管子管板角焊縫射線檢測靈敏度的若干問題

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(1.江蘇中特創(chuàng)業(yè)設(shè)備檢測有限公司, 南京 210000；2.中國石化中原油田普光分公司, 達州 635000)

管子管板角焊縫射線檢測(以下簡稱T-T-RT)技術(shù)是一項特殊的檢測技術(shù)——采用特殊的射線源，特殊的工裝和工藝，對特殊的結(jié)構(gòu)——管子管板角焊縫實施透照，獲得角焊縫的透視圖像，從而檢測出其中的埋藏缺陷(見圖1)。該技術(shù)的應(yīng)用極大地提高了換熱器產(chǎn)品品質(zhì)，使換熱器投用后的意外泄漏率顯著降低，而有利于化工裝置長周期運行；且具有檢測靈敏度高、可靠性好、現(xiàn)場適應(yīng)性好、操作簡便等優(yōu)點，近年來在國內(nèi)的應(yīng)用呈現(xiàn)較快發(fā)展的態(tài)勢。

圖1 管子管板角焊縫射線檢測示意和底片影像示例

在當(dāng)前T-T-RT技術(shù)的應(yīng)用中，檢測靈敏度是一個需要關(guān)注的問題。2015頒布的NB/T 47013.2《承壓設(shè)備無損檢測》附錄A《管子-管板角焊縫射線照相技術(shù)要求》中對不同技術(shù)等級的照相靈敏度(要求識別的孔深)的規(guī)定是：A級0.8 mm；AB級0.5 mm；B級0.3 mm。由于結(jié)構(gòu)原因T-T-RT照相時無法擺放像質(zhì)計，從底片上無法觀測靈敏度是否滿足要求，導(dǎo)致檢測質(zhì)量時常出現(xiàn)失控現(xiàn)象，達不到標(biāo)準(zhǔn)要求，有的底片靈敏度非常低，質(zhì)量差到連焊縫都無法辨認出。

近三年來， T-T-RT的技術(shù)研究取得了較大進展[1]，以往面臨的技術(shù)難題,包括大直徑管頭檢測、強度焊管頭檢測、補償器優(yōu)化設(shè)計，靈敏度影響因素研究、靈敏度鑒定試塊研發(fā)以及缺陷評級等,這些難題均已解決，故有必要用最新的研究成果來改進存在的問題，而其中最緊迫的應(yīng)該是解決T-TRT技術(shù)的靈敏度不足的問題。

1 T-T-RT靈敏度影響因素分析

與常規(guī)射線檢測技術(shù)相比，T-T-RT技術(shù)更復(fù)雜一些[2]，靈敏度影響因素也更多一些，至少包括射線源、補償器、曝光參數(shù)、角焊縫結(jié)構(gòu)、管頭規(guī)格尺寸等，以下分別進行討論。

1.1 射線源的影響

有兩種射線設(shè)備被用作T-T-RT檢測，早期使用的是小焦點Ir192專用射線機，后來發(fā)明了專用棒陽極X射線機。眾所周知，Ir192放射源具有線質(zhì)硬(相當(dāng)于500 kV～600 kV的X射線)且能量無法調(diào)節(jié)，強度隨時間衰減也無法調(diào)節(jié)(新源強度太大曝光量太短難以控制，舊源強度太小曝光時間太長)的缺點，而且對人員健康傷害大，管理難度大、照相對比度低、清晰度差、靈敏度低，所以逐漸被棒陽極X射線取代。實踐證明，棒陽極X射線的照相靈敏度比Ir192放射源的高2～3個等級。

圖2為標(biāo)準(zhǔn)型T-T-RT專用棒陽極X射線管，其棒直徑為12 mm，焦點尺寸為0.5 mm，焦距為40 mm，最高管電壓為130 kV，最大管電流為1.66 mA，適用的管子內(nèi)徑范圍為12.5～55 mm。

