-12-ICS號中文標準文獻分類號中國冶金建設協會標準TG-CMCAnyy-xxxx鋼結構殘余應力超聲檢測技術規程ThetechnicalSpecificationforUltrasonictestingonresidualstressofsteelstructures（征求意見稿）（本規程未公開印刷之前禁止拷貝、傳播和摘錄，僅用于本群專業工作者討論）（版權所有違者必究）2018-××-××發布 2018-××-××實施中國冶金建設協會發布1總則1.1為了保證焊接鋼結構工程在建造階段和服役過程的安全性，掌握鋼結構焊接殘余應力分布及鋼結構整體受力和變形情況，評價焊接殘余應力對鋼結構焊接強度的影響、鋼結構焊接熱影響區的抗腐蝕能力、抗變形能力和抗疲勞性能、焊接鋼結構整體穩定性，制定本規程。1.2本規程適用于鋼結構由焊接引起的殘余應力和內部預緊性裝配應力、環境溫度變化導致的熱應力、外界載荷應力等服役應力的無損檢測與監測。1.3本規程規定了鋼結構焊接殘余應力的超聲臨界折射縱波檢測方法和要求。1.4本規程適用于鋼結構焊接熱影響區表層及內部應力分布狀態的無損檢測。1.52術語、符號2.1 術 語2.1.1GB/T12604.1和以下界定的術語和定義適用于本文件。2.1.2裝配應力Assemblystress鋼結構零部件裝配后產生的應力，由預緊性裝配產生，如螺紋緊固產生的預緊性應力，過盈配合、鉚釘和銷釘、干涉裝配產生的擠壓應力等。2.1.3 殘余應力Residualstress機械構件受載超過材料的彈性范圍，在卸去荷載后構件材料內殘存的應力，具有三維矢量特性。2.1.4 焊接殘余應力Weldingresidualstress由于焊接工藝過程產生的、留存于焊縫附近區域或焊接熱影響區內部的應力。2.1.5 殘余應力分布Residualstressdistribution殘余應力在三維空間上的變化。2.1.6 許用殘余應力Allowableresidualstress機械或工程設計中允許零件或構件內部存在的最大殘余應力數值，要衡量構件內部殘余應力高低的標準，許用殘余應力與外界載荷應力之和超過構件材料屈服強度時構件將變形或開裂，當零件或構件內部殘余應力不超過許用殘余應力數值時，這個零件或構件在服役中是安全的，否則就是不安全的。2.1.7 殘余應力閾值Residualstressthreshold考慮到實際構件或零件材料材質具有一定的分散性、外界載荷波動和循環往復疲勞作用、殘余應力檢測數值存在一定偏差，規定了一個實際可檢測的殘余應力數值最為閾值。通常將1/3或1/2的許用殘余應力數值作為實際可測的殘余應力閾值。2.1.8 殘余應力安全裕度Residualstresssafetymargin許用殘余應力與殘余應力閾值之差稱為殘余應力安全裕度。2.1.9 服役應力In-servicestress鋼結構部件某部位承受所有應力的總和，至少包括焊接殘余應力、塑性加工產生的殘余應力、環境溫度變化導致的熱應力、裝配應力和外界載荷應力等。2.1.10 臨界折射縱波longitudinalcriticallyrefractedwave當超聲縱波以第一臨界角從第一介質斜入射到第二介質時，在第二介質內折射產生的沿表層傳播的超聲縱波。2.1.11 應力系數stresscoefficient材料內應力與聲速的比值。實際檢測材料內部殘余應力時，發射和接收換能器的距離是固定的，測量聲速就變為直接測量聲時。2.2 符 號——被測應力，單位為兆帕（MPa）；0——已知零應力，單位為兆帕（MPa）；K——應力系數（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——超聲波在零應力試塊中的傳播速度，單位為秒（m/s）；——殘余應力的變化量（MPa）；△——傳播速度的變化量（m/s）。3檢測原理應力的超聲波檢測原理是聲彈性理論，即在材料彈性范圍內，殘余應力大小與超聲波傳播速度存在線性關系，壓縮應力使超聲波傳播速度加快，拉伸應力使超聲波傳播速度減慢，以無應力時超聲波傳播速度為基準，便可得知材料內應力的拉伸和壓縮狀態、以及數值大小。縱波波速對沿傳播方向上的殘余應力最為敏感。依據GB/T32073，當超聲縱波以第一臨界角斜入射到被檢測構件表面時，依據Snell定律，在被檢測材料表層內部產生臨界折射縱波（檢測原理簡圖見附錄1的圖1.2），因此，已知零應力??0材料內超聲傳播速度??0，就可以根據存在應力時對應的速度??，求出被檢測材料中的殘余應力σ，數學關系式如下，σ???0=??（?????0）或?σ=??△??（1）其中，K為應力系數，?σV分別為殘余應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力，正值表示拉伸殘余應力。4檢測人員與器材4.1檢測人員4.1.1檢測的人員應取得超聲檢測II級及以上資格證書，并通過焊接殘余應力超聲臨界折射縱波檢測方法的專門培訓。