影響射線照相法檢測(cè)精度的因素分析

雷 鈞

(山西省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030009)

0 引言

射線檢測(cè)是工業(yè)無損檢測(cè)的一個(gè)重要專業(yè)門類，其最主要的應(yīng)用是探測(cè)試件內(nèi)部的宏觀幾何缺陷(探傷)。按照不同特征如使用的射線種類、記錄的器材、工藝和技術(shù)特點(diǎn)等可將射線檢測(cè)分為射線照相檢測(cè)法、射線實(shí)時(shí)成像法、射線層折檢測(cè)法。其中射線照相法是指用X射線或γ射線穿透試件，以膠片作為記錄信息器材的無損檢測(cè)方法，該方法是一種應(yīng)用最廣泛的最基本的射線檢測(cè)方法。射線照相法在鍋爐、壓力容器的制造檢驗(yàn)和在用檢驗(yàn)中得到了廣泛的應(yīng)用,其檢測(cè)對(duì)象為各種熔化焊接方法(電弧焊、氣體保護(hù)焊、電渣焊、氣焊等)的對(duì)接接頭，也能檢查鑄鋼件,在特殊情況下也可用于檢測(cè)角焊縫或其他一些特殊結(jié)構(gòu)試件;一般不適宜于鋼板、鋼管、鍛件的檢測(cè),也較少用于釬焊、摩擦焊等焊接方法的接頭檢測(cè)。

射線照相法用底片作為記錄介質(zhì),可以直接得到缺陷的直觀圖像，通過觀察底片能夠比較準(zhǔn)確地判斷出缺陷的性質(zhì)、數(shù)量、尺寸和位置，且可以長(zhǎng)期保存。射線照相法很容易檢出那些形成局部厚度差的缺陷,對(duì)氣孔和夾渣類缺陷具有很高的檢出率,對(duì)于裂紋類缺陷由于受到透照角度的影響，從而檢出率不是很高；不能檢出垂直照射方向的薄層缺陷，例如鋼板的分層。射線照相法所能檢出的缺陷高度尺寸與透照厚度有關(guān)，可以達(dá)到透照厚度的1%，甚至更小,所能檢出的長(zhǎng)度和寬度尺寸分別為毫米數(shù)量級(jí)和亞毫米數(shù)量級(jí)，甚至更小。

射線照相法幾乎適用于所有的材料，在鋼、鈦、銅、鋁等金屬材料上使用均能得到良好的檢測(cè)效果，該方法對(duì)試件的形狀、表面粗糙度沒有嚴(yán)格要求,材料晶粒度對(duì)其不產(chǎn)生影響。但影響射線照相法檢測(cè)精度的因素很多,本文結(jié)合多年的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 射線照相法的檢測(cè)原理

X射線和γ射線都是波長(zhǎng)極短的電磁波，從現(xiàn)代物理學(xué)波粒二象性的觀點(diǎn)看，也可將其視為一種能量極高的光子束流。X射線和γ射線通過物質(zhì)時(shí)其強(qiáng)度逐漸減弱，射線強(qiáng)度的衰弱可表示為：

I=I0e-μT.

(1)

其中：I為通過物體后的射線強(qiáng)度；I0為未通過物體前的射線強(qiáng)度；μ為物質(zhì)的衰減系數(shù)；T為物體的厚度。

物質(zhì)的衰減系數(shù)隨射線的種類和線質(zhì)的變化而變化，也隨穿透物質(zhì)的種類和密度而變化。對(duì)X射線和γ射線來說，若穿透物質(zhì)相同，則波長(zhǎng)越短μ就越??；若波長(zhǎng)相同，則穿透物質(zhì)的原子序數(shù)越小μ就越小，物質(zhì)密度越小μ也越小。顯然，μ值越小，即意味著射線穿透該物質(zhì)越容易。

射線還有一個(gè)重要性質(zhì)，就是能使膠片感光。當(dāng)X射線或γ射線照射膠片時(shí)，與普通光線一樣，能使膠片乳劑層中的鹵化銀產(chǎn)生潛象中心，經(jīng)過顯影和定影后就黑化，接收射線越多的部位黑化程度越高，這個(gè)作用叫做射線的照相作用。因?yàn)閄射線或γ射線使鹵化銀感光作用比普通光線小得多，所以必須使用特殊的膠片，這種膠片的兩面都涂敷了較厚的乳膠。此外，還使用一種能加強(qiáng)感光作用的增感屏，其通常由鉛箔做成。

