核電站蒸汽發(fā)生器管子－管板焊縫射線檢測工藝

葉 峰，劉 順，陳 衡，汪雙印，魏紹明

（中廣核檢測技術(shù)有限公司，蘇州 215004）

在石化及核電設(shè)備運(yùn)行過程中，避免因蒸汽發(fā)生器泄露造成環(huán)境污染或意外停車十分重要，而管子－管板焊縫的射線照相則是非常有效的預(yù)防性控制措施。

筆者根據(jù)CPR1000型核電站蒸汽發(fā)生器管子－管板焊縫的實(shí)際情況，在核電站蒸發(fā)器標(biāo)準(zhǔn)管子－管板焊縫試塊上進(jìn)行一系列射線檢測試驗(yàn)，通過試驗(yàn)結(jié)果對比，確定最佳工藝參數(shù)，為以后核電站射線檢測的現(xiàn)場工作提供技術(shù)支持。

1 射線檢測試驗(yàn)對象及器材

1.1 檢測對象

試驗(yàn)使用標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)器管－板焊縫試塊，試塊換熱管外徑為19.05 mm，壁厚1.09 mm，材質(zhì)是IN－CONEL 600，管板材質(zhì)是 18MND5，厚度為557mm，堆焊層厚度為8mm。為了保證試驗(yàn)結(jié)果的可比性，在試塊上面標(biāo)有人工缺陷，人工缺陷具體位置、形狀如圖1所示。

圖1 人工缺陷試塊

1.2 試驗(yàn)器材

放射源：Ir192γ 源，焦點(diǎn)尺寸為0.5 mm×0.5mm，放射性活度為0.1～3Ci；膠片：KODAK M100型膠片；試驗(yàn)藥液：KODAK 套藥；濾光板：2mm 不銹鋼板；遮擋板：6mm 鋁板；緊固螺栓：尼龍緊固螺栓；導(dǎo)源管：特制；源頭：不銹鋼；像質(zhì)計(jì)：參照RCC－M 標(biāo)準(zhǔn)，選擇絲型像質(zhì)計(jì)，并在像質(zhì)計(jì)上面打孔與換熱管管口配合。黑度計(jì)及觀片燈：黑度計(jì)用標(biāo)準(zhǔn)階梯密度片校核，直接讀數(shù)精度在±0.1。標(biāo)準(zhǔn)密度片應(yīng)在計(jì)量有效期內(nèi)。觀片燈最大亮度應(yīng)能滿足底片評定的要求并自檢合格；安全輔助器材：TLD、個(gè)人劑量報(bào)警儀、輻射環(huán)境劑量監(jiān)測儀、警示燈、警示牌、警示帶、安全帶及進(jìn)入控制區(qū)必須穿戴的個(gè)人防護(hù)用品等。

2 試驗(yàn)原理及方法

2.1 試驗(yàn)原理

2.1.1 背投影技術(shù)

采用小焦點(diǎn)γ源進(jìn)行管子－管板焊縫射線檢驗(yàn)。如圖2所示，射線源從管板前端導(dǎo)入管子中，通過調(diào)整裝置將射線源送到預(yù)定位置，射線源向后全景照射焊縫，這種透照方法稱為背投影技術(shù)［1］。

圖2 管子－管板焊縫射線檢驗(yàn)背投影技術(shù)示意

2.1.2 最小焦距確認(rèn)

銥源尺寸為0.5mm×0.5mm，焦距最小時(shí)垂直透照厚度為2.3mm，傳熱管內(nèi)徑為16.87 mm，銥源到膠片的垂直距離為Y，當(dāng)銥源射線沿焊縫根部照射時(shí)，焦距F最小，這時(shí)透照厚度為a，膠片上投影點(diǎn)到傳熱管內(nèi)壁的距離為B。

在RCC－M 標(biāo)準(zhǔn)MC 3000《射線照相檢驗(yàn)》中查得：使用銥192對焊件進(jìn)行檢測時(shí)最大幾何不清晰度為0.3mm。

