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      管系環(huán)焊縫射線檢測透照次數(shù)計算

      2023-09-18 15:37:58郭大洲張標(biāo)董雪彭綠高徐文濤
      廣東造船 2023年4期

      郭大洲 張標(biāo) 董雪 彭綠高 徐文濤

      摘? ? 要:本文討論了ASME V和CB/T3558兩個標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)條款,并根據(jù)工件規(guī)格及X射線機(jī)曝光曲線,計算出管系環(huán)向?qū)雍缚p符合ASME V標(biāo)準(zhǔn)要求的一次透照長度,為現(xiàn)場實(shí)際操作提供參考,提高射線檢測工作效率。

      關(guān)鍵詞:黑度范圍;有效長度;環(huán)縫檢測

      中圖分類號:U671.8? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

      Calculation of Penetrate Times for Piping

      Weld Radiographic Testing

      GUO Dazhou,? ZHANG Biao,? DONG Xue,? PENG Lvgao,? XU Wentao

      ( CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co., LTD., Guangzhou 511462 )

      Abstract: This paper discusses about the relevant clauses of ASME V and CB/T3558, and use workpiece specifications and X-ray exposure curve to calculate the effective length of circumferential butt weld in accordance with ASME V standard. This parameter can provide reference for the actual operation. The calculation of the maximum effective length can improve the efficiency of X-ray detection.

      Key words: film density range; effective length; circumferential weld test

      1? ? ?前言

      我司承建的某海洋石油鉆井平臺,沖樁管系有大量的環(huán)向?qū)咏宇^環(huán)焊縫需要進(jìn)行100%射線照相檢測。該系統(tǒng)管系焊縫采用氬弧焊,焊縫余高約2 mm,按照產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格書相關(guān)條款要求,管系焊縫的射線檢測需滿足美國ASME鍋爐及壓力容器 V無損檢測的相關(guān)要求。

      ASME V規(guī)范要求通過計算,確定一次透照長度。本文討論ASME V規(guī)范計算管系對接焊縫確定一次透照有效長度的方法,以及對該標(biāo)準(zhǔn)此項(xiàng)要求的理解。

      2? ? 透照方法和一次透照長度

      在管系焊縫射線照相檢測工作中,首先需要確定透照方法。選擇透照方法,需要考慮透照靈敏度、缺陷檢出特點(diǎn)、透照厚度差、橫向裂紋檢出角、一次透照長度、操作方便性、檢測對象及探傷設(shè)備的具體情況。其中,采用單壁透照方法效果最佳,但由于管系直徑較小,很多焊縫無法在管子內(nèi)壁進(jìn)行膠片布置,故一般采用雙壁透照。按照標(biāo)準(zhǔn)要求,一般直徑100 mm以下的管系,環(huán)向?qū)雍缚p采用雙壁雙影法,100 mm以上的管系采用雙壁單影法,最好使用單壁透照。根據(jù)我公司產(chǎn)品特點(diǎn),以規(guī)格為直徑114 mm、壁厚10 mm的管子居多,且無法在管內(nèi)布置膠片,所以主要采用雙壁單影法進(jìn)行透照。

      其次,需要確定一次透照長度才能確定檢測次數(shù)。一次透照長度是指焊縫射線檢測照片一次透照的有效檢驗(yàn)長度[1],對照相質(zhì)量和工作效率同時產(chǎn)生影響。顯然,一次透照長度大可以提高檢測效率,但在大多數(shù)情況下,透照厚度比和橫向裂紋檢出角隨著透照長度的增大而增大,這對射線照相質(zhì)量是不利的。

      按照ASME V規(guī)范要求及實(shí)際情況,我們確定使用雙壁單影法進(jìn)行透照。在確定透照次數(shù)時,根據(jù)ASME V規(guī)范射線檢測的要求,如果孔型像質(zhì)計的本體黑度或線型像質(zhì)計的黑度在規(guī)定的范圍內(nèi),被檢區(qū)的任一處黑度變化與他們相比超出的-15%~30%時,則每個超差區(qū)域或幾個超差區(qū)域應(yīng)另加一個像質(zhì)計并重新拍片[2],所以一次透照長度需要根據(jù)上述要求確定。

