強天鵬,龔成剛,周齊明,周 茜,郝思文
(1.江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院,南京 210036;2.江蘇中特創(chuàng)業(yè)設備檢測有限公司,南京 210014)
管子-管板角接焊接接頭是列管式換熱器或反應器設備的薄弱環(huán)節(jié),其厚度僅1~2mm。如果焊縫中存在氣孔或其它缺陷,即使缺陷很小,也會在設備使用不久后因為腐蝕而在缺陷部位發(fā)生泄漏(圖1)。應用管子-管板角接接頭焊縫射線照相技術(shù)可以有效解決管子-管板角接焊接接頭的泄漏問題。實踐表明,該項技術(shù)的實施可使換熱器泄漏概率大幅度降低。根據(jù)德國BASF公司的統(tǒng)計數(shù)據(jù),失效概率可從18%大幅度下降到3%,如圖2所示。
20世紀70年代末,德國BASF公司開發(fā)出專門用于管子-管板角焊縫射線檢測的小焦點192Ir源γ射線探傷機。國內(nèi)于2003年引進管子-管板角焊縫射線照相技術(shù)和專用192Ir源γ射線機+膠片系統(tǒng),并在揚子-巴斯夫工程項目的設備制造檢測中應用。
管子-管板角接焊接接頭形狀特殊,結(jié)構(gòu)復雜,一般射線檢測技術(shù)無法實施照相。為解決這一技術(shù)難題,專用γ射線探傷機設計了一個裝有小焦點(φ0.5mm×1mm)192Ir放射源(圖3)的棒,將其伸入管內(nèi),采取“向后透照”的方式進行曝光,同時設計了特殊工裝和特殊工藝,成功地獲得了角焊縫圖像。與超聲檢測相比,管子-管板角焊縫射線照相具有靈敏度高、可靠性好和檢測效率高等優(yōu)點。
圖1 導致管子-管板角焊縫泄漏的氣孔
圖2 管子-管板角焊縫射線 照 相降低換熱器失效的概率統(tǒng)計
圖3 管子-管板角焊縫射線照相專用γ射線機
在引進德國的192Ir源γ射線+膠片系統(tǒng)技術(shù)和設備后,為進一步掌握管子-管板角焊縫射線照相技術(shù)與工藝,江蘇省特檢院和江蘇中特創(chuàng)業(yè)公司進行了多項試驗,內(nèi)容包括:
(1)曝光參數(shù)試驗:即不同焦點尺寸源、不同種類膠片、不同焦距以及不同曝光時間對成像質(zhì)量和靈敏度的影響。
(2)適配器試驗:即不同形狀、不同厚度、不同材質(zhì)(鎳、鈦、鋯)適配器的效果和應用范圍。
試驗得到了一些結(jié)論,包括:
(1)源焦點尺寸減小能顯著提高缺陷檢出率。
(2)不同類別的膠片對照相靈敏度有顯著影響;管子-管板角焊縫拍片應采用T2類或更高級別的膠片。
(3)帶鉛箔增感屏的真空包裝膠片質(zhì)量明顯優(yōu)于散裝膠片 。
(4)所用焦距應適當。焦距過短缺陷影像變形大,焦距過長靈敏度降低。焦距選擇與管徑有關(guān),一般30~50mm。
(5)對管子-管板焊接接頭進行拍片時,必須使用適配器(補償塊)。補償塊形狀和厚度必須適當。
(6)補償塊材質(zhì)的原子序數(shù)應等于或低于管子材質(zhì)的原子序數(shù)。
為了避免放射源管理和運輸?shù)穆闊?,同時進一步提高檢測質(zhì)量和效率,德國一家公司在20世紀90年代開發(fā)了一種管子-管板角焊縫射線照相專用棒陽極X射線機(圖4)。其主要參數(shù)如下:焦點尺寸0.5mm;輻射角度135°×360°;棒直徑6mm,長度不小于37mm;管電壓130kV,管電流2mA。
棒陽極X射線機+膠片系統(tǒng)有以下優(yōu)點:
(1)避免了放射性同位源的輸送帶來的風險和麻煩。
(2)減少現(xiàn)場檢測人員受到的輻射劑量。
(3)更快的檢測速度(曝光時間20~40s)。
