管子－管板角焊縫射線照相技術(shù)的進展

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。

1 小焦點192Ir源γ射線探傷機的應用

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

2 管子－管板角焊縫射線照相技術(shù)與工藝試驗

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)。

3 棒陽極X射線機的應用

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）。

4 計算機射線照相（CR）技術(shù)的應用

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。

5 數(shù)字平板探測器（DR）技術(shù)的應用

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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