压力容器无损检测—射线检测技术

摘 要:概述压力容器普通接头和特殊接头的一些特殊射线检测(RT) 工艺,特别是换热器管 2 板 焊缝和容器管座焊缝等难度较高的 RT 工艺。

指出兆伏级 X 射线照相的特点和注意点以及射线实时 成像法的要点和难点,沧州欧谱并评述数字射线照相法的应用现状和发展前景。

关键词:射线检验;压力容器;T 形焊缝;角焊缝;管

2 板焊缝;管座焊缝;实时成像;数字射线照相 中图分类号:TG115. 28

文献标识码:A 文章编号:100026656 (2004) 0320132207 NONDESTRUCTIVE INSPECTION OF PRESSURE VESSELS : RADIOGRAPHIC TECHNIQUE( Ⅱ) LI Yan (Wuxi Huaguang Boiler Co. , Ltd , Wuxi 214028 , China) Abstract : Special radiographic examination techniques for the common and special welded joints in pressure vessels areoutlined , covering the tube2to2tube sheet joints of heat exchangers and the branch and nozzle joints of various vessels for which theexamination procedure is more difficult. The Characteristics and attention matters of megavoltage radiography and the main pointsand difficulties of radioscopic real2time imaging technique are pointed out. Finally , the state2of2art and future of digital radiographyare described. Keywords :Radiographic examination ; Pressure vessel ; T2shaped welded joint ; Fillet joint ; Tube2to2tube sheet joint ; Nozzlejoint ; Real2time imaging ; Digital radiography

压力容器无损检测涉及结构、形状较特殊的焊接接头和焊缝形式,如 T 形接头、角接接头、管 2 管板焊缝和管座角焊缝等。对上述接头通常只要求对内部缺陷作超声检测(UT) ,对表面和近表面缺陷 作液体渗透检测(PT) 或磁粉检测(MT) 。但对处于剧毒、腐蚀和高压等苛刻工作条件下的压力容器, 其重要部件或结构件上的特殊焊接接头往往要求磁粉、渗透、超声、射线四法并举。当采用射线照 相检测(RT) 时,就需用特殊工艺,甚至特殊的 RT 设备和方法。以下概述压力容器有关 RT 的特殊技 术,并扫视其最新进展。

1 特殊接头的特殊 RT 工艺 T 形接头、角接接头及压力容器上常见的管座角焊缝,是难度甚高的射线照相检测对象。其 RT 可行性和可靠性取决于多种因素,如接头截面形状、厚度,工件曲率变化,设备、器材的可用性,透照几 何布置以及射线照射方向等,而其透照结果的评定又涉及 RT 人员的素质和经验。 图 1 T 形接头 RT 工艺要领(45°照射+ 厚度补偿+ 缝边标记)

1. 1 T 形接头对图 1 翼板和腹板组成的 T 形接头以及对接焊缝(V 形坡口) ,可用 45°透照法,胶片贴在翼板一 侧。此时,射线穿透最大厚度 Tmax = √2 ( T1 + T2) , 最小厚度 Tmin = √2 T1 ,按两点法定电压,对厚区和 薄区曝光必然顾此失彼,所得底片黑度不是厚区偏淡,就是薄区偏黑。为此,可用现成的带坡口焊接试 样板,其厚度等于焊脚高度,使其斜面贴合在焊缝上,所得底片影像质量不亚于平板对接焊缝影像。另 外, 为方便焊缝中缺陷影像的深度定位, 透照前应在焊缝两侧加置缝边指示标记。像质计金属丝宜截 短后贴在焊缝表面,而不是按原长放在补偿板与腹板之间,或放在胶片一侧。

