X射線數(shù)字成像在壓力管道檢測中的應用

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(1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心，綿陽 621000; 2.四川省特種設備檢驗檢測協(xié)會無損檢測專業(yè)委員會，成都 610000)

X射線數(shù)字成像在壓力管道檢測中的應用

鞏德興1,2，姚力1,2，陳曉輝1,2，劉春華1,2，蔣浩1,2

(1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心，綿陽 621000; 2.四川省特種設備檢驗檢測協(xié)會無損檢測專業(yè)委員會，成都 610000)

特燃承壓設備常年在惡劣環(huán)境下運行，容易發(fā)生腐蝕穿孔和泄漏事故。介紹了數(shù)字成像射線檢測技術的基本原理和特點，以及腐蝕缺陷的X射線數(shù)字檢測試驗對比結果，研究了腐蝕缺陷X射線數(shù)字成像檢測方法。通過大量管道現(xiàn)場檢測實例表明：X射線數(shù)字檢測方法既能檢測承壓設備焊接接頭的缺陷，也可對特燃管道表面的腐蝕情況進行快速抽查，是承壓設備焊接缺陷和腐蝕情況巡查的有效檢測手段。

承壓設備；X射線；數(shù)字成像

特燃壓力容器和壓力管道是航天器發(fā)射時最重要的地面設備之一，其通常用于儲存或運送氧化劑和燃燒劑，且品種規(guī)格較多。特燃壓力容器的材料主要有工業(yè)純鋁、防銹鋁和奧氏體不銹鋼，在制造安裝時大多采用氣體保護焊和電弧焊焊接的方法，焊接過程容易產(chǎn)生氣孔、夾渣、夾鎢、未熔合、未焊透、裂紋等缺陷。由于推進劑燃料的化學特性加上工況惡劣，使用過程中容易產(chǎn)生腐蝕針孔、腐蝕凹坑、腐蝕帶溝、腐蝕縫隙和應力腐蝕裂紋等缺陷。由于特燃壓力容器外部有覆蓋層，且空間狹窄，試驗運行條件、介質(zhì)物理化學特性及潔凈度、露點和純度要求等原因，在用承壓設備的檢驗率較低。有些設備在投入運行后甚至沒有實施過有效的檢驗，使得長期使用、缺乏檢修造成的腐蝕、裂紋、泄漏等問題頻繁發(fā)生，甚至引發(fā)災難性事故。

腐蝕是鋼制特燃承壓設備失效破壞的主要原因，對這些設備實施檢測的主要目的是查找腐蝕位置和確定腐蝕程度。腐蝕包括壁厚均勻點腐蝕和局部坑腐蝕。最嚴重的是來自容器殼體下半部和管道底部的離散點狀坑腐蝕和帶片潰瘍狀坑腐蝕，這些缺陷難以發(fā)現(xiàn)、不易檢測，比均勻腐蝕的危害性更大[1]。大量的檢測結果表明，容器下半部和管道底部腐蝕已經(jīng)成為影響地面承壓設備安全的重大危害，因此對這些設備進行腐蝕檢測是提高安全性的關鍵。目前，承壓設備腐蝕檢測的方法包括超聲波測厚法和射線膠片照相檢測法。超聲波測厚法是在承壓設備的定期檢驗中經(jīng)常使用的方法，標準ZY 2032-2013《燃燒劑儲罐定期檢驗方案》、ZY 2029-2013《氧化劑加注管道定期檢驗方案》都把超聲波測厚作為基本的檢測方法。超聲波測厚時需要拆除設備保溫層，且檢測面積小、效率低，檢測點難以準確地布設在腐蝕位置，即使準確布設在腐蝕部位也難以測出厚度的真實值。這是由于超聲波探頭發(fā)出的檢測信號遇到腐蝕檢測面會發(fā)生散射而無法沿原路反射，從而造成測厚儀無法顯示數(shù)據(jù)或顯示虛假數(shù)據(jù)。由此可見，超聲波測厚只適用于殼體均勻腐蝕部位的測定，而不適用于儲罐殼體點腐蝕和潰瘍狀坑腐蝕的檢測[2]。射線膠片照相檢測時，設備可帶保溫層，但存在檢測成本高、檢測結果誤差較大、寬容度較低、檢測效率低、膠片長期儲存困難和不利于數(shù)字建檔等缺點[3]，不能滿足科研試驗的需求。平板數(shù)字成像檢測(Digital Radiography，DR)系統(tǒng)是將X射線轉(zhuǎn)換成電信號，具有分辨率高、動態(tài)范圍廣、可實時顯示動態(tài)圖像的優(yōu)點。相對于傳統(tǒng)的X射線膠片法，其曝光劑量更小，檢測結果更便于存儲。