圖2 管子管板角焊縫射線檢測專用棒陽極X射線管

1.2 補償器的影響

補償器是T-T-RT技術(shù)應(yīng)用中不可缺少的工裝，其作用是減小透照厚度差，降低散射比，阻擋邊蝕，使底片上檢測區(qū)域的黑度相對均勻。補償器的結(jié)構(gòu)和形狀對照相靈敏度有較大影響，管子直徑、壁厚、角焊縫型式、坡口深度、焦距等都與補償器相關(guān)。不恰當(dāng)?shù)难a償器設(shè)計，以及補償器的不恰當(dāng)使用，均會導(dǎo)致靈敏度大幅度降低。

圖3 焦距、管徑與投射角的關(guān)系

1.3 曝光參數(shù)的影響

棒陽極X射線的T-T-RT曝光參數(shù)包括管電壓、曝光量、焦距、投射角度等。管電壓主要影響底片對比度和檢測區(qū)域的黑度差，曝光量主要影響底片黑度；而焦距和投射角度對靈敏度的影響比較特別：焦距和管徑共同決定投射角度η(見圖3)，焦距趨小或管徑趨大，會導(dǎo)致投射角度變大，底片上影像畸變也變大。不恰當(dāng)?shù)耐渡浣嵌葧绊懙灼诙?進而降低清晰度、對比度、靈敏度和檢測精度(由于影像畸變和放大的影響導(dǎo)致缺陷定量不準(zhǔn))，實際檢測時，所選投射角度η一般不大于40°。

1.4 角焊縫型式和結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

雖然換熱器管子管板角焊縫結(jié)構(gòu)參數(shù)較多，但研究表明，影響T-T-RT靈敏度的主要參數(shù)有4個，分別是管子內(nèi)徑d,壁厚t,坡口深度y,管子伸出管板長度z(見圖4)。這4個參數(shù)的定義見圖4。管子內(nèi)徑d越大，壁厚t越厚，坡口深度y越大，管子伸出管板長度z越長，則檢測所需的X射線管電壓越高，補償器設(shè)計難度越大，達到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的靈敏度的難度也越大。

圖4 管子管板角焊縫型式和結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.5 參數(shù)關(guān)聯(lián)法則

因為T-T-RT的靈敏度影響因素比常規(guī)膠片照相的靈敏度影響因素多，而且這些因素相互關(guān)聯(lián)，一個參數(shù)變化會牽動多個參數(shù)隨之改變，使得檢測工藝參數(shù)選擇和靈敏度控制比較困難。例如：對(直徑×壁厚)φ51 mm×3 mm管子管板角焊縫透照，若其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，僅管子伸出管板長度由0 mm變?yōu)? mm，工藝參數(shù)要做一系列改變：因為管子伸出長度變化導(dǎo)致源-焊縫-膠片的相對位置改變，射線投射角度隨之而變，則補償器需要重新設(shè)計制作，而射線穿透厚度發(fā)生變化，管電壓、曝光量也要重新選擇，拍攝的底片黑度、清晰度、靈敏度也都有變化，這種變化關(guān)系稱為參數(shù)關(guān)聯(lián)法則。通過理論分析和試驗摸清各參數(shù)之間的相互關(guān)系，掌握參數(shù)關(guān)聯(lián)法則，才可能制訂出正確的工藝，使檢測靈敏度達到標(biāo)準(zhǔn)要求，檢測可靠性得到保證。

2 靈敏度鑒定試驗和高仿型靈敏度試塊

2.1 標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于靈敏度鑒定試驗規(guī)定

NB/T 47013.2中附錄A規(guī)定：由于使用像質(zhì)計會增大焊縫到膠片的距離，管子-管板角焊縫正式實施檢測時不要求使用像質(zhì)計。管子-管板角焊縫射線照相的靈敏度由靈敏度鑒定試驗保證。靈敏度鑒定試驗應(yīng)在對管子-管板角焊縫正式實施檢測前進行。