(4)更高的成像質(zhì)量。其對鋼中的氣孔缺陷靈敏度小于φ0.5mm,而192Ir源γ射線檢測對鋼中的氣孔缺陷的檢測靈敏度一般只能達到1mm。
棒陽極X射線機+膠片技術(shù)成功解決了Ti材換熱器管子-管板角焊縫照相靈敏度不夠的難題。由于鈦原子序數(shù)(22)低于鐵(26),用192Ir源γ射線對鈦材管子-管板角焊縫照相靈敏度極低,直徑大于1mm的氣孔也可能漏檢,使檢測失去意義。用棒陽極X射線機發(fā)出的低能X射線取代192Ir源γ射線,可以有效檢出φ0.5mm的氣孔(圖5)。
計算機射線照相(CR)是一種新型工業(yè)數(shù)字射線檢測技術(shù),其原理是:先使用成像板(IP)代替膠片記錄檢測物理量;然后使用激光掃描儀代替暗室處理,把檢測物理量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號;最后通過計算機將數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字圖像。
江蘇省特檢院和江蘇中特創(chuàng)業(yè)公司首先提出把CR技術(shù)應用于管子-管板角焊縫射線照相的方案并完成了試驗。試驗結(jié)果表明,CR技術(shù)應用于管子-管板角焊縫射線照相具有明顯的優(yōu)勢和良好的應用前景(圖6)。棒陽極X射線機+CR系統(tǒng)具有以下優(yōu)點:
(1)能獲得高靈敏度的檢測圖像。
(2)數(shù)字圖像的保存、調(diào)用和傳輸方便。
(3)以成像板取代膠片,可節(jié)省費用。
(4)無需暗室處理,無污染廢液。
數(shù)字平板探測器(DR)是另一種新型工業(yè)數(shù)字射線檢測技術(shù)。其原理是使用平板陣列探測器代替膠片記錄檢測物理量,并直接將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號,再通過計算機將數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字圖像,如圖6(b)所示。
圖7 棒陽極X射線機+DR專用檢測儀
德國一家公司研發(fā)的管子-管板角焊縫射線照相專用的棒陽極+DR檢測儀器系統(tǒng),由四個CdTe-CMOS數(shù)字平板拼接而成,棒陽極管被放置在儀器的中央位置(圖7)。每一個平板尺寸為25mm×25mm,像素尺寸為100μm。該系統(tǒng)的優(yōu)點是:① 不使用放射源和膠片,減少了輻射管理的麻煩和環(huán)境污染。②與其它方法相比,缺陷檢出能力更強、靈敏度更高。③ 與其它系統(tǒng)相比,檢測速度更快、曝光時間更短,而且能即時顯示檢測結(jié)果。④ 數(shù)字圖像的保存、調(diào)用和傳輸方便。
該系統(tǒng)的不足之處是圖像由四個平板拼接而成,中心孔呈方形,不僅視覺感覺稍差,而且焊縫區(qū)有拼縫穿過,有可能影響缺陷檢出。
圖8所示是三種檢測系統(tǒng),即192Ir+膠片、棒陽極X射線+膠片、棒陽極X射線+DR的檢測靈敏件。將仿真系統(tǒng)分為探頭參數(shù)設置、缺陷參數(shù)設置及仿真成像三大模塊。在探頭參數(shù)模塊,可仿真顯示相控陣探頭的聲場聲壓分布及其指向性特性,通過人機界面改變各探頭相關(guān)參數(shù),觀察聲場聲壓及指向性變化,可分析研究各參數(shù)對聲場的影響。在仿真成像模塊,利用field II,建立相控陣探頭聲場與缺陷相互作用的模型和缺陷回波的計算模型;仿真缺陷試塊的相控陣超聲成像檢測過程,并通過對回波信號包絡提取、對數(shù)壓縮、DSC變換等一系列信號處理過程將缺陷圖像還原出來。
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