中国水利水电第三工程局有限公司 科研课题可行性研究报告 项目名称：
西安市沣河东路曲塔斜拉桥工程 课题名称：
钢桥焊缝无损检测标准研究 申请单位：
长安大学 起止时间：
2011年11月 至 2013年5月 承担单位：
中国水利水电第三工程有限公司 项目负责人：
邬晓光 通信地址：
西安南二环中段长安大学 邮政编码：
710064 联系电话：
029-82334878 传 真：
029-82334878 申请日期：
2011年10月20日 一、 钢桥焊缝无损检测标准研究目的和意义 编写要求：
1. 描述与课题研究内容紧密相关的水利水电等行业的实际生产力水平和今后的发展方向；

2. 阐述课题成果对该现状和技术发展的作用；

3. 分析成果应用和推广的途径；

4. 分析成果推广后的直接和间接效益。

随着现代交通运输发展步伐的加快，公路钢桥由于强度高，重量轻，跨越能力强，制造精度高，运输、架设方便，工期短等优点在城市桥梁中被广泛使用。在钢桥拼装、连接过程中，不可避免的要使用焊接技术，因此在钢桥中将存在大量焊缝。由于在焊接施工过程中，存在工件选用的预热温度、焊后缓冷措施、焊材以及工艺不合理，焊条、焊剂烘干不足、电弧电压偏高等因素，焊缝形成过程中会产生裂纹、气孔、焊瘤、弧坑、咬边、夹渣、未焊透等缺陷。焊接缺陷对结构稳定和疲劳强度有较大的影响，为了保证工程质量，焊缝的无损检测尤为重要。

现阶段常用的焊缝无损检测手段有超声波检测， 射线检测， 磁粉检测 ，渗透检验 ，涡流检测等方法。对于公路钢桥来说，由于超声波检测穿透能力强，缺陷定位较准确；
灵敏度高，检测成本低、速度快，设备轻便，对人体及环境无害，现场使用较方便等优点在钢桥无损检测中被广泛使用。超声波检测方法是利用超声波在材料及其缺陷的声学性能差异对超声波传播波形反射情况和穿透试件的能量变化来检验材料内部缺陷的无损检验方法。但超声波无损检查存在它的局限性：由于纵波脉冲反射法存在的盲区和缺陷取向对检测灵敏度的影响，对位于表面和非常近表面的某些缺陷常常难于检测；
试件形状的复杂性，如尺寸较小、形状不规则、表面粗糙、曲率半径小等，对超声检测的可实施性有较大影响；
对材料及制作中的缺陷作定性、定量表征，常常是不准确的，经验性强，易出现漏检现象。因此，超声波无损检测研究还需继续深入，为未来工程实践服务。

目前对于超声波无损检测，锅炉压力容器，铁路、以及核工业都有其相对应的检测规范及标准，而公路钢桥在规范及标准方面还存在空白。由于针对钢桥的无损检测标准研究面窄，且制定标准较严格，因此研究此类标准将为以后的公路其他地区桥梁施工建设和标准的制定提供有力参考。 现阶段各省市都在着力研究和制定适合自己省市的钢桥无损检测标准，力求最大限度的保障工程和施工质量。因此，发展和研究制定 适合我市的钢结构桥梁焊缝超声波无损检测标准刻不容缓。随着科技和国力的增长，公路钢桥由于其众多优点被越来越广泛应用，此标准的制定也将为钢桥超声波无损检测提供强有力的参考和依据，为工程质量提供保障。

二、 国内外研究水平综述 编写要求：
1. 与课题研究内容紧密相关的技术发展历史的简要回顾；

2. 国内外研究水平的现状和发展趋势；

3. 介绍国外研究机构或者公司对本课题的研究情况；

4. 介绍国内其他研究单位对本课题的研究情况。

超声波无损探伤技术具有使用范围广、对人体和环境无害、使用方便灵活、缺陷定位准确等优点，它的输出是以波形的形式直观体现出来，能利用计算机技术、数字信号处理技术和控制技术对其进行优化设计，可以大大提高探伤的准确性和可靠性。超声波无损探伤己成为工业无损探伤中应用最为广泛，研究最为活跃的技术之一。