使用以下公式計(jì)算幾何不清晰度：

式中：U為幾何不清晰度，mm；d為射線源尺寸，mm；a為被檢驗(yàn)區(qū)入射表面和裝有膠片暗盒之間的距離，mm；F為射線源與膠片之間的距離，mm。

則根據(jù)圖中參數(shù)由式（1）可知：

又由圖中幾何關(guān)系可以得出：

由式（2）、（3）、（4）、（5）求 得：焦 距F為14.63mm，透照厚度a為5.49mm，銥源到膠片距離Y為6.13mm，膠片上被照射點(diǎn)到傳熱管內(nèi)壁距離B為5.07mm。

由以上計(jì)算結(jié)果可知滿足標(biāo)準(zhǔn)要求幾何不清晰度情況下最小Y值為6.13 mm，最小焦距為14.63mm，最小透照厚度為5.49mm。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 驗(yàn)證試驗(yàn)

為確保試驗(yàn)結(jié)果不受非試驗(yàn)因子影響，先進(jìn)行三項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)來排除非試驗(yàn)因子的影響。

（1）本底灰霧度試驗(yàn)

選取三張未經(jīng)曝光的膠片，將此膠片直接在暗室進(jìn)行處理后，用黑度計(jì)測量黑度。測量黑度應(yīng)選取不同位置的點(diǎn)，以平均黑度作為真實(shí)的本地灰霧度數(shù)值。同時(shí)確定試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)膠片處理流程及參數(shù)，使膠片處理過程固定化，后面各項(xiàng)試驗(yàn)統(tǒng)一使用該標(biāo)準(zhǔn)膠片處理參數(shù)。

為證明散射線屏蔽效果，在暗盒背面放置2mm厚鉛字“B”進(jìn)行透照。若底片上出現(xiàn)的字母“B”顏色較淺，則該底片說明背散射沒有被有效屏蔽；若底片上出現(xiàn)的字母“B”顏色較深或不可見，則說明背散射被有效屏蔽。

（3）相鄰曝光孔干擾試驗(yàn)

為確保同一底片相鄰兩次曝光范圍不會(huì)出現(xiàn)重疊區(qū)域。試驗(yàn)選擇Y值為16 mm，曝光時(shí)間3min 40s，此時(shí)源強(qiáng)0.198Ci，只透照其中的任一孔即可，膠片處理以后測量距離曝光孔邊沿不同距離處的黑度，具體距離取值為2，4，5，7，8，10，11，13cm，不同位置的黑度與本地灰霧度對比，確定單次試驗(yàn)底片曝光范圍。

2.2.2 焦距試驗(yàn)

在幾何不清晰度允許范圍內(nèi)任取一個(gè)Y值，做一系列不同曝光量試驗(yàn)，以底片黑度為2.7的試驗(yàn)對應(yīng)的曝光量為參照，推算不同Y值所需要的曝光量。以Y值為參照，改變焦距進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)依次使用不同的Y值（該Y值對應(yīng)相應(yīng)的不同焦距值），范圍為10～35 mm，Y值具體取值分別為10，12，14，16，18，20，22，24，27，30，35mm。對應(yīng)于每一個(gè)Y值，在同一膠片上相互不影響的前提下從左至右依次進(jìn)行多次不同曝光量的透照。曝光后的底片按標(biāo)準(zhǔn)底片處理參數(shù)處理，在不同底片的相同位置測黑度，觀察底片影像，確定最佳焦距對應(yīng)的Y值。

2.2.3 黑度試驗(yàn)

采用最佳焦距對應(yīng)的Y值做一系列不同曝光量試驗(yàn)，在處理后的膠片特定位置測量黑度，選取不同黑度值的膠片，黑度選取范圍為1.6～4.7，具體取值分別為1.6，2.0，2.1，2.2，2.4，2.7，2.8，3.0，3.2，對比不同膠片圖像質(zhì)量，確定黑度值為多少時(shí)能夠?qū)ψR(shí)別像質(zhì)計(jì)有最佳效果、對于識(shí)別缺陷最有利。

