(yīng)力試塊可采用與被檢件材料金相組織狀態(tài)和表面粗糙度相同的材料。為了保證良好的透聲性表面粗糙度應(yīng)小于或等于10μm；2) 檢測面上所有影響檢測的油漆、銹蝕、飛濺和污物等均應(yīng)予以清除，表面的不規(guī)則狀態(tài)不應(yīng)影響檢測結(jié)果的有效性；3) 可以采用高能聲束方法制備零應(yīng)力試塊，見附錄2；4) 在無法獲得零應(yīng)力試塊時，也可在同材料無焊接區(qū)域作為零應(yīng)力參考校準(zhǔn)。5檢測流程5.1檢測準(zhǔn)備5.1.1檢測部位或區(qū)域由委托方確定或合同雙方商定。通常為焊接熱影響區(qū)范圍內(nèi)，如十字交叉焊接、T型焊接、Y型焊接、起弧收弧點、補焊或焊疤、銳角焊接和封閉焊接區(qū)域等焊接熱影響區(qū)，檢測部位和方向示例見附錄2。5.1.2檢測區(qū)域應(yīng)大于或等于探頭尺寸覆蓋的范圍，且涵蓋焊接熱影響區(qū)，典型焊接鋼結(jié)構(gòu)參見GB50661-2011，通常從焊趾邊緣開始檢測至母材區(qū)域。5.1.3所有需要進行殘余應(yīng)力檢測的焊接區(qū)域須經(jīng)無損檢測合格。5.1.4檢測區(qū)域的表面粗糙度應(yīng)小于或等于12μm且不得有影響檢測的油漆、銹蝕、飛濺和污物等，表面的不規(guī)則狀態(tài)不應(yīng)影響檢測結(jié)果的有效性。5.1.5檢測部位的表面溫度以0℃-45℃為宜，系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定宜在檢測現(xiàn)場完成，如檢測部位表面溫度發(fā)生較大變化，應(yīng)重新標(biāo)定。5.1.6檢測開始時首先進行零應(yīng)力校準(zhǔn)，將探頭穩(wěn)定地置于涂抹有耦合劑的零應(yīng)力試塊、或同結(jié)構(gòu)材料無焊接區(qū)域上進行校準(zhǔn)，標(biāo)定出零應(yīng)力狀態(tài)對應(yīng)的超聲臨界折射縱波傳播時間T0，并錄入儀器設(shè)備。5.2檢測實施5.2.1檢測過程中要使探頭與被檢工件表面穩(wěn)固密實地結(jié)合，耦合接觸力應(yīng)保持恒定且與校準(zhǔn)過程一致，也可采用手工、磁吸、真空吸盤或彈簧等方法產(chǎn)生一定的壓緊力，確保探頭和工件表面穩(wěn)定和充分耦合；5.2.2放置探頭的方向應(yīng)與欲檢測的應(yīng)力方向一致，也可以在垂直的兩個方向上分別檢測出殘余應(yīng)力，然后矢量求和得出主應(yīng)力及其方向；對于有曲率的焊縫，在檢測焊接殘余應(yīng)力時盡可能選擇垂直焊接應(yīng)力方向的同時也要考慮曲率帶來的耦合損失，因此，應(yīng)選擇與實際構(gòu)件相同曲率的零應(yīng)力試塊。5.2.3由于被檢測構(gòu)件的溫度影響構(gòu)件材料內(nèi)超聲波速度，因此，在殘余應(yīng)力檢測過程中，要實時獲取被檢測構(gòu)件部位的溫度變化，以便實時補償溫度變化帶來的殘余應(yīng)力檢測誤差。5.2.4檢測時要保證接收信號中臨界折射縱波穩(wěn)定且清晰可見，讀出儀器設(shè)備顯示的殘余應(yīng)力數(shù)值5.2.5記錄數(shù)值6結(jié)果評定6.1焊接殘余應(yīng)力檢測結(jié)果的評判根據(jù)3.1.3焊接殘余應(yīng)力的定義，當(dāng)被檢測構(gòu)件是焊接構(gòu)件且處于無約束自由狀態(tài)時，在焊接熱影響區(qū)檢測到的數(shù)值為焊接殘余應(yīng)力，當(dāng)焊縫在剛性約束狀態(tài)時，焊接殘余應(yīng)力服從疊加原理。當(dāng)焊接殘余應(yīng)力數(shù)值接近被檢測材料的屈服強度時，焊接部位易發(fā)生變形或開裂，可采取消減方法降低和均化殘余應(yīng)力數(shù)值和分布狀態(tài)，保證鋼結(jié)構(gòu)焊接部位的完整。6.2裝配應(yīng)力檢測結(jié)果的評判根據(jù)3.1.2裝配應(yīng)力的定義，當(dāng)被檢測構(gòu)件處于約束或裝配狀態(tài)時，在焊接熱影響6.3服役應(yīng)力檢測結(jié)果的評判3.1.9（）（7檢測報告檢測報告宜包含下列信息：附錄1典型鋼結(jié)構(gòu)焊接熱影響區(qū)殘余應(yīng)力檢測部位示意圖本附錄針對典型鋼結(jié)構(gòu)焊接熱影響區(qū)殘余應(yīng)力分布狀態(tài)，給出了殘余應(yīng)力檢測位置的選擇原則和檢測方向示意圖。將鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力方向和分布狀態(tài)的檢測分為平行于焊縫和垂直于焊縫兩個方向，如果焊縫為三維空間相貫線，則沿規(guī)則曲面制備曲率探頭楔塊，如圓柱形表面相貫線焊縫焊接殘余應(yīng)力檢測分別檢測軸向和周向殘余應(yīng)力，然后再矢量求和獲得主應(yīng)力，如下圖所示。圖1.1殘余應(yīng)力超聲臨界折射縱波檢測原理示意圖圖1.2殘余應(yīng)力超聲臨界折射縱波檢測探頭示意圖1.31.4L圖1.5板搭接熱影響區(qū)殘余應(yīng)力檢測方向與部位示意圖圖1.6、板T型焊接熱影響區(qū)殘余應(yīng)力檢測方向與部位示意圖圖1.7、焊縫起弧或收弧區(qū)域熱影響區(qū)殘余應(yīng)力檢測方向與部位示意圖圖1.8板T形焊接熱影響區(qū)殘余應(yīng)力檢測方向與部位示意圖圖1.9板銳角交叉焊縫熱影響區(qū)殘余應(yīng)力檢測方向與部位示意圖圖1.10板十字交叉熱影響區(qū)殘余應(yīng)力檢測方向與部位示意圖11T1.12管T圖1.13管交疊K形接頭相貫線焊接熱影響區(qū)殘余應(yīng)力檢測方向與部位示意圖1.14、圓管T1.15附錄2零應(yīng)力試塊的高能聲束制備方法1 制備原理利用高能聲波彈塑性誘導(dǎo)效應(yīng)實現(xiàn)對材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的消減和均化，即當(dāng)聲波提供給材料內(nèi)部的能量大于殘余應(yīng)力場具有的勢能時，殘余應(yīng)力勢能得以釋放，殘余應(yīng)力分布狀態(tài)得以改變，在不降低金屬材料屈服強度和構(gòu)件強度前提下，實現(xiàn)材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的削減和均化。2 制備器材2.1 制備裝置構(gòu)成高能聲束調(diào)控裝置包括大功率信號控制與驅(qū)動器、高能聲束激勵器、耦合劑以及外圍設(shè)備（包括夾持裝置和激勵電壓傳輸線纜等），其系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖2.1所示。圖2.1殘余應(yīng)力高能聲束調(diào)控裝置示意圖2.2 高能超聲激勵器高能超聲激勵器通常按夾心式壓電換能器或磁致伸縮換能器等原理制備，其工作頻率通常在10KHz-40KHz，單個激勵器能量通常大于50W,具體數(shù)值取決于試塊材料和尺寸因素。2.3 耦合劑在激勵器表面與被制備試塊表面之間使用耐高溫的潤滑脂（高溫黃油、藍油等）（非耦合激勵超聲除外，例如，電磁超聲、激光超聲等方法），確保高能聲束經(jīng)過耦合劑耦合進入被調(diào)控試塊而不對試塊材料有任何表面損傷和內(nèi)部材料結(jié)構(gòu)損傷。2.4 夾持固定裝置能保證激勵器的端部與被調(diào)控表面能夠穩(wěn)定的耦合，并其使用方便、易于裝夾。3 零應(yīng)力試塊3.1 材料選取零應(yīng)力試塊的選取應(yīng)與被檢工件或材料化學(xué)成分相同或相似的材料，且其聲學(xué)特性應(yīng)與被檢工件或材料相同或接近，同時，需要先對其標(biāo)定區(qū)域進行無損檢測，例如，采用超聲、射線、磁粉或滲透等無損檢測的方法根據(jù)其相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進行檢測。3.2 尺寸要求1.超聲臨界折射縱波檢測方法的零應(yīng)力試塊尺寸示意如圖2.2所示，試塊尺寸為L×L×H（L=100～200mm，H=3.0～30.0mm）。試塊長（L）和寬（L）是根據(jù)超聲臨界折射縱波探頭尺寸確定的，通常為探頭的長度的3倍以上，試塊的厚度（H）則根據(jù)超聲臨界折射縱波檢測頻率或波長確定的，通常為波長的3倍以上或與被檢測構(gòu)件厚度一致，例如，對于縱波聲速為4700m/s的普通碳鋼，當(dāng)檢測頻率為1.0-10.0MHz時，試塊厚度約為3.0-30.0mm。