1 試驗方案

1.1試驗對象

為保證儀器的穩(wěn)定性和檢測結果的可比性，檢測系統(tǒng)調(diào)試時采用人工缺陷試樣(見圖1)，材料為16MnR鋼，試件相鄰部位人工缺陷尺寸呈規(guī)則數(shù)列變化。

圖1 孔型試件外觀示意

1.2試驗儀器

檢測采用以色列Vidisco生產(chǎn)的平板DR檢測系統(tǒng)，成像板型號為Fox-Rayzor，為非晶硅陣列結構，厚度13 mm，成像區(qū)域尺寸為228.6 mm×215.9 mm，動態(tài)范圍為14 bit(16 384灰度)，分辨率為3.5 lp·mm-1。

1.3試驗步驟

準備好試驗用對比試件，用階梯試件模擬帶狀腐蝕缺陷試件，用孔型試件模擬凹坑腐蝕缺陷試件，用80 mm厚的橡膠海綿模擬保溫層，調(diào)試好數(shù)字檢測成像系統(tǒng)。采用X射線源，對試件進行不帶保溫層、帶保溫層等不同檢測條件的射線透照，控制好透照曝光時間，既要防止曝光時間過長加速成像板老化、影響成像板使用壽命，又要防止曝光時間過短導致透照影像失效。保證曝光時間剛好完全覆蓋數(shù)字檢測系統(tǒng)成像板系統(tǒng)的圖像采集時間。分別記錄各次的檢測情況，最后對試驗結果進行綜合分析。不帶保溫層和帶保溫層的射線源透照試驗結果如圖2所示。

圖2 不帶保溫層和帶保溫層射線源透照試驗結果

1.4試驗結果分析

對階梯和孔型試件，在相同的透照布置和透照焦距條件下進行了數(shù)字射線成像檢測，其中階梯試件檢測結果如表1所示(最大灰度是指人工缺陷影像近中心區(qū)域的灰度測量值)。

對比試驗結果可以發(fā)現(xiàn)：采用X射線源透照所得到的數(shù)字射線影像，像質(zhì)計靈敏度均可達到標準JB/T4730.2—2005《射線檢測》膠片法AB級要求；不帶保溫層與帶保溫層透照試驗相比，不同厚度透照影像相鄰區(qū)域的最大灰度差略大一些，且影像存在更明顯的明暗相間條紋；采用多幀疊加技術后，透照所得到的數(shù)字射線影像灰度均勻性得到改善，不帶保溫層與帶保溫層透照相比，影像清晰度略高一些，檢測靈敏度在部位3較高，其他部位幾乎沒有差異。對比數(shù)字檢測試驗結果表明：通過優(yōu)化透照布置和檢測工藝，采用X射線數(shù)字透照，對帶狀腐蝕缺陷和凹坑腐蝕缺陷均可有效檢出。同傳統(tǒng)射線膠片法不能通過黑度測量實現(xiàn)一定精度的缺陷自身高度檢測一樣，相同尺寸差的人工缺陷影像灰度差異并無線性關系。也就是說，通過灰度來確定沿透照方向腐蝕缺陷自身高度，從而實現(xiàn)定量精度仍然存在一定困難。受對比試件類型和尺寸、人工缺陷種類和規(guī)格、工藝參數(shù)優(yōu)化程度和檢測樣本等因素的限制，還未能得到數(shù)字射線透照對不同形態(tài)腐蝕缺陷(如縫隙腐蝕、針孔腐蝕等)的檢測數(shù)據(jù)。

表1 階梯試件檢測結果

2 檢測案例

2.1轉(zhuǎn)注管道

燃燒劑轉(zhuǎn)注管系由加壓、進液、回流、排空等多條管線組成，其中的一條排空管道規(guī)格(外徑×壁厚)為φ108 mm×5 mm，材料為0Cr18Ni9鋼，采用手工電弧焊安裝，氬弧焊打底，該管道不帶保溫層，工作介質(zhì)呈堿性。為驗證檢測效果，在前期對比試驗的基礎上，對不同管段進行X射線數(shù)字檢測，檢測結果如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)注管系X射線檢測結果

燃燒劑會使轉(zhuǎn)注管道產(chǎn)生腐蝕，且不同管段腐蝕程度差異較大。在排空管道臺段的腐蝕輕微，數(shù)字射線檢測出管道的圖像灰度大致均勻，呈現(xiàn)出均勻的腐蝕形態(tài)。通過超聲波測厚也證實管道使用18年后壁厚僅減少了0.8 mm。排空管道積液段的腐蝕情況較嚴重，數(shù)字射線檢測出管道的圖像灰度不均勻，呈現(xiàn)出危害性極大的坑腐蝕形態(tài)。一般管道壁厚檢測是隨機抽查的，很難捕捉到這些局部腐蝕的危險源。因此，先采用數(shù)字射線檢測進行全段檢測，再對危害性較大的腐蝕缺陷進行定量檢測，對于防止承壓設備定期檢驗過程中的漏檢、錯判具有重要作用。