      ASME V規(guī)范對一次透照長度的要求,與常規(guī)船舶所使用的《CB/T3558-2011船舶鋼焊縫射線檢測工藝和質(zhì)量分級》的要求不同,后者對雙壁單影法是通過對透照厚度比K值提出限制要求,依次來計算管系焊縫一次透照長度,兩標(biāo)準(zhǔn)的要求差異較大。

      3? ? CB/T3558-2011標(biāo)準(zhǔn)計算方法

      按照CB/T3558-2011標(biāo)準(zhǔn)的B級檢測要求,以直徑114 mm、壁厚10 mm的管對接焊縫為例,射線源在外雙壁單影透照的布置圖,見圖1所示。

      圖1中:S表示射線源;D表示管外徑; O表示管中心;F表示焦距;OE表示管內(nèi)徑 OA;OB表示管外徑;∠α表示射線束與OA相交后形成的圓心角;∠β表示射線束與OA相交后形成的外角;∠θ表示射線束的擴(kuò)散角。

      3.1? ?透照厚度比K

      根據(jù)CB/T3558-2011標(biāo)準(zhǔn),要求B級檢測對于管徑大于100 mm~400 mm的環(huán)向焊接接頭透照厚度比K≤1.2 [3];對焊縫橫向缺陷檢測有更高的要求,可以適當(dāng)減少K值,減少K值會導(dǎo)致透照次數(shù)N增加,故需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

      3.2? 透照次數(shù)N

      已知:管外徑D =114 mm、管壁厚 T = 10 mm、AE=12、 AO=R=57、EO=r=47、焦距 F=700 mm,計算透照次數(shù)N和一次透照有效長度L:

      在⊿AOS中,根據(jù)正弦定理可得:

      在⊿EOA中,根據(jù)余弦定理可得:

      將β 和 θ值代入公式(2)中,得到

      ∠α=∠β+∠θ=34.1°

      將∠α 值代公式(1)中,得到

      由上述計算可知,為確保全檢測需要進(jìn)行6次透照,一次透照有效長度為

      4? ? ASME V規(guī)范計算方法

      引起管焊縫底片黑度變化的原因,主要是管子工件透照截面上不同位置的透照厚度不同,黑度最大的位置為射線束與工件垂直的位置,在底片上由中心向兩側(cè)黑度逐漸下降,按標(biāo)準(zhǔn)要求,單片黑度必須達(dá)到1.8~4.0。

      假設(shè):透照區(qū)黑度最小值為Dmin、像質(zhì)計可見絲號所在位置黑度為DIQI、允許的最大黑度值為Dmax,其在管子的截面上對應(yīng)的位置分別是A、O、B點(diǎn),見表1和圖2所示。

      圖2中:A、O、B點(diǎn),表示射線束與管外徑的焦點(diǎn);

      B點(diǎn)位置因透照厚度最小,為工件中對應(yīng)底片黑度值最大的位置;從B點(diǎn)向兩側(cè)黑度開始下降,假定B點(diǎn)在底片上的黑度為3.0,那么A點(diǎn)在底片上的黑度需要達(dá)到1.96以上才能滿足要求。

      在所設(shè)點(diǎn)的黑度區(qū)間通過計算得到AB點(diǎn)的長度乘以2,就可計算出一次透照長度,從而計算出需要拍片的次數(shù);計算出OB值,就可確定像質(zhì)計擺放的位置。

      4.1 A、O點(diǎn)黑度值對應(yīng)透照厚度計算

      4.1.1曝光曲線修正

      已知B點(diǎn)黑度值Dmax=2.75、透照厚度TB=22 mm,先使用X射線機(jī)曝光曲線(見圖3),實(shí)際焦距為700 mm,膠片與曝光曲線相同為銳珂AA400型膠片,通過查找膠片說明書和特性曲線,可知膠片為非增感型膠片,在特性曲線直線部分的反差系數(shù)(梯度值)為4.7。

      由于曝光曲線制作的黑度為D0=2.5,根據(jù)曝光曲線,電壓在180 kV時透照厚度TB 對應(yīng)的曝光量EB=16.5 mA?min;若使黑度提升至Dmax=3,則需要對曝光量進(jìn)行修正,修正后的曝光量為E修,膠片特性曲線黑度1.5~4.0部分近似為直線部分,則可得到:

      D=GLgE+C? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (7)

      D0=GLgEB+C? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (8)

      Dmax=GLgE修+C? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (9)