1. 2 管 2 板结构 1. 2. 1 多孔法兰与接管角焊缝 图 2 为多孔法兰与接管角焊缝透照示例。采用插入式连接,法兰厚 10mm ,接管壁厚 12mm , 内 径 125mm。对此结构件,可考虑用 30°法透照。此时,射线穿透最小厚度 T1 = 10/ cos30°= 11. 5mm , 最大厚度 T2 = 12/ sin30°= 24mm ,厚度差 ∆T = 1215mm。 沧州欧谱图 2 多孔法兰 2 接管角焊缝 RT 工艺要领 (滤波(0. 4mm 铅箔) + 30°透照+ 高电压) 为增大厚度宽容度,并消除法兰边缘及多孔在底片上产生严重边蚀和普遍灰雾,可在射线管窗口 放置 0. 4mm 铅箔,对 X 射线作硬化处理,采用 250kV 高压、10mA 和 800mm 焦距的曝光条件透照, 整圈角焊缝曝光四次。像质计金属丝尽量紧贴焊缝表面,以免丝影放大,像质评价不合实际。

1. 2. 2 换热器管 2 管板焊缝 列管式换热器或反应器管2管板焊缝一般多在管板中插入换热器管,管板面与管子端面氩弧焊连 接。因换热器管径较小,壁厚较薄,又因透照布置和壁厚补偿关系,射线穿透的上限厚度又较大,对此作 射线照相需用 160～320kV 小焦点棒阳极 X 射线管或小尺寸 192 Ir 源 γ 射线专用装置。 (a) 管 2 管板焊缝透照布置特点 (b) 钛管 2 管板焊缝 (c) 加热器管 2 管板焊缝 图 3 换热器管 2 管板焊缝小焦点 X 射线透照示意 1. 小焦点棒阳极 X 射线管 2. 阳极靶(平面型) 3. 阳极柄 4. 焊缝 5. 射线胶片 6. 喇叭形贴片靠模 7. 补偿块 8. 0. 1mm 铝丝像质计 9. 金属丝像质计·133 ·

1. 2. 2. 1 小焦点棒阳极 X 射线管透照[2 ] 对图 3a 所示插入式管 2 管板焊缝,可将 0. 2～015mm 小焦点棒阳极 X 射线管(200kV ,5mA) , 从换热器管口伸入一定距离,借助于反射钨靶对被检角焊缝作整圈向后全景曝光。但这样透照边蚀 重、灰雾大,底片无法评定。为补偿厚度变化、消除边蚀,要根据实际管 2 管板结构形状尺寸制作特形 壁厚补偿块。补偿后的底片黑度易控制在 2. 0～3. 0。而且,因被检区定位在 1/ 2 焦距处,再加是小焦 点,胶片上会产生投影放大效果,故焊缝内部缺陷易于观察评定。

图 3b 是直径较大( <25. 4mm) 的钛 管,壁厚补偿块一端可制成蟹钳状,伸进管内夹住管端。但对图 3c 所示给水加热器管 2 管板焊缝,因 管径较小( <19mm) ,不可能采用上述补偿块,而宜采用图 3c 的平端面圆环形补偿块。实验证明,以上 两种透照布置能在底片上识别<0. 1mm 金属丝,也易于检出焊缝中<0. 1mm 小气孔。 1. 2. 2. 2 小尺寸 192 Ir 源透照[3 ] 德 BASF 标准规定,对管 2 管板焊接接头,用源尺寸≯1mm ×0. 5mm 的 192 Ir 透照(但不准用 75Se 源) ,并要求用 ISO T2 类胶片(如 Agfa D4) ,尺寸为 100mm ×120mm。胶片上应设有与换热器 管径相应的中心孔。焦距 F 的选定要求使整圈焊缝成像,并尽量减小影像畸变,当管子内径 Di ≤18mm 时,推荐 F =30mm; Di > 18～50mm 时,推荐 F≈40mm。曝光时间 t 30s ≮ 。

