劉澤山 技師

鋼板及型鋼一般是由煉鋼廠所煉製之鋼胚、鋼錠等加熱後滾壓成型，因此，鋼材並非等向性，而是具有3個方向性－壓延方向、垂直壓延方向及厚度方向（X、Y及Z向）。這三方向上強度略有差異，依次以厚度方向最弱（壓延導致晶格差排後結果，但差異並不算是很大）。鋼鐵製造時鐵水冷凝之過程中，由於冷卻速率不一致造成凝固時間上的差異。一般外部會先冷卻，接著內部冷卻時，會造成體積的減少，但是由於鋼液無法補充而造成空洞的現象。有時由於一些雜質，如磷、硫等因熔點較低而集中於中間部位析出。因此，鋼胚、鋼錠等容易在內部產生空穴、非金屬析出物等瑕疵。這些瑕疵在滾壓製成鋼板或型鋼時，經多次滾壓後變成長條之薄層，亦即一般通稱所謂夾層(圖1)。雖然夾層一般指空穴、夾渣所造成的瑕疵，其他原因所造成的有另外專有名稱，但為了容易讓人知道，許多人方便的以夾層來稱呼軋延後鋼板中所有的瑕疵[1]。

夾層的存在於規範中並非完全不可接受。板厚愈厚代表軋延所需鋼胚體積越大，其產生夾層的機會也便愈大。一般在鋼板厚度達到25mm時便要求一定做夾層檢測(許多公共工程規定僅19mm以上即須施作）。板厚越小，由於輾壓的次數較多，延展的幅度大，加上溫度不算太低，縱使有局部小夾層也能有類似鍛接的效果而閉合並不致造成嚴重問題。

一般來說夾層如果不是位於切割線附近（代表可能需焊接的位置），或是梁柱接頭的範圍內，鋼板僅受到剪力或軸力作用(X向或Y向)，對結構安全的影響尚不顯著。但是如果位於如梁柱接頭位置時，如圖2所示受到厚度（Z）方向，也就是垂直鋼板厚度方向的力量，將會產生所謂層間撕裂的問題，不僅影響結構安全，甚至也沒有容易施作的補救方法。因此，實務上均視夾層檢測為鋼板品管的重要項目。縱使鋼板物理試驗、化學成份均符合規範要求，也可能有危險的夾層。但是在台灣使用的鋼鈑夾層檢測有三種國家的規範：美國ASTM A435[2]、日本JIS G0901[3]以及CNS 12845[4]。到底這些規範的差別在哪裡？在決定採用何種規範施作前，應有一定的了解。

夾層檢測主要內容大致分為：檢驗設備(探頭)、檢測靈敏度、檢測掃描方式以及判定標準這四大項，茲分別說明如下。(均以常用的單晶直束探頭比較)

1.  檢驗設備

簡單來說超音波儀器主要的部分為超音波脈波產生器，脈波經由纜線送入至探頭（又稱換能器），將電能轉變為音波的震動，換能器發射超音波在介質(鋼鈑)內傳播，遇到別種介質後反彈，換能器接收回波信號轉變為電的脈波信號放大後，顯示在示波器（螢幕）上。因此，在檢驗設備中，影響檢測最重要的就是換能器了。換能器的規定有直徑與頻率等項目。換能器直徑越大，音波發散角度越小，但近場(近距離無法有效檢測的長度)長度越長，對薄板不利。音波頻率越高，對瑕疵的鑑別度越高，也就是能檢出更小的瑕疵，但相對的衰減越快，板厚較厚者較不適宜[6]。相關規範比較如表1。

由表1可知，ASTM的規定是不論板厚均使用同種規格的探頭；CNS與JIS則對對應的厚度有不同規定的探頭。

2.  檢測靈敏度

檢出的信號放大後，在示波器螢幕上顯示的，即為放大的倍率。一般由於探頭與儀器的不同，彼此之間都有一定程度的差異，所以規範一般都要求要用標準的規塊，讓每組不同的探頭與儀器，均校準至同一回波高度，才能在彼此與規範規定之間作比較及判定。回波的放大倍數愈高，代表被檢出的機會就越大。不同的高度之間存在一分貝(dB)的關係，也就是：

分貝數(dB)=20×log(P1/P2)              (公式1)