了解了射線穿過物質(zhì)的衰減作用和照相作用后，就不難理解射線照相法的檢測(cè)原理了，材料中如有缺陷存在會(huì)影響射線的吸收，使透過的射線強(qiáng)度發(fā)生變化，用膠片可測(cè)量出這一變化。如圖1所示，厚度為T的物體中有厚度為ΔT的缺陷時(shí)，射線穿透無缺陷部位時(shí)射線強(qiáng)度為I,曝光得到的底片黑度為D；而射線穿透有缺陷部位時(shí)射線強(qiáng)度為I+ΔI(ΔI為射線穿透有缺陷部位的強(qiáng)度)，曝光得到的底片黑度為D+ΔD(ΔD為射線照相對(duì)比度)。將曝過光的膠片在暗室中經(jīng)過顯影、定影、水洗和干燥，再將底片放在觀片燈上觀察，根據(jù)底片上的黑度變化所形成的圖像就可判斷出有無缺陷，以及缺陷的種類、數(shù)量、大小等，這就是射線照相法的原理。

圖1 射線照相法檢測(cè)原理

2 影響射線照相法檢測(cè)精度的因素

影響射線照相法檢測(cè)精度的因素有很多，主要包括：照相的操作、照相規(guī)范的確定、像質(zhì)計(jì)(透度計(jì))的應(yīng)用、底片的評(píng)定。

2.1 照相的操作

照相的操作步驟如下：首先把被檢的物體安放在離X射線裝置或γ射線裝置50 cm到1 m的位置處，將膠片盒緊貼在被檢物體的背后，讓射線照射適當(dāng)?shù)臅r(shí)間(幾分鐘至幾十分鐘)進(jìn)行曝光；然后將曝光后的膠片在暗室中進(jìn)行顯影、定影、水洗和干燥；隨后將干燥的底片放在觀片燈的顯示屏上觀察,根據(jù)底片的黑度和圖像來判斷存在缺陷的種類、大小和數(shù)量；最后按通行的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)缺陷進(jìn)行評(píng)定和分級(jí)。

2.2 照相規(guī)范的確定

要得到一張清晰的高質(zhì)量的射線照相底片，必須確定照相規(guī)范，使小缺陷能夠在底片上盡可能明顯地辨別出來，即照相要達(dá)到髙靈敏度。為得到高的缺陷檢出率，照相規(guī)范的確定應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)原則：

2.2.1 透照方式的選擇

按射線源、工件和膠片之間的相互位置關(guān)系，透照方式分為縱縫透照法、環(huán)縫外透法、環(huán)縫內(nèi)透法、雙壁單影法和雙壁雙影法五種，如圖2所示。其中環(huán)縫外透法和環(huán)縫內(nèi)透法是最常用的透照方法,雙壁雙影法只適用于Φ100 mm以下管子的對(duì)接環(huán)焊縫,除了管道和無法進(jìn)入內(nèi)部的小直徑容器只能采用雙壁雙影法透照外，大多數(shù)容器殼體的焊縫照相都釆用雙壁單影法透照，透照時(shí)既可以將射線源放在外面而膠片貼在內(nèi)壁,稱為外透法,也可以將射線源放在里面而膠片貼在外面，稱為內(nèi)透法,內(nèi)透法按射線源在不在圓心,又分為中心法和偏心法。外透法的優(yōu)點(diǎn)是操作比較方便，內(nèi)透法的優(yōu)點(diǎn)是透照厚度差小，在滿足透照厚度比K值的情況下，一次透照長(zhǎng)度較大。選擇透照方式時(shí)，應(yīng)綜合考慮各方面的因素，包括透照靈敏度、缺陷檢出的特點(diǎn)、透照厚度差和橫向裂紋檢出角、一次透照長(zhǎng)度、操作方便性、試件及設(shè)備的具體情況。

圖2 焊縫透照方式示意圖

2.2.2K值的控制

物體的厚度T與射線透照厚度T′的比值稱為透照厚度比，用K值表示，即:

K=T′/T.

(2)

焊縫透照厚度比示意圖如圖3所示。標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013.2—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè)第2部分:射線檢測(cè)》規(guī)定：鍋爐壓力容器、壓力管道焊縫射線照相，縱縫的K值不得大于1.03,環(huán)縫的K值不得大于1.1。限制K值，也就間接控制了橫向裂紋檢出角θ(θ=arc cos(I/K))，使之不致過大,過大的θ有可能導(dǎo)致橫向裂紋漏檢。采用射線源在內(nèi)的透照方式，其選用的θ比射線源在外方式小得多，尤其是射線源在中心的內(nèi)透法，K值取1、θ取0是最佳透照方式。