(1) 鋼性鉆孔彈模計(jì)現(xiàn)場施測便捷，其不僅是灌漿效果評價(jià)的一個(gè)主要手段，還可直接獲得鉆孔不同部位的巖體變形參數(shù)，為設(shè)計(jì)和科研直接提供變形指標(biāo)參數(shù)。

2.2.4 補(bǔ)償試塊使用試驗(yàn)

當(dāng)濾光板不能完全消除邊蝕效應(yīng)或者試驗(yàn)中不能保證有效檢驗(yàn)區(qū)的黑度在2.0～4.5間時(shí)，采用鋼制補(bǔ)償塊來改善底片的成像質(zhì)量。補(bǔ)償塊的形狀與焊縫形狀即管子尺寸相匹配，其上打有通孔與源頭匹配，以保證源頭能準(zhǔn)確對中，如圖3所示。

圖3 管子－管板焊縫射線透照補(bǔ)償塊外觀圖片

試驗(yàn)為研究不同厚度補(bǔ)償塊的補(bǔ)償效果，使用厚度分別為5，6，7，8，9，10，45mm 的補(bǔ)償塊，在最佳焦距及最佳黑度對應(yīng)的曝光量的條件下完成試驗(yàn)，在觀片燈下辨認(rèn)像質(zhì)計(jì)和識(shí)別缺陷，通過對比確認(rèn)補(bǔ)償塊最佳厚度。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)所選標(biāo)準(zhǔn)膠片型號(hào)為KODAK INDUSTREX M100Film 50Pb CONTACTPACK，處理參數(shù)為：顯影時(shí)間4 min、定影時(shí)間15 min、水洗時(shí)間30min、顯影溫度21℃，測得試驗(yàn)所選膠片本底灰霧度為0.17，藥液型號(hào)為kodak套藥。

取Y值為16mm，曝光時(shí)間3min 40s，試驗(yàn)時(shí)源強(qiáng)0.198Ci，進(jìn)行曝光試驗(yàn)，膠片按標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)處理后，測試膠片上距離曝光中心不同距離的黑度值，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 曝光影響范圍示意

從試驗(yàn)結(jié)果得出，背散射屏蔽良好不存在背散射現(xiàn)象，當(dāng)膠片上距離曝光孔中心距離大于9cm 的時(shí)候，膠片上黑度接近本底灰霧度；相鄰兩次曝光不能互相影響各自評定區(qū)，根據(jù)管子－管板焊縫參數(shù)計(jì)算得出兩個(gè)相鄰?fù)刚湛拙嚯x應(yīng)該大于108.25mm。膠片上現(xiàn)有相鄰兩曝光區(qū)域最小距離8.23cm，相鄰兩次曝光會(huì)出現(xiàn)二次照射，曝光時(shí)需要隔孔曝光。

3.2 焦距試驗(yàn)結(jié)果及分析

焦距是射線檢測工藝的重點(diǎn)參數(shù)，合適的焦距能夠提高缺陷檢出率和辨識(shí)度，缺陷檢出率隨Y值變化如圖5所示。由試驗(yàn)結(jié)果分析：

圖5 缺陷檢出率與Y 值關(guān)系

隨著Y值增加，焦距增大，每次曝光的透照厚度也隨之增大，能夠識(shí)別的像質(zhì)計(jì)絲以Y值18mm為分界，Y值變?。▽?yīng)的焦距值也變?。?，像質(zhì)計(jì)絲畸變較嚴(yán)重，逐漸變粗變淡導(dǎo)致模糊；而Y值變大，由于焦距變大使得像質(zhì)計(jì)產(chǎn)生的對比度減小導(dǎo)致像質(zhì)計(jì)影像變細(xì)直至模糊消失。在Y值為18mm處，像質(zhì)計(jì)觀察較為清晰。

