核電站大直徑厚壁對(duì)接環(huán)焊縫射線檢測靈敏度的影響因素

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(1.中廣核檢測技術(shù)有限公司，蘇州 215021；2．廣西防城港核電有限公司，防城港 538003)

核電站反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、主泵、穩(wěn)壓器以及主管道等部件均存在大直徑厚壁對(duì)接環(huán)焊縫(管道的直徑不小于325 mm，壁厚不小于40 mm)。在這些部件的制造、安裝和在役檢查階段，對(duì)此類環(huán)焊縫進(jìn)行射線檢測是必不可少的檢測環(huán)節(jié)。環(huán)焊縫的射線檢測底片上偶爾會(huì)出現(xiàn)模糊的影像顯示，評(píng)片人員無法對(duì)這些影像進(jìn)行合理的解釋，這給底片的評(píng)定帶來了困擾。筆者通過CIVA軟件模擬和試塊透照，得出了大直徑厚壁環(huán)焊縫射線檢測靈敏度的影響因素，以優(yōu)化大直徑厚壁工件射線檢測的工藝參數(shù)[1]。

1 射線檢測靈敏度的影響因素

隨著工件厚度的增加，影響射線檢測顯示的因素也在增多。

為了穿透厚度更大的工件，就需要選用能量更高的射線來進(jìn)行檢測，即使用線質(zhì)硬的射線源。射線照相的對(duì)比度公式如式(1)所示[2]。

ΔD=0.434GμΔT/(1+n)

(1)

式中:ΔD為對(duì)比度；G為膠片梯度；μ為線衰減系數(shù)；ΔT為缺陷在透照方向上的尺寸；n為散射比。

由式(1)可知，射線線質(zhì)越硬，對(duì)比度就越低；同時(shí)在射線能量一定的條件下，散射比隨工件厚度的增加而增大，工件厚度越大，散射比越大，射線照相的對(duì)比度就越低。

射線照相的幾何不清晰度公式如式(2)所示[1]。

Ug=df×b/(F-b)

(2)

式中：df為焦點(diǎn)尺寸；F為焦點(diǎn)至膠片的距離；b為缺陷至膠片的距離。

由式(2)可知，隨著工件厚度的增大，在其他幾何條件不變的情況下，幾何不清晰度與缺陷至膠片的距離成正比；同時(shí)固有不清晰度隨射線能量的增大而增大。在顆粒度方面，射線能量提高后底片顆粒度也相應(yīng)增大。另外，幾何因素對(duì)小缺陷影像對(duì)比度的影響巨大，其影響因素包括焦點(diǎn)尺寸、焦點(diǎn)到缺陷的距離、缺陷到膠片的距離、缺陷截面形狀和缺陷寬度。

以核電廠主管道射線檢測為例，根據(jù)RCC-M(2000+2002補(bǔ)遺)《法國壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》制定檢測工藝，透照方式選擇中心透照，射線源選擇Ir192，膠片、膠片對(duì)比度、工件材料、線衰減系數(shù)一定，采取一定的散射線屏蔽措施。影響照相對(duì)比度的主要因素為ΔT，即缺陷在射線束方向上的大小，這就與射線的透照方向有關(guān)。試件中小缺陷的幾何尺寸較小，影響其檢出率的主要因素是射線的透照角度和透照的幾何條件，對(duì)于厚度較大工件中的小缺陷的檢出更加困難。在不同方向上形成的厚度差可能不同，對(duì)方向性強(qiáng)的面積型缺陷，如裂紋、未熔合等，其透照方向與ΔT的關(guān)系特別明顯。

筆者以核電站主管道作為試驗(yàn)對(duì)象，采用CIVA仿真軟件模擬法、試塊透照法以及CIVA軟件和試塊透照綜合法對(duì)缺陷自身高度、缺陷寬度、射線源焦點(diǎn)尺寸、缺陷深度、射線源角度和射線源位置等進(jìn)行重點(diǎn)分析。由于CIVA仿真軟件在射線工藝模擬(幾何條件調(diào)整、源尺寸等)上較試塊透照法具有較大優(yōu)勢，因此筆者以CIVA仿真軟件模擬法為主，試塊透照法為輔進(jìn)行研究[3]。

2 CIVA仿真軟件模擬法

2.1 CIVA仿真軟件模擬參數(shù)設(shè)置

CIVA軟件上可模擬的變量參數(shù)有工件尺寸、工件材料、射線源類型、源焦點(diǎn)尺寸、射線源能量、膠片類型、濾光板厚度、射線源位置、膠片位置、缺陷尺寸(長度、寬度、自身高度)、缺陷位置、缺陷類型等， CIVA軟件平臺(tái)界面如圖1所示。