P1：調整放大(或衰減)的高度

P2：原始高度

因為20×log(2倍)=2×0.3010=6 (dB)，在超音波檢測中，一般有所謂的6dB法則，也就是每增加6dB，回波高度增加一倍。各規範檢測靈敏度的比較如表2。由表2很容易發覺，ASTM的規定採用第一次背面回波高度50％～75％的規定，已較CNS 的80％為低，且CNS還外加了10～20 dB不等的靈敏度去做掃描，所以在靈敏度的規定上CNS較ASTM高許多。但是JIS與CNS之間又是如何規定呢？JIS G0901對於靈敏度的規定，是採用編號為STB-N1標準規塊，其中心有一直徑5.6mm深10mm的孔作為標準瑕疵，對準該孔後所得到的瑕疵回波經調整至規定高度來檢測。由於標準孔能反射的音波面積遠較背面反射小，所以回波的高度也較低，因此與CNS規範之間無法單純的用數字去作比較。

為了解CNS與JIS兩者之間的關係，最簡單的方式就是直接比較STB-N1與鋼板背面回波間兩者哪一個dB數較高，如照片1～3。先按照規範量測STB-N1得到規定回波值的dB數後，再依照CNS量測背面回波值作比較。實際量測結果如表3所示。由表中我們發現除了薄板(20mm以下)CNS檢測分貝數較高外，JIS規範均比CNS高至少2dB左右。但是我們也發現，由於表面狀況的差異(鏽蝕的程度)差距可達5dB左右。所以採用背面回波的方式，有避免掉表面狀況影響的優點，似乎更接近實際的狀況。

3.  檢測掃描方式

探頭在檢測物上移動尋找必須依循一定的方式作整體的掃描。以夾層檢測來說，大致分為平行軋延方向的水平掃描、垂直軋延方向的垂直掃描及水平加垂直的格狀掃描等。當然最重要的還有每道掃描線之間的距離等。單位面積掃描線越多越長，遺漏的機會越小。

ASTM A435規定的掃描方式有三種(如圖3)：共有格狀(間距9”)、垂直軋延方向(間距4”)及平行軋延方向(間距3”)等三種。CNS 12845規定的掃描方式也有三種(如圖4)：垂直軋延方向(甲式，間距200mm)及平行軋延方向(乙式，間距200mm)、分切平面鋼板(丙式，三條掃描線)等三種。JIS除無甲式掃描外，其餘與CNS相同。因此總結掃描方式而言(如表4)，以ASTM規範掃描密度較高。

4.  判定標準

鋼板與銲道一樣，並非所有的瑕疵都不能接受，而其接受基準的差異，將影響整個判斷與結果。一般判定標準採取兩種方式：一是瑕疵回波的高低，瑕疵回波達到了某個高度以上。二是瑕疵回波與背面回波的比較，或是背面回波的驟降。由於鋼板厚度有限，背面一定會產生一全反射的回波，這回波的降低，相對的代表中間有阻礙或物質將其折射或散射掉，但並不見得會有明顯的瑕疵回波產生。因此第二種判定標準則是以背面回波的降低或是瑕疵回波與背面回波高度的比值來判斷。

ASTM A435的接受標準為：當背面回波完全消失時，瑕疵之長徑超過75mm或板厚之一半(兩者取大值)時為不合格。

CNS與JIS的規定相同，只是鋼板等級使用符號不同而已。因此僅以CNS 12845的判定方式說明即可。CNS 12845的接受基準如表5；其中瑕疵的密度(百分比)計算是以掃描長度單元除以瑕疵單元來計算。但瑕疵單元分為中瑕疵與大瑕疵(如表6)，大瑕疵須乘以2與中瑕疵加總。掃描長度單元則以每200mm掃描長度作為一單元來加以計算，所以瑕疵的密度計算方式是。 

雖然瑕疵密度符合規定，仍然需要針對局部瑕疵密度再作一次評估。所謂局部瑕疵密度係取瑕疵最密集處1m×1m之範圍內，於掃描線上每200mm區分為一長度單元，同樣依公式2計算局部瑕疵密度(照片4)。

由判定基準來說，ASTM A435針對單一大瑕疵作規定，CNS更注意到較小瑕疵及整體的分布問題。

綜合以上比較可知，三者規範有其不同之處，採用時應對其差異有一定的了解，以確保施工的品質能與預期相符。

本文檢測靈敏度部分感謝春源鋼鐵董峻鈞組長及徐志佑工程師的幫助，使本文能順利完成，特致謝意。

參考資料

1.    「超高層鋼結構大樓施工」。第三章。劉澤山。

2.    ASTM A435- 90,Standard Specification for Straight-Beam Ultrasonic Examination of Steel Plates（2001）.

3.    JIS G0901，建築用鋼板及び平鋼の超音波探傷試験による等級分類及び判定基準（2010）。

4.    CNS 12845，結構用鋼板超音波直束檢測法（1998）。

5.    劉澤山（2013）。「幾個鋼構常見的規範名稱使用問題」。技師報，第873期。

6.      中華民國非破壞檢測協會「超音波檢測法初級」（1988）。