圖3 焊縫透照厚度比示意圖

2.2.3 射線源的選擇

選擇射線源的首要因素是射線源發(fā)出的射線對(duì)被檢物體具有足夠的穿透力。對(duì)X射線來說，穿透力取決于管電壓，管電壓越高則射線的質(zhì)越硬，在物體中的衰減系數(shù)越小，穿透力越大。對(duì)γ射線來說，穿透力取決于放射源的種類,由于放射性同位素發(fā)出的射線能量不可改變,用高能量射線透照厚度較小的物體時(shí)會(huì)出現(xiàn)靈敏度下降的情況,因此需要規(guī)定透照厚度的上限和下限。

選擇射線源時(shí)，還需注意X射線和γ射線的照相靈敏度差異，實(shí)驗(yàn)表明：在鋼板的厚度≤40 mm情況下，用Irl92γ射線透照所得射線底片的對(duì)比度不如X射線底片，以25 mm厚鋼板為例,前者的對(duì)比度大約比后者要低40%。對(duì)比度自然影響到了像質(zhì)計(jì)的靈敏度,因此，40 mm以下厚鋼板用Irl92γ射線透照所得像質(zhì)計(jì)靈敏度不如X射線所得像質(zhì)計(jì)靈敏度，但對(duì)40 mm以上厚鋼板，則兩者的像質(zhì)計(jì)靈敏度值大致相同。

除了穿透力和靈敏度外，X射線和γ射線的其他特點(diǎn)也是需要考慮的因素。

2.2.4 透照距離的選擇

射線源到膠片的距離稱為焦距F，其對(duì)射線照相靈敏度的影響主要表現(xiàn)在幾何不清晰度Ug上，由Ug=dfT′/(F-T′)(其中,df為射線源的直徑)可知,F越大，Ug越小，底片上的影像越清晰。從減小Ug這一點(diǎn)上來看，選擇較小的df可得到與增大F相同的效果，因此在實(shí)際的透照中選擇F的同時(shí)需要考慮df。

焦距F的選擇有時(shí)還與試件的幾何形狀以及透照方式有關(guān)，如為了得到較大的一次透照長(zhǎng)度和較小的橫向裂紋檢出角，在采用雙壁單影法透照環(huán)縫時(shí)往往選擇較小的F；而采用環(huán)縫中心內(nèi)透法時(shí)，F(xiàn)就是筒體的外半徑。

實(shí)際透照時(shí)一般不采用設(shè)備的最小焦距值，所用的F比最小焦距值要大得多，這是因?yàn)橥刚請(qǐng)龅拇笮∨c焦距相關(guān)，焦距增大后勻強(qiáng)透照?qǐng)龇秶龃?，這樣可以得到較大的有效透照長(zhǎng)度，同時(shí)影像清晰度也得到進(jìn)一步提高。但是由于射線強(qiáng)度I與焦距F的平方成反比，因此不能把焦距選得過大，不然透照時(shí)射線強(qiáng)度不夠。焦距應(yīng)在滿足幾何清晰度要求的前提下合理選擇，一般焦距選擇在600 mm～800 mm之間最為合適。

2.2.5 曝光量的選擇

射線強(qiáng)度I與曝光時(shí)間t的乘積稱為曝光量E，即：

E=It.

(3)

曝光量是射線透照工藝中的一項(xiàng)重要參數(shù)，曝光量的大小應(yīng)能保證足夠的底片黑度。在透照時(shí)，如果其他各項(xiàng)條件(試件及尺寸、射線源或管電壓、膠片和增感屏、焦距等)已確定，則底片黑度與曝光量有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此可以通過改變曝光量來控制底片黑度。

曝光量不只影響底片黑度，也影響底片的對(duì)比度、顆粒度以及信噪比，從而影響底片上記錄的最小細(xì)節(jié)尺寸。為保證底片的質(zhì)量，曝光量應(yīng)不低于某一最小值，推薦使用的曝光量如下：高靈敏度選擇30 mA·min，中等靈敏度選擇20 mA·min，一般靈敏度選擇15 mA·min。

2.2.6 膠片和增感屏的選擇及底片黑度的控制

通常照相時(shí)是將厚度為0.03 mm～0.2 mm的鉛箔增感屏與非增感型膠片一起使用，鉛箔吸收射線而放出二次電子，這種電子易使膠片感光，因此使用鉛箔時(shí)感光度可提高2倍～5倍。而且由于鉛箔吸收散亂射線，能使散射比n減小，從而提高底片的對(duì)比度。

非增感型膠片有多種，低感光度的膠片有較大的膠片梯度G，而且粒度細(xì)，其底片對(duì)比度也大。底片黑度D一般規(guī)定為1.5～4.0，黑度D值增大，膠片梯度G值也增大，因此，一般來說，應(yīng)使底片黑度D大些，但黑度大于4.0觀片燈有時(shí)就不容易看清了，所以底片黑度也不宜太大。為此，除了選擇質(zhì)量好的細(xì)顆粒膠片外，還要取得好的射線照相對(duì)比度和清晰度。

(1) 射線照相對(duì)比度是指射線底片上有缺陷部分與無缺陷部分的黑度差，用ΔD表示，即：

ΔD=D1-D2=0.434μGΔT/(1+n).