2.2加注管道

氧化劑加注管系由加壓、進液、排液、回收等多條管線組成，其中的一條排空管道規(guī)格(外徑×壁厚)為φ110 mm×7 mm，材料為FL2，采用手工氬弧焊安裝。該管道帶保溫層，工作介質(zhì)具有較強氧化性，為驗證檢測效果，在前期對比試驗的基礎上，在不同管段進行X射線數(shù)字檢測，檢測結果如圖4所示。

圖4 氧化劑加注管道X射線檢測結果

氧化劑對加注管系會產(chǎn)生較嚴重的腐蝕，且不同管線腐蝕程度差異較大。在進液管道泵壓段的腐蝕較輕，數(shù)字射線檢測管道的圖像灰度大致均勻，呈現(xiàn)的是均勻腐蝕形態(tài)。通過超聲波測厚也證實該管道使用18年后壁厚僅減少了1.6 mm。排液管道積液段的腐蝕十分嚴重，數(shù)字射線檢測管道圖像灰度不均勻，呈現(xiàn)的是危害性極大的潰瘍帶狀腐蝕形態(tài)。加注管道都帶有保溫層，定期檢驗時需要對指定的測厚部位局部除去保溫層。受檢驗人員經(jīng)驗限制，在有限的抽查比例范圍內(nèi)很難檢測出這些嚴重腐蝕的缺陷，因此先用數(shù)字射線對帶保溫層的加注管道進行全段檢測，再對腐蝕缺陷嚴重部位拆除保溫層后進行超聲波測厚復查，對于防止加注管道定期檢驗過程中的漏檢具有重要作用。

通過對數(shù)字成像透照現(xiàn)場應用的情況進行初步分析， X射線源的數(shù)字成像檢測對帶保溫層的承壓設備，特別是介質(zhì)有較強腐蝕性、帶較厚涂層和保溫層設備的凹坑腐蝕和帶狀腐蝕缺陷均有較高的檢出能力，可以在檢測的同時觀察管道表面的腐蝕影像，大大提高了檢測的針對性和有效性。

3 結語

采用X射線數(shù)字成像檢測帶保溫層承壓設備的腐蝕缺陷，具有更強的穿透能力和檢測效率，可檢測承壓設備的范圍也更廣，檢測靈敏度均可達到標準JB/T 4730.2-2005中膠片法AB級的水平，且分辨率更高，滿足標準GB/T 17925-2011《氣瓶對接焊縫X射線數(shù)字成像檢測》的要求。數(shù)字射線檢測影像寬容度大，適合檢測截面變化較大的缺陷(腐蝕)，檢測圖像清晰、缺陷易于識別，可有效檢出壓力管道凹坑腐蝕和帶狀腐蝕等缺陷，檢測速度快(不用大面積拆卸保溫層)。

[1] 俞蓉蓉,蔡志章.地下管道的腐蝕與防護[M].北京：石油工業(yè)出版社, 1987:31-51.

[2] 袁厚明.地下管線檢測技術[M].北京：中國石油出版社，2006:286-289.

[3] 巨西明,蔣中印，蘭川，等.埋弧焊鋼管焊縫DR檢測機理及應用[J].無損檢測，2014,36(10):29-30.

ApplicationofX-rayDigitalRadiographyinTestingofPressurePipelines

GONG Dexing1,2, YAO Li1,2, CHEN Xiaohui1,2, LIU Chunhua1,2, JIANG Hao1,2

(1.China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000,China; 2.Sichuan Association of Special Equipment Inspection NDT Specialized Committee, Chengdu 610000,China)

The special type of fuel pressure equipment in-service was always in hazard condition and corrosion perforation occurs frequently. The leakage of hazardous medium shall cause serious disaster and environment pollution. In this paper, the principle and characteristics of digital radiography and experimental results were introduced， and digital radiographic corrosion imaging technique on the pipeline was researched. Practical applications showed that the method for the special type of fuel of pressure pipeline of large area scanning was a fast way，it was an effective means for the pressure equipment welding defects and corrosion detection.

pressure equipment; X-ray; digital radiography

2017-06-25

鞏德興(1964-),男，高級實驗師，主要從事承壓設備檢驗檢測及相關技術應用研究工作

鞏德興，302680497@qq.com

10.11973/wsjc201711006

TG115.28

A

1000-6656(2017)11-0027-04