超聲臨界折射縱波法的檢測方法請參照GB/T32073-2015。2.超聲體波檢測方法零應(yīng)力試塊尺寸示意如圖2.3所示，試塊尺寸為D×H（直徑D為5.0-20.0mm，H=5.0～50.0mm）。試塊直徑（D）是根據(jù)超聲體波探頭直徑確定的，通常為探頭直徑的1.5倍左右，試塊長度（H）則根據(jù)超聲縱波和橫波檢測頻率或波長確定的，通常為波長的5～10倍以上或與被檢測構(gòu)件長度或厚度一致，例如，對于縱波聲速為4700m/s或橫波速度為3300m/s的普通碳鋼，當(dāng)檢測頻率為1.0-10.0MHz時，試塊長度為2.5-25.0mm。3.試塊表面不得有劃痕、凹坑、毛刺等缺陷，試塊標(biāo)定區(qū)域表面粗糙度Ra≤12μm。試塊標(biāo)定區(qū)域內(nèi)部不得有任何缺陷，零殘余應(yīng)力試塊激勵或調(diào)控的試塊表面的曲率應(yīng)與被檢測構(gòu)件曲率一致；可采用超聲、射線、磁粉或滲透等無損檢測的方法、根據(jù)其相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進行無損檢測。圖2.2超聲臨界折射縱波檢測方法零應(yīng)力試塊尺寸示意圖圖2.3超聲體波檢測方法零應(yīng)力試塊示意圖4 制備與保存4.1 初始殘余應(yīng)力檢測按照圖2.4中的流程圖，調(diào)控之前，首先對調(diào)控區(qū)域或標(biāo)定區(qū)域，根據(jù)GB/T32073-2015使用超聲臨界折射縱波法或超聲體波方法對試塊內(nèi)的初始殘余應(yīng)力進行檢測。4.2 裝夾在標(biāo)定區(qū)域（圖2.2所示區(qū)域），將耦合劑涂抹均勻，并采用磁吸、真空吸附和機械裝夾方式使激勵器與被制備材料穩(wěn)定壓緊耦合。4.3 制備過程人工或自動控制大功率驅(qū)動高能聲信號的頻率、振幅參數(shù)，調(diào)整功率電源功率參數(shù)和作用時間，開始調(diào)控。調(diào)控過程中，可以參照圖2.4方式，實時監(jiān)測殘余應(yīng)力變化情況，也可以在制備一段時間后對零應(yīng)力試塊內(nèi)的殘余應(yīng)力進行檢測。通常，制備過程是一個反復(fù)調(diào)控、檢測的過程（圖1.4為其流程圖）。試塊的每一次調(diào)控，殘余應(yīng)力都會下降一部分，殘余應(yīng)力最后趨于平穩(wěn)狀態(tài)（如圖2.5所示），經(jīng)過多次檢測后，試塊中駐留的殘余應(yīng)力保持在±20MPa之內(nèi)或與雇主約定的數(shù)值，則認為試塊的內(nèi)部殘余應(yīng)力達到零應(yīng)力狀態(tài)。準(zhǔn)備準(zhǔn)備檢測試塊的初始殘余應(yīng)力值σ0σ=σσ=σn-σ1如果σ＞±20MPa完成每小時檢測一次應(yīng)力值σn，檢測若干次調(diào)控20-30min后，測量應(yīng)力值σ1圖2.4殘余應(yīng)力試塊制備流程圖圖2.5零應(yīng)力試塊制備過程中的殘余應(yīng)力下降曲線圖4.4 保存4.4.1零殘余應(yīng)力試塊制備完成后，在測量其殘余應(yīng)力值后，將試塊保存在恒溫箱等恒定溫度環(huán)境下，溫度為22±2℃，從而保證殘余應(yīng)力穩(wěn)定不變。4.4.2使用試塊時注意檢測位置固定在某個區(qū)域(圖1.2中區(qū)域），從而更準(zhǔn)確的測量出其內(nèi)部保持的定值，每次完殘余應(yīng)力超聲檢測儀器校準(zhǔn)后，及時將試塊放回到恒溫箱中。4.4.3在試塊保存過程中，應(yīng)盡量避免發(fā)生沖擊和振動而產(chǎn)生新的殘余應(yīng)力，同時應(yīng)定期監(jiān)測并記錄試樣殘余應(yīng)力的變化。5 檢驗5.1 化學(xué)成分應(yīng)在每批材料中抽取至少一份樣品，并采用適當(dāng)?shù)姆椒y定。5.2 表面粗糙度應(yīng)采用適當(dāng)?shù)姆椒y定，可以參考GBT1031-2009《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)表面結(jié)構(gòu)輪廓法表面粗糙度參數(shù)及其數(shù)值》。5.3 殘余應(yīng)力無損檢測應(yīng)采用準(zhǔn)確度優(yōu)于±2