利用超声波进行无损探伤的尝试始于20世纪30年代。1929年前苏联Sokolov率先提出利用超声波对金属内部缺陷进行探伤的建议。1935年他发表了用穿透法进行试验的一些结果，并申请了材料缺陷检测的专利。根据他的试验装置原理制成的第一种穿透法探伤仪器，在第二次世界大战结束后就出现在了市场上。但由于这种早期设备效果并不是很好，很快就被淘汰了。20世纪40年代，美国的Firestone首次介绍了脉冲反射式超声波探伤仪，并申请了专利。利用该技术，超声波可从物体的一面发射并接收，能检测出小缺陷，较准确的定位和评定尺寸。我国从20世纪50年代开始引进超声波探伤技术，经过几十年的发展，在固体缺陷对声波散射理论的研究、电磁超声和表面波等检测技术上都达到了国际先进水平。随着计算机、数字信号处理技术、控制技术等高速发展，超声波探伤领域正向着数字化、自动化、智能化和图像化方向发展。

超声波无损检测虽然有其优点，但在检测过程当中由于藕合剂材料(声阻抗)的影响，对检测探头施加外力大小的影响，工件表面粗糙度的影响工件形状及工作温度的影响，会对数据造成偏差，现行很多学者已经对其进行研究，也有很多文献，但是在公路桥梁方面还存在着薄弱，尤其是在城市钢结构桥梁当中研究还很少，因此需要加强此方面的研究，本课题依托沣河东路斜拉桥项目对公路钢结构桥梁超声波无损检测影响因素进行研究，总结和比较国内外研究内容，研究城市钢结构桥梁无损检测影响因素。

在超声波声场中声压随距离的增大而减小, 因而当被探对象的距离变化时, 须作距离( Distance )-波幅(Amplitude) 校正(Correction) , 以获得相同的当量灵敏度。所以在许多锻件和焊缝探伤标准中都使用DAC曲线。DAC曲线中的纵坐标(幅度)可以用线性值或对数值dB表示。本文将纵坐标为dB的实测DAC曲线称为dB-S曲线。而把纵坐标为波高线性值的DAC曲线特称为DAC面板。由于dB-S曲线纵坐标是dB值，与波高不成线性关系，在实际探伤时使用回波为基准波高时的dB值更方便，从而在实际操作上与DAC面板法(曲线可直接画在萤光屏面板上)有明显区别。

dB-S曲线的制作可以有计算法和实测法两种。而实际测定可以分为现场测定和按种类测定。现场测定指每次探伤前用所使用的仪器和探头等作现场测定，按种类测定是指一种规格的探头积仪器组合，一般只作一次测定。探伤人员在每次探伤时，只要探头和仪器规格不变，可使用原先测定的dB-S曲线。其关键差别是按种类测定承认同类仪器和同规格探头可有互换性。忽略其差异及随时间的变化。这点许多标准(如JB1152-81,GB11345-89等)并未作明确规定。并且在DAC曲线制定界限还有些经验上的模糊，本课题将结合沣河东路斜拉桥实际检测结果，利用有限元仿真软件模拟各种缺陷，更明确的确定DAC曲线和缺陷临界值。

标准是工程实际经验的升华，生产工艺的轨道，保障质量的明镜。标准是实现生产过程规范化、流程化以及产品的可靠性和检测结果的可靠性、可追踪性等的行业统一约束条文。世界上有重大影响的三大无损检测(NDT ) 标准体系—— 美ASME、欧EN 和ISO 标准, 及日J IS 等标准。我国的标准制定与国外还存在一定的差距，需要我们在参考外国规范的同时，认真研究国内现状，制定出适合我国国情的适用行业标准。目前各行业标准过于分散，还没有形成完整的标准体系。尤其是公路钢桥，一直没有自己的检测标准，桥梁界默认选用的标准是《GB11345-89》，但其中的检测标准对于公路钢桥来说是否适合，与公路钢桥设计规范的正常使用荷载是否匹配，至今也不确定。因此，还需要大量研究来制定适合本行业的超声波无损检测标准。