胶片曝光后评定区(焊缝 和近焊缝区) 黑度 D = 2. 5～3. 5。为使评定区黑度均匀,还要求使用与焊缝几何形状及管 2 管板尺寸 匹配的厚度补偿块,其上钻有检测孔,确保射源准确对中,补偿块内径不小于 Di - 1mm。另外,还要用 0. 5mm 厚锡板嵌在焊缝与胶片间作辅助滤板。 不要求放金属丝像质计,因像质计会增大焊缝至胶片的距离,从而增大影像不清晰度。若不妨碍使 用,可将中心小冲孔标记打在焊缝上,以其在底片上显示的影像验证像质的适可性。 图 4 是用高比活度小尺寸 192 Ir 源向后全景法透照管 2 管板焊缝布置示意。沧州欧谱源从换热器前端导 入,操作简易。若此法不可行,可用柔性或刚性源导管将射源从对侧管板(即从后端) 导入,穿越管子全 长进入预定位置,对管板角焊缝作向前全景透照。

图 4 用 192 Ir 源向后全景曝光透照管 2 管板焊缝 1. 192 Ir 源 2. 射源定位调节器 3. 焊缝 4. 管板 5. 成像射线 6. 换热器管 7. 补厚套管 8. 微粒胶片( ISO T2 类) 9. 铅+ 锡复合滤板 1. 3 管座角焊缝[4～7 ] 容器本体上的管接头即管座角焊缝以及互成 90°的两管直径相近时的三通角焊缝,其四周沿相贯 线曲率变化较大。整圈管接头呈马鞍形。此类接头一般先用氩弧焊打底,后手工焊焊满。起弧多从相 贯线两最高点开始,至最低点收弧。两处易产生焊接缺陷,是重点 RT 部位。

（a）优 (b)劣 图 5 管座角焊缝透照方向优劣示例

1. 3. 1 对位对向 对管座角焊缝,通常多使射线束中心线大致沿角焊缝两熔合面角平分线进行透照。由于角焊缝四 周曲率变化较大,有些方向的透照可能很困难,甚至无法进行。图 5 为管座焊缝透照方向优劣(指缺陷 检出率的高低) 示例。

1. 3. 2 曝光次数 整圈接管角焊缝所需曝光次数与容器和接管相对尺寸有关。

(1) 被检焊缝区穿透厚度的变化率取决于接管直径与容器直径之比,相应壁厚及焊缝基本结构 (骑管式或插管式) 也取决于焊缝四周相贯线位置。小径骑管焊缝两侧穿透厚度的变化最小,而大径插 管变化最大,特别是接管壁厚明显小于容器壁厚时。

(2) 沿接管角焊缝四周穿透厚度的变化率主要取决于接管直径,周向曝光时变化最小,小径接管 外透法或偏离中心的内透法时最大。当用周向曝光法时,常不可能使射线束中心线沿焊缝整个圆周两 熔合面之间角平分线进行透照。实践证明,若容器直径为接管直径四倍以上,一次曝光即可;若容器直 径小于接管直径四倍,至少曝光两次(图 6) 。

1. 3. 3 结果评定 接管角焊缝的评片涉及到斜投影引起的变形、位移和放大等问题。要识别真假缺陷,正确定性, 就要熟悉接管结构、加工程序、焊接方法,并需根据从立体到平面的空间投影概念,估判缺陷在焊缝中 实际位置(如容器开孔接管处的钻痕或割痕,在底片上有可能误判为未焊透,条状气孔及条状夹渣群 等) 。

2 普通接头的全景曝光工艺[8 ] 对同规格、不同壁厚的某些小尺寸焊件(板或管) ,若批量较大需缩短检测周期、提高检测工效时, 可 采用全景曝光工艺,一次透照多个试件。 图 6 管座焊缝作两段周向曝光的示例 图 7 多个焊接试件的全景曝光布置 例如,用 300kV 圆锥靶周向 X 射线机对八块焊接试板作分层全景曝光。试板尺寸均为 300mm ×250mm ,壁厚有 20 ,18 ,16 和 14mm 四种;双面焊,余高 h 均为 4mm。要用 180kV(半值层 H = 415mm) 透照得相同底片黑度,可按图 7 将 1～8 号试板按不同板厚分层交错排列在以不同焦距为 半径的圆周上作一次全景曝光。