正式產(chǎn)品實施檢測的設(shè)備、工裝、材料和工藝參數(shù)應(yīng)與靈敏度鑒定試驗所用的設(shè)備、工裝、材料和工藝參數(shù)(曝光時間除外)相同，如發(fā)生改變，應(yīng)重新進行射線檢測靈敏度鑒定試驗。但現(xiàn)實情況是：標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于靈敏度鑒定試驗的規(guī)定基本上沒有得到執(zhí)行，致使T-T-RT靈敏度失控嚴(yán)重。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定沒有執(zhí)行的原因可能是：① 不了解T-T-RT技術(shù)工藝復(fù)雜性和試驗的重要性，以為靈敏度鑒定試驗可做可不做；② 靈敏度鑒定試驗會增加成本，需要時間，比較麻煩；③ 標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定鑒定試驗的細節(jié)，沒有給出靈敏度鑒定試塊的樣式，不會做。

改變現(xiàn)狀解決問題的對策是：強調(diào)標(biāo)準(zhǔn)要求，提高質(zhì)量意識，完善標(biāo)準(zhǔn)細節(jié)，解決靈敏度鑒定試塊。

2.2 德國設(shè)計的T-T-RT靈敏度鑒定試塊

常規(guī)射線檢測使用的線型像質(zhì)計和孔型像質(zhì)計均不能用于T-T-RT。作為技術(shù)發(fā)明者，德國拜耳公司和巴斯夫公司曾經(jīng)分別設(shè)計了T-T-RT專用像質(zhì)計和一種管子-管板角焊縫靈敏度鑒定試驗試件組合。

圖5是德國拜耳設(shè)計的T-T-RT專用像質(zhì)計，其優(yōu)點是像質(zhì)計與補償器合一，檢測時將其放在管子里面，既當(dāng)補償器用，又能得到靈敏度指示。這樣雖然省事方便，但其缺點也比較明顯：作為像質(zhì)計，因為人工缺陷位置不在焊縫區(qū)而在管子里面，所顯示的靈敏度與焊縫區(qū)的靈敏度的誤差很大；作為補償器，人工缺陷與補償器結(jié)構(gòu)有矛盾，導(dǎo)致補償效果差，進而影響檢測質(zhì)量。雖然使用該試片無需事先進行試驗，且可以在檢測底片上獲得靈敏度顯示，但NB/T 47013.2附錄A沒有采用。

圖5 德國拜耳公司的T-T-RT專用像質(zhì)計

圖6為德國巴斯夫設(shè)計的一種管子-管板角焊縫靈敏度鑒定試驗試件組合。該試件包括模擬管子-管板和靈敏度試片，靈敏度鑒定試驗必須在檢測前進行。該試件的優(yōu)點是：人工缺陷位于焊縫區(qū)，因此靈敏度顯示比拜耳試片的準(zhǔn)確；補償器結(jié)構(gòu)設(shè)計不受影響。該方案的不足是：只適用于管子與管板齊平的管頭結(jié)構(gòu)，對管子伸出管板的強度焊結(jié)構(gòu)不適用；試片設(shè)計未考慮人工缺陷參數(shù)的多樣性，例如缺陷種類、缺陷在焊縫的深度位置等。

圖6 德國巴斯夫公司的T-T-RT靈敏度鑒定試驗試塊組合

2.3 中國設(shè)計的高仿型靈敏度試塊

中國工程技術(shù)人員2016年提出一種新的T-T-RT靈敏度試塊型式——高仿型模擬試塊。圖7為試塊簡圖(預(yù)制根部缺陷)；圖8為預(yù)制焊縫中部缺陷的試片簡圖；圖9為高仿試塊使用示意；圖10為鑒定試塊的實物照片。

圖7 人工缺陷處于焊縫根部位置的高仿試塊示意

圖8 用“切開法”將人工缺陷制作在焊縫中部

圖9 靈敏度鑒定試塊使用示意

圖10 靈敏度鑒定試塊照片

該試塊具有以下優(yōu)點：

(1) 材料、結(jié)構(gòu)尺寸、外形對T-T-RT的靈敏度有決定性影響，所以高仿試塊強調(diào)在這三個方面，試塊與真實工件必須高度相仿。高仿試塊的靈敏度試驗與真實工件的靈敏度非常接近，誤差極小。