三、 课题的理论和实践依据 编写要求：
1. 课题研究内容的原理简述；

2. 课题研究内容的理论或者实践依据；

3. 课题研究的关键和难点。

1、原理简述 超声检测是应用最广泛的无损检测方法之一。超声检测方法利用进入被检测材料的超声波对材料表面与内部缺陷进行检测。利用超声波进行材料厚度的测量也是常规超声检测的一个重要方面。此外，作为超声检测技术的特殊应用，超声波还用于材料内部组织和特征以及应力的测量。

随着电子技术和计算机技术的发展，超声检测设备不断向小型化、智能化方向改进，形成了适应不同用途的多种超声检测仪器，并与20世纪80年代末出现了数字式超声仪器。目前，数字式仪器已日益成熟，正逐渐取代模拟式仪器成为产品主流。

优点: 与其它无损检测方法相比，超声检测方法的主要优点有：
使用于金属、非金属、符合材料等多种材料制作的无损评价；

穿透能力强，可对较大厚度的试件内部缺陷进行检测，可进行整个试件体积的扫查。如对金属材料，可检测厚度为1~2mm的薄壁管材和板材，也可检测几米长的钢锻件。

灵敏度高，可检测材料的内部尺寸很小的缺陷。

可较准确地测定缺陷的深度位置，这在许多情况下是十分需要的 对大多数超声检测技术的应用来说，仅需从一侧接近试件 设备轻便，对人体及环境无害，可作现场检测。

局限性：
由于纵波脉冲反射法存在的盲区，和缺陷取向对检测灵敏度的影响，对位于表面和非常近表面的某些缺陷常常难于检测。

试件形状的复杂性，如小尺寸，不规则形状，粗糙表面，小曲率半径等，对超声检测的可实施性有较大影响。

对材料及制作中的缺陷作定性、定量表征，常常是不准确的，需要检验者丰富的经验。

2、研究理论 在对焊缝的检测过程中，缺陷的安全评定很大程度上依赖于超声检测的可靠性。但是，超声检测的可靠性与很多因素有关。有检测仪器本身的可靠与否，也有外界因素的影响，甚至有检测人员的素质和态度带来的影响。这些因素的存在都会为超声检测的安全性带来不确定性，主要表现就是随机性与模糊性。

L.A.Zadeh教授于1965年在《Information and control》杂志上发表了《Fuzzy Sets》一文，首次提出模糊集合的理论。此理论的基础是模糊数学和模糊逻辑理论。在此背景下，开拓了模糊控制、分析等的研究领域，由于这种理论建立在人类思维方式的基础之上，因此能够表达事物的模糊性质。

当我们对一件事情的发生、发展的结果存在不确定时我们就称其为随机性事件。所谓随机性只是我们对事件的发生条件了解不够充分，在可能出现的因果关系中不能确定其是否出现。但是，其结果是明确的，只是我们不确定其是否发生。我们可以用概率统计的方法进行研究。

模糊性是指我们要研究的事物本身的概念是有一定模糊性的，界定的界限不是很清楚，在质上和量上没有明确的定义和界限。例如，检测出缺陷的定义（a≥ath）中，若去检测值ath=1mm为一个定量，将用超声检测出的缺陷尺寸a=0.999mm判定为不能检测，是非常不合理的，因此ath是一个模糊量。这就很显然形成了一个过渡区间，我们称其为检测模糊区间。模糊理论就是用来研究这些对象的不确定性现象。

可靠度的定义可以解释为：某件产品在特定的使用环境下，在指定的时间段内完成某种功能的概率。对于超声检测而言，是缺陷的检出率。超声检测的模糊可靠度即为缺陷检出率。

由于无损检测的结果与众多因素有关，随着科学技术的日新月异，无损检测技术日益成熟，无损检测的可靠性大大提高。但是，在检测的过程中仍然存在许多不确定性的因素。这些因素的存在需要我们归纳、总结，从而保证工程质量。

3、研究关键及难点 （1）软件对焊缝缺陷的模拟 使用有限元软件对焊缝不同缺陷及不同条件下的同一种缺陷的模拟。

（2）钢结构公路桥梁焊缝超声波无损检测缺陷评定标准研究、定制 四、 课题研究内容和实施方案 编写要求：
1. 课题研究内容的详细说明（可分专题或按内容序号描述）。