圖1 CIVA軟件平臺(tái)界面

針對(duì)已確定的CIVA軟件，可模擬變量參數(shù)，采取單變量評(píng)估法和多變量評(píng)估法[4]，CIVA仿真軟件缺陷設(shè)置示意如圖2所示。

圖2 CIVA仿真軟件缺陷設(shè)置示意

2.2 單變量評(píng)估法

通過對(duì)比射線檢測的工藝，輸入與現(xiàn)場檢測一致的參數(shù)，如外徑、壁厚、放射源類型及尺寸、膠片類型、缺陷尺寸等，其他工藝參數(shù)設(shè)為定量。CIVA軟件的模擬參數(shù)設(shè)置如下：工件規(guī)格(外徑×壁厚)為φ917.6 mm×90.9 mm；工件材料為鐵素體；源種類為Ir192；膠片類型為ADFA D3；缺陷尺寸(長×寬×高)為16 mm×0.5 mm×4 mm；缺陷位置為距外表面5 mm(可調(diào))，沿工件周向布置；透照方式為中心透照；濾光板厚度為2.0 mm；膠片位置為外側(cè)；缺陷類型為條形(槽形)。

(1) 變量為放射源尺寸

以放射源尺寸為單一變量，改變射線源焦點(diǎn)尺寸，軟件模擬影像如圖3所示。由圖3可知，缺陷均可見，且底片影像未發(fā)現(xiàn)明顯變化。

圖3 不同射線源焦點(diǎn)尺寸的軟件模擬影像

圖4 不同放射源位置的軟件模擬影像

(2) 變量為放射源位置

以放射源位置為變量，其他參數(shù)設(shè)為定量，不同放射源位置偏差的軟件模擬影像如圖4所示。由圖4可知，缺陷均可見，源位置從0 mm偏移至5 mm，底片影像未發(fā)現(xiàn)明顯變化。

(3) 變量為缺陷深度

以缺陷在試塊中的深度為變量，其他參數(shù)設(shè)為定量，不同缺陷深度的軟件模擬影像如圖5所示。由圖5可知，缺陷均可見，且缺陷距膠片距離越近，缺陷底片影像越清晰。

圖5 不同缺陷深度的軟件模擬影像

(4) 變量為缺陷寬度

以缺陷的寬度為變量，其他參數(shù)設(shè)為定量，不同缺陷寬度的軟件模擬影像如圖6所示。由圖6可知，缺陷寬度在0.5～2 mm范圍內(nèi)，底片影像可發(fā)現(xiàn)明顯變化，底片影像寬度隨缺陷寬度的增加相應(yīng)增加。

圖6 不同缺陷寬度的軟件模擬影像

(5) 變量為缺陷自身高度

以缺陷自身高度為變量，其他參數(shù)設(shè)為定量，不同缺陷自身高度的軟件模擬影像如圖7所示。由圖7可知，缺陷自身高度在0.5～4 mm范圍內(nèi)，底片影像可發(fā)現(xiàn)明顯變化，底片影像黑度隨缺陷自身高度的增加相應(yīng)增加，缺陷自身高度越大，底片影像越清晰；缺陷自身高度在0.5 mm時(shí)，缺陷在底片上的影像隱約可見。

圖7 不同缺陷自身高度的軟件模擬影像

2.3 多變量評(píng)估法

將缺陷位置、源尺寸、源位置均設(shè)為變量，設(shè)置其他參數(shù)為定量，軟件模擬結(jié)果如圖8所示。根據(jù)圖8可知：缺陷距膠片距離為5 mm，源焦點(diǎn)尺寸為φ3.81 mm×4.47 mm，源偏移3 mm時(shí)的缺陷影像最清晰；缺陷距膠片90 mm，源焦點(diǎn)尺寸為φ5 mm×5 mm，源偏移5 mm時(shí)的缺陷影像明顯放大，輪廓模糊。

圖8 不同缺陷位置、源尺寸、源位置的軟件模擬影像

圖9 接近臨界狀態(tài)的模擬影像

2.4 接近臨界狀態(tài)的模擬

以放射源尺寸、放射源位置、缺陷在試件中的深度、缺陷自身高度和開口寬度為單變量評(píng)估以及多變量綜合評(píng)估等得到大量模擬結(jié)果，再通過優(yōu)化分析篩選，以源位置偏移、缺陷自身高度和寬度為變量，對(duì)缺陷在底片上顯示的接近臨界狀態(tài)進(jìn)行多變量模擬，模擬影像如圖9所示。