焦距根据射线照相半值层的等效值计算,有关计算式及计算结果见表 1。 此外,也可用双壁单影 360°全景法一次透照排列在圆周线上多个直径较小的管子环焊缝。如八根 <219mm×12mm 锅炉集箱管环焊缝只需六次曝光即可完成 100 %检查,而用普通定向机则需曝光 48 次[9 ] 。对液化气钢瓶( <400mm ×4mm) 沧州欧谱也可采用此法提高工效。

3 兆伏级 X 射线照相[10 ,11] 透照> 90mm 大厚度钢焊缝,就不能用常用变压器加速电子的 X 射线机。早在 2 0 世纪 4 0 年代国 外已推出电子束能量为15～25MeV 的电子回旋加速器(以下简称“回加”) ,50 年代又推出能量为4～ 25MeV 的直线加速器(以下简称“直加”) 。在直加中,电子载在高频波上沿直线波导管行进,加速到所 需高能量。无玻璃或陶瓷管。

射频波由磁控管或调速管供给。而在回加中,电子在环形管中沿圆形轨 道行进,在每一轨道上给出加速脉冲,直到在靶上反射。以上两种情况的 X 射线输出均为脉冲形。 表 1 错落法全景曝光时焦距的设定( 图 7) 1) 注:1) F 变化时, (I0 为射线照射强度) ; T 变化时, H ( I 为射线透射强 度) 。为得同黑度,有 2∆,所以 F2 = 3. 1 两种加速器的比较 目前国内锅炉、压力容器焊缝透照大多用直加,个别用回加。直加 X 射线输出强,如 4MeV ,2mm ×2mm 焦点,1m 处为 4Gy/ min (400Rad/ min) ;回加输出小得多,7. 5MeV ,1m 处为 0. 06Gy/ min (6Rad/ min) ,但其焦点要小得多(如 0. 2mm ×110mm) 。还有一种移动式直加(如美 Schonberg 公司 制) ,借助于三种准直器(用螺栓固定) 可获得三种照射方式,即向前辐射、90°辐射和 360°周向辐射。

其输出较小, 4 和 6MeV 分别为 1 和 3Gy/ min。 3. 2 直加使用要点 (1) 大焦距+ 微粒胶片 用直加时,因输出强,射源至胶片距离可取 2～3m ,以获得大的照射场, 并配以 ISO T2 或 T1 类胶片,以减小颗粒性,获得最大对比度。用 6MeV X 射线时的固有不清晰度 Ui≈0.5mm ,较占优势,故几何不清晰度 Ug 可忽略不计(即使是 300mm 厚试件,Ug 仅 0. 3mm) 。

(2) 用不锈钢或铜增感屏 用兆伏级 X 射线时,常规铅增感屏拍不出优质射线底片。为获得较高 清晰度和对比度,减少伪缺陷影像干扰,最新 RT 标准要求优先采用不锈钢屏或铜屏(4MeV ,0. 25～0. 7mm;9MeV , 1mm) ≮ 。此时所需曝光量约为铅屏的两倍。钽屏代价昂贵,一般很少用(注:用回加时, 为使曝光时间切实可行,对厚件需用盐屏胶片+ 盐类增感屏,但此法为容器 RT 标准所禁忌) 。

(3) 用大宽容度法透照 用直加透照形状厚度变化大的试件,因其射线钢半值层大(4MeV , H =25mm;9MeV , H = 31mm) ,可使透射线强度比较小,也使底片上与厚薄区相应的黑度差减小,即一次 曝光就能使大厚度差满足标准规定的黑度范围(如 4 和 9MeV 可透钢厚度差分别为 50 和 62mm) 。