2. 要描述具体的理论研究步骤，现场试验的地点和试验计划。需要建设试验手段的课题，要给出试验手段的结构和作用；

3. 理论研究和试验内容与课题总目标的因果关系；

4. 写明理论和试验研究的工作量；

5. 需要多家单位共同承担的课题，需要写明各家的分工、职责和提供的成果，如何组织和协调；
课题的组织方式；
合作方式、知识产权和成果分享的范围；

6. 需要与国外合作，要写明与外方的合作方式、知识产权和成果分享的范围，及以前的工作联系；

7. 注明本课题研究需要购买仪器、设备的型号、产地、性能及需要购买的原因；

8. 外委的工作内容和工作量；

9. 对于装置、设备开发的课题，要提出装置或设备的开发计划及设计方案。

1、 钢结构桥梁焊缝超声波无损检测内容及影响因素研究 ① 本项目依托西安市沣河东路曲塔斜拉桥工程，具体分析和研究此类型钢结构桥梁焊缝超声波无损检测内容。

② 超声波探伤是焊缝内部质量检验的重要方法之一，具有设备简单、操作方便等优点。但超声波探伤在焊缝探伤的应用中也存在着不利的一面，如由于焊缝表面有咬边、较大的隆起、四陷以及结构形式特别而产生的一些伪缺陷波(假讯号)，不仅影响超声波探伤的实施，而目对超声波探伤结果的判断有直接的影响，很可能造成误判和错判。本文对钢结构桥梁焊缝超声波无损检测影响因素进行研究，为寻找解决办法或防治方法做准备。

2、 DAC曲线的定制及缺陷临界值确定研究 （1） 模拟不同缺陷 用ANSYS模拟气孔、夹渣、咬边、未焊透、未熔合、裂纹等缺陷。

①气孔的模拟研究，通过ANSYS软件对焊缝进行单个气孔、多个气孔模拟分析；

②夹渣的模拟研究，通过ANSYS软件对进行单点夹渣、多点夹渣模拟分析；

③咬边的模拟研究，通过ANSYS软件对焊缝进行单侧咬边、双侧咬边模拟分析；

④未焊透的模拟研究，通过ANSYS软件对焊缝进行小面积未焊透、大面积未焊透模拟分析；

⑤未熔合的模拟研究，通过ANSYS软件对焊缝进行小面积未熔合、大面积未熔合模拟分析；

⑥裂纹的模拟研究，通过ANSYS软件对焊缝进行小面积裂纹、大面积裂纹模拟分析。

（2）模拟在各种条件下的缺陷 ①模拟焊缝不同深度、不同板厚、不同坡口形式以及不同焊接方法的缺陷状况 ②模拟桥梁常用钢板厚度（8 mm、16 mm、20 mm、25 mm、30 mm、35 mm、40mm）；

③模拟焊缝在表层、中上层、中下层以及下层时缺陷对焊缝的影响；

④模拟不同坡口形式以及不同焊接方法缺陷对焊缝的影响。

通过以上研究分析，从中发现规律，为公路钢桥制定相应的灵敏度。

3、 焊缝缺陷漏检问题研究 在实际超声波探伤中，受到耦合剂、焊件表面的油污等产生的反射波的干扰的影响，位于焊件表面和近表面的缺陷容易出现漏检的情况。缺陷漏检问题对构件的危害较大。通过查找资料研究对比， 并依托实际工程，寻求避免焊缝缺陷漏检问题的方法。

4、 焊缝缺陷性质确定及评定标准研究 钢结构桥梁超声波无损检测检测的是钢板焊缝，因此对焊缝的内部因素的研究是重中之重。本项目通过模拟焊缝的内部缺陷，并进行受力分析，对桥梁不同部件分别进行模拟，并且把桥梁实际荷载逐个分布到每条焊缝里，进行局部分析，模拟实际缺陷，通过模拟大量缺陷采集数据，分析对比不同缺陷的受力情况，并结合规范和标准，依托西安市沣河东路曲塔斜拉桥工程，研究桥梁界现在默认选用标准《GB11345-89》对桥梁检测的适用性，并为为公路钢结构桥梁检测制定标准。