(2) 高仿試塊可以把各種人工缺陷(點狀、線狀、面狀)設(shè)制在焊縫的不同位置，例如焊縫根部(未焊透)、坡口邊緣(未熔合)、焊縫中部(氣孔)等。

圖7預(yù)制的缺陷是根部氣孔和根部未熔合；圖8預(yù)制的是焊縫中部缺陷，只要將試片分作兩片加工(沿圖中黑線切開)，即可在焊縫的任何深度和任何位置預(yù)制缺陷(例如氣孔和坡口未熔合)。

(3) 高仿試塊既適用于密封焊，也適用于強度焊；既適用于小直徑管頭，也適用于大直徑管頭。

(4) 高仿試塊制作無須焊接，可直接用機加工方法完成。

2.4 一種高仿靈敏度鑒定試塊設(shè)計和透照實例

高仿工件的材料為碳鋼，管子規(guī)格(直徑×壁厚)為51 mm×3 mm，坡口深度為3 mm，管子伸出管板長度為5 mm。

制作高仿靈敏度試塊的步驟為：用車床加工底座和試片，尺寸和外形與工件的一致。在試片相應(yīng)位置(見圖7)用電火花加工預(yù)制缺陷4組，其中氣孔2組，裂紋2組。試片厚度=缺陷埋藏深度(表面以下距離)=2 mm，氣孔缺陷尺寸(深度=直徑)分別為0.3，0.5，0.8 mm，裂紋尺寸(寬×深×長)分別為0.3 mm×0.4 mm×4 mm，0.3 mm×0.3 mm×4 mm(橫向)，0.3 mm×0.6 mm×4 mm。

采用多組參數(shù)進行透照試驗，拍攝的底片如圖11所示，可見試塊中12個缺陷全部檢出，0.3 mm的孔清晰可見，靈敏度達到標(biāo)準(zhǔn)B級要求。

圖11 高仿試塊靈敏度鑒定試驗底片

2.5 高仿型試塊的各種用途

高仿型試塊用途不限于靈敏度鑒定，實際上其用途至少包括：① 對所制訂的射線檢測工藝的靈敏度水平進行測量和鑒定;② 確定焊縫投影位置(焊縫根部，坡口邊緣等在底片上的位置);③ 確定缺陷投影位置(根部未焊透，坡口未熔合等缺陷在底片上位置);④ 曝光參數(shù)優(yōu)化(管電壓、曝光量等);⑤ 焦距優(yōu)化;⑥ 補償器優(yōu)化;⑦ 點狀缺陷放大程度測量;⑧ 線性缺陷長度放大程度測量;⑨ 根部未焊透高度測量;⑩ 面積性缺陷(坡口未熔合、裂紋)高度測量。

下面介紹一例利用高仿試塊進行缺陷測高的試驗。圖12為預(yù)制未熔合缺陷的高仿試塊和該試塊的射線底片；表1給出了其試驗數(shù)據(jù)?？梢钥吹剑噳K上槽的高度尺寸和底片上影像的寬度尺寸有很好的對應(yīng)關(guān)系。

圖12 未熔合測高試驗的高仿試塊照片及其射線底片

表1 坡口未熔合缺陷測高的試驗(用影像寬度判斷未熔合高度)數(shù)據(jù)mm

3 結(jié)語

(1) 近三年,中國的T-T-RT技術(shù)研發(fā)取得了巨大進展，技術(shù)、工藝、設(shè)備、缺陷評定等一系列難題均已解決。

(2) 通過對T-T-RT靈敏度影響因素的分析，結(jié)合試驗改進技術(shù)與工藝，能夠有效提高檢測質(zhì)量。

(3) 嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在檢測前進行靈敏度鑒定試驗非常重要。

(4) 高仿型靈敏度試塊不但能夠可靠驗證T-T-RT靈敏度，而且在缺陷尺寸測量等多方面能發(fā)揮作用。