(4)

其中：D1為底片上有缺陷部分黑度；D2為底片上無缺陷部分黑度。

從式(4)可以看出：如果所選擇的透照規(guī)范μ值和G值大，n值小，則得到的缺陷圖像對(duì)比度就高。

(2) 射線照相清晰度是指底片上圖像的清晰程度，它主要由兩部分組成，即固有不清晰度Ui和幾何不清晰度Ug。Ui與射線能量有關(guān)，能量越高，Ui越大。Ug的產(chǎn)生是因?yàn)樯渚€源具有一定尺寸，不是一個(gè)點(diǎn)，因此在缺陷的圖像周圍就會(huì)產(chǎn)生半影，當(dāng)缺陷橫向尺寸遠(yuǎn)小于焦點(diǎn)時(shí)，缺陷圖像就會(huì)淹沒于半影中，缺陷就難以看清了。缺陷的最大半影尺寸稱為缺陷的幾何不清晰度Ug，表示為：

(5)

其中:b為工件表面到膠片的距離。

從式(5)可以看出：焦距F越大，半影越小；df越小，半影越??；b越小，半影越小。即工件越薄，膠片貼得越緊,清晰度越好，射線源越小，焦距越大，清晰度越好。

2.3 像質(zhì)計(jì)(透度計(jì))的應(yīng)用

為了評(píng)定底片的靈敏度，需要采用像質(zhì)計(jì)，像質(zhì)計(jì)是用來檢查透照技術(shù)和膠片處理質(zhì)量的，衡量該質(zhì)量的數(shù)值稱為像質(zhì)指數(shù)，它等于底片上能識(shí)別出的最細(xì)鋼絲線的編號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013.2—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè)第2部分:射線檢測(cè)》規(guī)定：使用粗細(xì)不同的幾根金屬絲等距離排列做成的線型像質(zhì)計(jì)，用底片上必須顯示的最小鋼絲直徑與相應(yīng)的像質(zhì)指數(shù)來表示照相的靈敏度。所謂射線照相的靈敏度是射線照相能發(fā)現(xiàn)最小缺陷的能力，其分為絕對(duì)靈敏度和相對(duì)靈敏度。絕對(duì)靈敏度是指射線透照某工件時(shí)能發(fā)現(xiàn)最小缺陷的尺寸，相對(duì)靈敏度是指透照方向上所能發(fā)現(xiàn)缺陷的最小厚度尺寸ΔT與該處的穿透厚度T′的百分比。目前標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的像質(zhì)指數(shù)換算成相對(duì)靈敏度其值大約在1%～2%之間。

2.4 底片評(píng)定

底片評(píng)定是射線照相的最后一道工序，也是最重要的一道工序。通過觀片燈觀察底片，首先應(yīng)評(píng)定底片本身質(zhì)量是否合格，在底片合格的前提下，再對(duì)底片上的缺陷進(jìn)行定性、定量和定位，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)評(píng)出工件質(zhì)量等級(jí)，寫出探傷報(bào)告。

對(duì)底片的質(zhì)量要求包括：

(1) 底片的黑度應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)，影像清晰，反差適中，靈敏度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，即能識(shí)別規(guī)定的像質(zhì)指數(shù)?，F(xiàn)行的射線檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中，底片黑度下限一般規(guī)定為1.5～2.0,上限一般為4.0～4.5。

(2) 標(biāo)記齊全，擺放正確。必須擺放的標(biāo)記有設(shè)備號(hào)、焊縫號(hào)、底片號(hào)、中心標(biāo)記和邊緣標(biāo)記等，標(biāo)記應(yīng)距焊縫邊緣5 mm。

(3) 評(píng)定區(qū)內(nèi)無影響評(píng)定的偽缺陷，即劃傷、水跡、折痕、壓痕、靜電感光、顯影斑紋、霉點(diǎn)等。

3 結(jié)語

射線照相法在鍋爐、壓力容器的制造檢驗(yàn)和在用檢驗(yàn)中得到了廣泛的應(yīng)用,其用底片作為記錄介質(zhì),由于底片上記錄的信息十分豐富，通過觀察底片能夠比較準(zhǔn)確地判斷出缺陷的性質(zhì)、數(shù)量、尺寸和位置，且底片可以長(zhǎng)期保存，具有可追溯性，從而射線照相法成為各種無損檢測(cè)方法中記錄最真實(shí)、最直觀、最全面、可追溯性最好的檢測(cè)方法。但射線對(duì)人體有傷害,檢測(cè)人員需要采取防護(hù)措施。