五、 预期目标和成果形式 编写要求：
1 阐明课题研究预期达到的目标；

2 明确叙述提高研究成果的形式，理论研究报告、全套设计制造技术、实用装置或软件等；
要求成果提供的形式能够被其他研究人员掌握，使成果的使用权具有可转移性。

1、确定西安市沣河东路曲塔斜拉桥工程极其类似工程中焊缝超声波无损检测的内容及影响因素；

2、制定适合公路钢桥的灵敏度并确定缺陷临界值；

3、提出避免焊缝缺陷漏检的方法；

4、《钢桥焊缝超声波无损检测质量评定标准》；

5、《钢桥焊缝超声波无损检测技术指南》。

六、 合作单位或依托工程单位落实情况 编写要求：
1 如需同其他单位进行合作，说明合作单位的落实情况，并出据合作单位承诺进行合作的证明文件；

2 如需结合依托工程进行试点研究，说明依托工程及其与本课题结合的情况，出据依托工程单位承诺提供相关条件的证明文件。

七、 课题承担单位的条件 1 课题负责人 2 课题研究人员 3 实验室条件 4 理论研究环境 编写要求：
1 课题负责人的情况介绍；

2 课题承担人员的专业、特长、工作量和在本课题中的应用；

3 各承担单位具有的与本课题有关的工作业绩、实验室条件、理论研究环境。

八、 课题的进度安排 序号 时间段 内 容 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 编写要求：
1. 列出分年度计划研究内容和人员、设备安排；

2. 分年度提供成果的内容和形式，要具有可检查性。

九、 课题经费预算 申请经费总金额 其 中 备 注 万元 年 年 年 申请资助 万元 万元 万元 申请贷款 万元 万元 万元 自筹金额 万元 万元 万元 预算支出科目 金额（万元） 计算根据及理由 1.新产品设计费 0 无新产品 2.工艺规程制定费 3.0 3.设备调整费 4.0 见附件1.1 4.原材料及半成品试验 2.0 见附件1.2 5.技术图书资料费 1.5 相关技术图书影像资料购买费用 6.中间试验费 3.5 见附件1.3 7.研究机构人员工资 14.4 0.3*1*18+0.1*5*18 8.设备折旧费 3.0 检测、研究等所需仪器的折旧费用 9.与试制及开发研究有关的其他经费 1) 差旅费 4.0 路费、食宿费用 2) 资料出版及验收费 4.0 3) 临时工工资 3.0 0.1*3*10 10.外委费 3.0 11.不可预见费 3.0 除上述预算支出外的不可预见费用 总 计 48.4 * 自筹部分用括号标出 编写要求：
1 课题所需人员的人月数及费用；

2 需要购买的仪器、设备的名称、数量和价格；

3 需要建设的试验手段和费用；

4 消耗物品的名称、数量、费用；

5 现场试验费用；

6 图书和资料名称、数量、价格；

7 旅差、办公、会议、印刷、出版等费用；

8 外委工作费用；

9 风险补助费用（不可预见费）；

10 分别列出拨款与自筹经费使用汇总表。

十、 有关证明文件 1 承担单位业务主管对课题意见 2 合作单位和依托工程单位对课题的意见及盖章 3 自筹经费来源及保证证明 编写要求：
1. 各承担单位业务主管对课题的意见；

2. 依托工程单位对课题的意见；

3. 自筹经费来源及保证证明；

4. 协作单位意见及盖章。

十一、 申请单位领导审查意见 （对经费预算是否合理，有无其他经费来源，能否偿还贷款，能否保证研究计划实施所需的人力，工作时间等基本条件提出具体意见） 单位领导（签字） 单位（公章） 年 月 日 附件一：经费预算表 附件1.1 设备调整费 序号 名称 型号 价格(万元) 备注 1. 2. 3. 4. 5. 6. 合计 注：
附件1.2 原材料及半成品试验 序号 名称 价格(万元) 备注 1. 2. 3. 4. 5. 6. 合计 附件1.3 中间试验费 序号 名称 价格(万元) 备注 1. 2. 3. 4. 5. 合计 课题负责人 E-mail:____________________ 附件二：
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