4.1.2檢測人員宜具有一定的材料學、結構力學、機械工程、焊接及熱處理等方面的基本知識，應熟知被檢工件材料特性、透聲性、幾何結構、焊接工藝等,應熟知鋼結構焊接工藝中可能出現的質量問題和焊接殘余應力可能存在的分布狀態。4.2檢測器材4.2.1檢測儀器殘余應力超聲檢測設備應至少具有如下功能: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力值的計算功能。4.2.2檢測儀器校準宜定期對檢測設備進行綜合性能校準，以確認其檢測數值的準確性。校準間隔視檢測頻次而定，最長不超過一年。4.2.3探頭1) 超聲應力檢測探頭由經過測試其性能參數相同的兩個超聲換能器和聲楔塊構成，各項性能應符合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超聲臨界折射縱波的發射和接收；3) 所有超聲應力檢測探頭在使用前都應進行應力系數標定和零應力校準；4) 當被檢工件表面為曲面時，探頭應符合GB/T11345的相關規定。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探頭與被檢件表面具有穩定可靠的超聲耦合。如機油、化學漿糊、甘油、蜂蜜、水等；2) 應力系數標定、零應力校準和實施檢測過程中應使用相同的耦合劑,并保持相同的耦合狀態。4.2.5零應力試塊1) 零應力試塊可采用與被檢件材料金相組織狀態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、飛濺和污物等均應予以清除，表面的不規則狀態不應影響檢測結果的有效性；3) 可以采用高能聲束方法制備零應力試塊，見附錄2；4) 在無法獲得零應力試塊時，也可在同材料無焊接區域作為零應力參考校準。5檢測流程5.1檢測準備5.1.1檢測部位或區域由委托方確定或合同雙方商定。通常為焊接熱影響區范圍內，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域等焊接熱影響區，檢測部位和方向示例見附錄2。5.1.2檢測區域應大于或等于探頭尺寸覆蓋的范圍，且涵蓋焊接熱影響區，典型焊接鋼結構參見GB50661-2011，通常從焊趾邊緣開始檢測至母材區域。5.1.3所有需要進行殘余應力檢測的焊接區域須經無損檢測合格。5.1.4檢測區域的表面粗糙度應小于或等于12μm且不得有影響檢測的油漆、銹蝕、飛濺和污物等，表面的不規則狀態不應影響檢測結果的有效性。5.1.5檢測部位的表面溫度以0℃-45℃為宜，系統參數標定宜在檢測現場完成，如檢測部位表面溫度發生較大變化，應重新標定。5.1.6檢測開始時首先進行零應力校準，將探頭穩定地置于涂抹有耦合劑的零應力試塊、或同結構材料無焊接區域上進行校準，標定出零應力狀態對應的超聲臨界折射縱波傳播時間T0，并錄入儀器設備。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固密實地結合，耦合接觸力應保持恒定且與校準過程一致，也可采用手工、磁吸、真空吸盤或彈簧等方法產生一定的壓緊力，確保探頭和工件表面穩定和充分耦合；5.2.2放置探頭的方向應與欲檢測的應力方向一致，也可以在垂直的兩個方向上分別檢測出殘余應力，然后矢量求和得出主應力及其方向；對于有曲率的焊縫，在檢測焊接殘余應力時盡可能選擇垂直焊接應力方向的同時也要考慮曲率帶來的耦合損失，因此，應選擇與實際構件相同曲率的零應力試塊。5.2.3由于被檢測構件的溫度影響構件材料內超聲波速度，因此，在殘余應力檢測過程中，要實時獲取被檢測構件部位的溫度變化，以便實時補償溫度變化帶來的殘余應力檢測誤差。5.2.4檢測時要保證接收信號中臨界折射縱波穩定且清晰可見，讀出儀器設備顯示的殘余應力數值5.2.5記錄數值6結果評定6.1焊接殘余應力檢測結果的評判根據3.1.3焊接殘余應力的定義，當被檢測構件是焊接構件且處于無約束自由狀態時，在焊接熱影響區檢測到的數值為焊接殘余應力，當焊縫在剛性約束狀態時，焊接殘余應力服從疊加原理。當焊接殘余應力數值接近被檢測材料的屈服強度時，焊接部位易發生變形或開裂，可采取消減方法降低和均化殘余應力數值和分布狀態，保證鋼結構焊接部位的完整。6.2裝配應力檢測結果的評判根據3.1.2裝配應力的定義，當被檢測構件處于約束或裝配狀態時，在焊接熱影響6.3服役應力檢測結果的評判3.1.9（）（7檢測報告檢測報告宜包含下列信息：附錄1典型鋼結構焊接熱影響區殘余應力檢測部位示意圖本附錄針對典型鋼結構焊接熱影響區殘余應力分布狀態，給出了殘余應力檢測位置的選擇原則和檢測方向示意圖。將鋼結構焊接殘余應力方向和分布狀態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力檢測分別檢測軸向和周向殘余應力，然后再矢量求和獲得主應力，如下圖所示。