      E修=1.28E0=21.08 mA·min

      所以電壓為180 kV時,曝光量為E修=21.08 mA·min,工件上B點(diǎn)黑度達(dá)到3.0。

      4.1.2 A、O點(diǎn)對應(yīng)透照厚度計算

      在曝光曲線上,假設(shè)已知工件上A點(diǎn)厚度TA達(dá)到黑度2.5需要的曝光量為EA,假設(shè)AA400類型的膠片特性曲線上黑度2.5對應(yīng)的曝光量為H2.5,使用電壓200 kV、曝光量E修=19.78 m A?min對工件A點(diǎn)位置進(jìn)行透照,那么相對于透照厚度TA位置黑度達(dá)到2.5的曝光量是E修/EA倍。

      因特性曲線上的曝光量H和實(shí)際曝光量E之間存在一定的倍數(shù)關(guān)系:

      同一電壓下,一般認(rèn)為上試中的k為常數(shù),所以透照厚度T_A位置膠片實(shí)際接受到的曝光量為:

      HA=H2.5×E修/ EA? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (11)

      因膠片特性曲線黑度值與曝光量在一定范圍是線性關(guān)系,將 D=GLgH+C 相關(guān)參數(shù)代入可得:

      查曝光曲線可知,在200 kV電壓下,EA對應(yīng)的TA位置透照厚度值為26.09 mm。也就是說,當(dāng)電壓200 kV、焦距700 mm時,曝光量為21.08? mA·min。進(jìn)行透照時,會得到工件B點(diǎn)(透照厚度TB=22 mm)在底片上對應(yīng)的黑度為3,工件A點(diǎn)(透照厚度TA=26.09 mm)對應(yīng)的黑度為1.96。

      利用上述相同的方式,計算出像質(zhì)計擺放位置對應(yīng)的透照厚度TO=24.66 mm。

      4.2? ?AB、OB長度計算

      由上面的計算知道透照厚度TA=26.09 mm,該工件直徑為D=114 mm、板厚T=10 mm、焊縫余高2 mm,需要計算AB的長度確定一次透照有效長度L。

      圖中F表示射線源; D表示管中心;H、A表示射線束與管外徑的焦點(diǎn);C、G表示射線束與管外徑的焦點(diǎn);E表示為官中心與射線束垂直點(diǎn)。

      如圖4所示:HD=AD=57 mm,GD=DC=47 mm,?HDA、?GDC是等腰三角形,?HDG、?CDA是全等三角形,因此可以得到:

      因 CD=47 mm,DA=57 mm,通過余弦定理可以得到:

      CD2=CA2+AD2-2CA×AD×cos∠CAD

      cos∠CAD=0.863

      ∠CAD=∠FAD=30.37°

      在三角形?FAD,已知FD=700-DB=643 mm,通過正弦定理可以得到:

      4.3? ?驗(yàn)證及應(yīng)用

      4.3.1 驗(yàn)證情況

      按照以上計算,對現(xiàn)場焊縫進(jìn)行透照,通過測量:A點(diǎn)焊縫黑度為2.31,B 點(diǎn)黑度為3.21,0點(diǎn)黑度為2.52,可以滿足標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

      4.3.2 存在誤差分析

      由于按照本文所述的計算步驟較多,任意一個環(huán)節(jié)存在的誤差都會對結(jié)果產(chǎn)生影響,如工件的尺寸誤差、曝光曲線的誤差、人為測量的誤差、顯影條件的變化、透照布置的誤差等,都會造成實(shí)際底片與預(yù)估底片黑度存在誤差,另外散射線對底片的黑度也會造成一定的影響。

      4.3.3 EXCEL計算器

      為了更好的解決實(shí)際操作計算較為繁瑣的問題,將上述計算過程整理到EXCEL表格中,可以實(shí)現(xiàn)自動計算。

      4.4 對黑度范圍的理解

      4.4.1 控制黑度范圍實(shí)際上控制了一次透照范圍

      在同一參數(shù)下,底片上黑度變化實(shí)際上是反映了工件透照厚度的變化,按照本文的工件規(guī)格,0.85DIQI位置對應(yīng)的透照厚度及1.3 DIQI位置對應(yīng)的透照厚度比值為1.205,與CB/T3558-2011對管系環(huán)焊縫透照厚度比的要求基本相近。

      4.4.2 一次透照范圍與射線能量、膠片類型有關(guān)