對于人工缺陷的分析，焦距較小時(shí)，對于條形缺陷具有較高的檢出率；焦距較大時(shí)，對于圓形缺陷具有較高的檢出率，但是根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，在焦距為18mm 時(shí)，對于各個(gè)形狀及位置的缺陷均具有較高的檢出率。

3.3 黑度試驗(yàn)結(jié)果及分析

合適的底片黑度有利于缺陷識(shí)別，通過調(diào)整曝光量，得到不同黑度的底片，觀察不同黑度底片質(zhì)量，通過觀察不同絲徑像質(zhì)計(jì)的可辨識(shí)程度能夠直觀地反應(yīng)底片質(zhì)量，不同黑度的底片上能觀察到最細(xì)像質(zhì)計(jì)的標(biāo)號(hào)如圖6所示。

圖6 不同黑度識(shí)別的像質(zhì)計(jì)標(biāo)號(hào)

由圖6中可得，Y值為18 mm 時(shí)，在黑度值為2.78，2.82，3.03時(shí)，能識(shí)別的像質(zhì)計(jì)細(xì)絲為W15，像質(zhì)計(jì)清晰度最高，而黑度值在這之外時(shí)，像質(zhì)計(jì)的識(shí)別均降低。故最小黑度值范圍為2.7～3.0之間較為適宜，像質(zhì)計(jì)清晰度最高。但是由于整個(gè)透照厚度差較大（透照的厚度由6.44 mm 變至0 mm），導(dǎo)致黑度差變化較大，因此建議最小黑度范圍在2.7左右，整體黑度為2.7～4.5之間，不會(huì)導(dǎo)致底片過淡或者過黑而影響到膠片的評定。

3.4 補(bǔ)償塊試驗(yàn)結(jié)果與分析

補(bǔ)償塊的使用能屏蔽散射線［2］，同時(shí)能減小底片黑度差，提高被檢對象缺陷檢出率。具體試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 補(bǔ)償塊試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，與無補(bǔ)償塊的焦距試驗(yàn)相比，采用合理材質(zhì)和合適厚度的補(bǔ)償塊，就能使得底片的成像質(zhì)量提高，底片黑度均勻，有利于缺陷的識(shí)別，并且可以很有效地降低邊蝕效應(yīng)。

對于有補(bǔ)償?shù)脑囼?yàn)，不同厚度的補(bǔ)償塊補(bǔ)償效果會(huì)不相同。從表中數(shù)據(jù)可知，補(bǔ)償塊厚度為7mm時(shí)，所能識(shí)別的像質(zhì)計(jì)的最小絲徑最細(xì)，為W16，此試驗(yàn)中7mm 的補(bǔ)償塊，補(bǔ)償效果最佳。

4 結(jié)論

（1）從散射線影響試驗(yàn)可以得出，6mm 的鋁板能夠有效屏蔽背散射線，并且在同一膠片上，兩個(gè)相鄰?fù)刚湛拙嚯x應(yīng)該大于108.25mm。

（2）Y值為18mm 時(shí)，像質(zhì)計(jì)較其他Y值試驗(yàn)中能識(shí)別的絲徑更清晰，能識(shí)別的缺陷數(shù)更多。其對應(yīng)的焦距為最佳焦距。

（3）對于黑度范圍，建議采用2.7～4.5之間。

（4）在相關(guān)條件與其他試驗(yàn)相同的情況下，有補(bǔ)償塊的試驗(yàn)的底片成像質(zhì)量優(yōu)于未加補(bǔ)償塊的底片成像質(zhì)量，能夠提高缺陷的識(shí)別率，并且有效地減少邊蝕效應(yīng)。

［1］李衍.管－管板焊縫的射線檢測特殊技術(shù)［J］.無損探傷，2001（5）：5－6.

［2］張小海，余欣輝，余剛.基于黑度分布的射線檢測輻射場均化方法［J］.南昌航空大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，25（1）：38－43.