由圖9可知，在缺陷自身高度為1.5 mm，源位置偏移5 mm的情況下，缺陷開口寬度從0.5 mm下降到0.4 mm的過程中，缺陷影像從可見狀態(tài)變?yōu)樵诘灼袩o法分辨的不可見狀態(tài)；當(dāng)缺陷自身高度為1 mm，缺陷開口寬度為0.5 mm，源位置偏移量從0 mm到5 mm的過程中，缺陷影像從可見狀態(tài)變?yōu)樵诘灼袩o法分辨的不可見狀態(tài)，該轉(zhuǎn)變過程較為明顯，基本能體現(xiàn)出缺陷影像的臨界狀態(tài)，同時(shí)也說明缺陷自身高度、開口寬度和源位置的偏移可以模擬出臨界狀態(tài)的最主要因素。

3 試塊透照法

模擬試塊坡口結(jié)構(gòu)示意[5]如圖10所示，規(guī)格為φ914 mm×88.5 mm(外徑×壁厚)，選取長度L=14 mm的條形缺陷顯示。設(shè)備、器材、耗材選取和檢測工藝均與現(xiàn)場一致。放射源為Ir192；源焦點(diǎn)尺寸為φ3 mm×2 mm；像質(zhì)計(jì)為EN462-2 H9；膠片為AGFA D3；增感屏Pb前屏厚度為0.2 mm，兩張厚度為0.1 mm的中屏，后屏厚度為0.2 mm；濾光板厚度為Pb 2.0 mm。

圖10 模擬試塊坡口結(jié)構(gòu)示意

改變放射源位置和角度，對(duì)試塊進(jìn)行透照，不同軸向位置偏差的缺陷影像(均清晰可見)如圖11所示，不同源角度的缺陷影像(均清晰可見)如圖12所示，試塊透照多變量底片影像(均清晰可見)如圖13所示。

圖11 不同軸向位置偏差的缺陷影像

圖12 不同源角度的缺陷影像

圖13 試塊透照多變量底片影像

由圖11～13的底片缺陷影像可知，放射源位置的偏移對(duì)底片上缺陷顯示清晰度的影響最明顯，源角度的變化(實(shí)際影響源的有效焦點(diǎn)尺寸)對(duì)底片上的缺陷顯示無明顯影響。由于試塊內(nèi)缺陷類型(缺陷自身高度、開口寬度及在試塊中的位置)有限，試塊透照顯示的結(jié)果有限。

4 CIVA軟件模擬和試塊透照綜合法

使用CIVA軟件對(duì)選取的試塊缺陷采用相同的工藝參數(shù)進(jìn)行模擬，并將模擬結(jié)果與試塊透照結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(見表1)。

由表1可知，源沿軸線偏移1 mm，源焦點(diǎn)尺寸為φ3 mm×2 mm，源角度位置偏移10°時(shí)，CIVA軟件模擬法和試塊透照法對(duì)底片L=14 mm的缺陷均可顯示；源軸線偏移5 mm，源焦點(diǎn)尺寸為φ3 mm×2 mm，源角度位置偏移30°時(shí)，CIVA軟件模擬法和試塊透照法均可顯示缺陷。兩種組合參數(shù)的情況下，軟件模擬底片上未發(fā)現(xiàn)明顯變化，試塊透照的底片中，源偏移5 mm的底片缺陷比較清晰，偏移1 mm時(shí)的底片缺陷較模糊，表明源位置的偏移對(duì)底片缺陷顯示有明顯影響。

表1CIVA軟件模擬和試塊透照結(jié)果

5 結(jié)論

(1) 缺陷深度在5～90 mm范圍變化時(shí)，缺陷位置離膠片距離越近，缺陷顯示越清晰。

(2) 缺陷寬度在0.5～2 mm范圍變化時(shí)，底片影像寬度隨缺陷寬度的增加相應(yīng)增加。

(3) 缺陷自身高度在0.5～4 mm范圍時(shí)，底片影像發(fā)現(xiàn)有明顯變化，底片影像黑度隨缺陷自身高度的增加相應(yīng)增加。

(4) 接近臨界狀態(tài)的模擬中，通過改變?nèi)毕葑陨砀叨群驮磁c缺陷的相對(duì)位置，可模擬出缺陷影像由可見到不可見的臨界狀態(tài)，同時(shí)也說明通過缺陷自身高度、開口寬度和源位置的偏移可模擬出臨界狀態(tài)的最主要因素。

(5) 試塊透照法放射源源頭角度(源有效焦點(diǎn)尺寸)在試驗(yàn)所在范圍(0°，10°，30°)內(nèi)，底片影像未發(fā)現(xiàn)明顯變化。

(6) 試塊透照法放射源位置偏移(入射角度)在試驗(yàn)范圍(0～5 mm)內(nèi)，射線束與缺陷的相對(duì)位置對(duì)底片缺陷顯示的影響較明顯，說明方向性較強(qiáng)的缺陷對(duì)射線源位置變化引起的射線入射角度變化較敏感。

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