      對于同一工件,在焦距不變的情況,黑度范圍會隨著射線能力及膠片類型發(fā)生變化,在不考慮散射線的情況可以得到黑度差為ΔD=-0.434μGΔT。當(dāng)X射線機(jī)參數(shù)不變的情況,所需的黑度范圍一定時,膠片梯度增大,透照厚度減少,進(jìn)一步影響有效透照長度減少。但梯度高的底片可以提高對比度,對提高檢測靈敏度有所幫助,在選擇膠片類型時,應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)要求進(jìn)行。

      當(dāng)膠片類型不變的情況,提高射線能量使射線衰減系數(shù)減少,可以增加黑度變化的范圍。但需要注意的是,管電壓過大會造成底片質(zhì)量下降,選擇管電壓參數(shù)應(yīng)不超過標(biāo)準(zhǔn)中允許的最高管電壓要求,以免造成底片清晰度下降,影響檢測結(jié)果。

      暗室處理時間、溫度、活性、攪動,對梯度值也會生產(chǎn)一定的影響,不同的暗室處理?xiàng)l件會使同一工件在相同參數(shù)下得到底片黑度范圍不同,在實(shí)際工作中顯影條件應(yīng)按照藥液的說明書要求進(jìn)行,顯影時間控制在4~6 min、溫度控制在18~20 ℃為宜,顯影張數(shù)達(dá)到一定數(shù)量時注意更換顯影液。

      4.4.3 像質(zhì)計IQI處的黑度對黑度范圍有一定影響

      黑度有效范圍為0.85 D~1.3 DIQI,允許的最大黑度差為 0.45 DIQI ??梢钥闯?,隨著DIQI增加允許的黑度范圍也增加,標(biāo)準(zhǔn)中允許最大的黑度值為4.0,最小黑度為1.8。黑度范圍計算,見表2。

      如上所述,在其他條件不變的情況,當(dāng)Dmax=3.5時,一次透照長度為68 mm,所以適當(dāng)提高底片黑度,有利于擴(kuò)大檢測范圍。

      在射線照相應(yīng)用范圍內(nèi),非增感型膠片梯度G值隨黑度D的增大而增大,所以提高底片的黑度也可以提高對比度,進(jìn)而提高檢測的靈敏度。

      隨著黑度范圍值的增加,透照厚度比也隨之變大,導(dǎo)致評定區(qū)邊緣位置的裂紋類缺陷檢出受到影響。

      5? ? 小結(jié)

      按CB/T358-2011標(biāo)準(zhǔn)計算雙壁單影一次透照有效長度,是通過控制透照厚度比控制透照有效長度;查詢其它標(biāo)準(zhǔn)(如GB/T-3323或NB/T-47013),通過簡單計算可以得出透照次數(shù),結(jié)合起來使用可方便現(xiàn)場檢測。在實(shí)際檢測工作中,需要在工件上放置搭接標(biāo)記,才可以在底片上得到確切的評定區(qū)域。

      按ASME V標(biāo)準(zhǔn)計算雙壁單影一次透照有效長度較為繁瑣,雖然可以通過建立EXCEL表方便計算,但在實(shí)際檢測時操作不夠方便。在實(shí)際檢測過程中,不需要在工件上放置搭接標(biāo)記,可以通過底片自身的深度確定有效評定范圍。

      按本文所述的方法,根據(jù)工件規(guī)格及X射線機(jī)曝光曲線,可以計算出管環(huán)向?qū)雍缚p符合ASME V規(guī)范要求的一次透照長度,雖然計算結(jié)果的準(zhǔn)確性會受到實(shí)際檢測中各環(huán)節(jié)存在誤差的影響,但能夠?yàn)楝F(xiàn)場實(shí)際操作提供參考。后續(xù)工作要繼續(xù)尋求更優(yōu)化的解決方案,在確保檢測質(zhì)量的前提下,提高射線檢測工作效率。

      參考文獻(xiàn)

      [1] 強(qiáng)天鵬. 射線檢測[M].北京:中國勞動社會保障出版社, 2007.

      [2] ASME鍋爐及壓力容器委員會無損檢查委員會. 鍋爐及壓力容器 V無損檢測[S] . 2013.

      [3] CB/T3558-2011船舶鋼焊縫射線檢測工藝和質(zhì)量分級[S] . 中華人民共和國工業(yè)和信息化部, 2011.

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