圖1.1殘余應力超聲臨界折射縱波檢測原理示意圖圖1.2殘余應力超聲臨界折射縱波檢測探頭示意圖1.31.4L圖1.5板搭接熱影響區殘余應力檢測方向與部位示意圖圖1.6、板T型焊接熱影響區殘余應力檢測方向與部位示意圖圖1.7、焊縫起弧或收弧區域熱影響區殘余應力檢測方向與部位示意圖圖1.8板T形焊接熱影響區殘余應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殘余應力檢測方向與部位示意圖圖1.10板十字交叉熱影響區殘余應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殘余應力檢測方向與部位示意圖1.14、圓管T1.15附錄2零應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效應實現對材料內部殘余應力的消減和均化，即當聲波提供給材料內部的能量大于殘余應力場具有的勢能時，殘余應力勢能得以釋放，殘余應力分布狀態得以改變，在不降低金屬材料屈服強度和構件強度前提下，實現材料內部殘余應力的削減和均化。2 制備器材2.1 制備裝置構成高能聲束調控裝置包括大功率信號控制與驅動器、高能聲束激勵器、耦合劑以及外圍設備（包括夾持裝置和激勵電壓傳輸線纜等），其系統構成示意圖如圖2.1所示。圖2.1殘余應力高能聲束調控裝置示意圖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），確保高能聲束經過耦合劑耦合進入被調控試塊而不對試塊材料有任何表面損傷和內部材料結構損傷。2.4 夾持固定裝置能保證激勵器的端部與被調控表面能夠穩定的耦合，并其使用方便、易于裝夾。3 零應力試塊3.1 材料選取零應力試塊的選取應與被檢工件或材料化學成分相同或相似的材料，且其聲學特性應與被檢工件或材料相同或接近，同時，需要先對其標定區域進行無損檢測，例如，采用超聲、射線、磁粉或滲透等無損檢測的方法根據其相應的技術標準進行檢測。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件厚度一致，例如，對于縱波聲速為4700m/s的普通碳鋼，當檢測頻率為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，試塊標定區域表面粗糙度Ra≤12μm。試塊標定區域內部不得有任何缺陷，零殘余應力試塊激勵或調控的試塊表面的曲率應與被檢測構件曲率一致；可采用超聲、射線、磁粉或滲透等無損檢測的方法、根據其相應的技術標準進行無損檢測。圖2.2超聲臨界折射縱波檢測方法零應力試塊尺寸示意圖圖2.3超聲體波檢測方法零應力試塊示意圖4 制備與保存4.1 初始殘余應力檢測按照圖2.4中的流程圖，調控之前，首先對調控區域或標定區域，根據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的初始殘余應力進行檢測。4.2 裝夾在標定區域（圖2.2所示區域），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定壓緊耦合。4.3 制備過程人工或自動控制大功率驅動高能聲信號的頻率、振幅參數，調整功率電源功率參數和作用時間，開始調控。調控過程中，可以參照圖2.4方式，實時監測殘余應力變化情況，也可以在制備一段時間后對零應力試塊內的殘余應力進行檢測。通常，制備過程是一個反復調控、檢測的過程（圖1.4為其流程圖）。試塊的每一次調控，殘余應力都會下降一部分，殘余應力最后趨于平穩狀態（如圖2.5所示），經過多次檢測后，試塊中駐留的殘余應力保持在±20MPa之內或與雇主約定的數值，則認為試塊的內部殘余應力達到零應力狀態。準備準備檢測試塊的初始殘余應力值σ0σ=σσ=σn-σ1如果σ＞±20MPa完成每小時檢測一次應力值σn，檢測若干次調控20-30min后，測量應力值σ1圖2.4殘余應力試塊制備流程圖圖2.5零應力試塊制備過程中的殘余應力下降曲線圖4.4 保存4.4.1零殘余應力試塊制備完成后，在測量其殘余應力值后，將試塊保存在恒溫箱等恒定溫度環境下，溫度為22±2℃，從而保證殘余應力穩定不變。4.4.2使用試塊時注意檢測位置固定在某個區域(圖1.2中區域），從而更準確的測量出其內部保持的定值，每次完殘余應力超聲檢測儀器校準后，及時將試塊放回到恒溫箱中。4.4.3在試塊保存過程中，應盡量避免發生沖擊和振動而產生新的殘余應力，同時應定期監測并記錄試樣殘余應力的變化。5 檢驗5.1 化學成分應在每批材料中抽取至少一份樣品，并采用適當的方法測定。5.2 表面粗糙度應采用適當的方法測定，可以參考GBT1031-2009《產品幾何技術規范(GPS)表面結構輪廓法表面粗糙度參數及其數值》。5.3 殘余應力無損檢測應采用準確度優于±2