4 X 射线实时成像[12～14 ]

4. 1 概述 X 射线实时成像法(RTR) 能实时或近实时地显示被检试件内部和表面缺陷性质、大小、位置和 分布等信息,因而能在线、快速、及时、动态地评价被检试件质量。与传统胶片法相比,有省时、省料、 省力等优点。小焦点和微焦点 X 射线管的出现、电视摄像管和图像增强器的改进,特别是计算机硬 软技术的应用、图像数字化及图像处理技术的发展,使 RTR 特性大为改善,灵敏度大幅度提高。在某 种程度上,当今 RTR 已成为常规胶片射线照相法某些应用的重要对手。

4. 2 应用示例 目前广泛使用的 RTR 设备有图像增强型和直线阵列型(图 8) 两种。在锅炉压力容器制造行业 主要用于制造批量很大的小口径锅炉直管(管径<32 ～ 60mm , 壁厚 T3. 5 ～ 8mm) 及液化气钢 瓶( <400mm , T3～10mm) 对接环缝的在线检测,其透照布置见图 9a 和 b。

4. 3 几个重要参数 (1) 图像放大倍数 M 式中 L1 ———射线管焦点至被检焊缝表面的距离 (a) 图像增强型 (b) 直线阵列型 图 8 常用射线实时成像系统 L2 ———焊缝至图像增强器输入屏表面的距离 (2) 图像最佳放大倍数 Mopt 式中 Us ———屏不清晰度df ———焦点尺寸 (3) 图像不清晰度 U 式中 U0 ———沧州欧谱图像放大前的不清晰度 U0 = ( U 3 s+ U 3 g) 1/ 3 Ug = df ( M - 1) (4) 图像最小可检缺陷尺寸 dmin (a) 小口径锅炉管 (b) 液化气钢瓶 图 9 X 射线实时成像透照布置示例

4. 4 图像处理 图像处理一般是对静止图像通过计算机各种程序来进行的。焊缝检验广泛采用四种处理程序,即 ①滤波和场平整,使整个焊缝图像厚度均匀化。②电视帧累加(通常 16～32 幅) ,以减小图像量子噪 声。③图像轮廓鲜明化(即勾边) 。④ 对比增强(通过反差调节器) 。

4. 5 性能评价 目前 RTR 系统性能可达到的水平见表 2。在日常检验中,上述系统性能要按相应标准要求进行 实测(用对比灵敏度计和线对测试卡或铂 2 钨双丝像质计) ,数据要列入 RTR 检测报告。 表 2 RTR 系统性能比较 5 数字射线照相[15～17] 数字射线照相(DR) 是指将 X 射线图像分解成许多微小图像单元(像素) ,并将各单元上的数据存 入计算机,需要时再提取出来进行处理,以获得所需图像信息。DR 法通常分为两类,一类是二维法,检 测器模拟胶片作用,而采集数据代表三维物体的二维投影;另一类是三维法,用相当于人眼两瞳孔间距 布置的双分立检测器将采集信息合成物体的三维图像。目前 DR 法用于焊缝检测的主要有以下两项: 5. 1 电脑自动评片 (1) 初级阶段 将射线底片上的缺陷图像通过 CCD(电荷耦合器件) 摄像机和模/ 数转换器变成图像数字输入计算机,用适当的图像处理系统进行数据处理(除噪、平滑化、清背景和差分) ,再将处理 结果用三维图显示或彩色显示,这样无需熟练技术,缺陷形状一目了然。

(2) 中级阶段 对存在噪声而难以判别的缺陷图像作进一步处理,使缺陷形状变得醒目,便于判 别。

(3) 高级阶段 对获取图像尽量用定量图像处理,使缺陷位置和形状突现,通过自动判别系统,对 缺陷作定量评价、等级分类和合格判别。

(4) 电脑评片难点 对单面焊根部几何形状与根部缺陷的分辨以及对微小裂纹的识别,还须依靠 专家系统,建立人工智能算法来解决。 5. 2 CR 技术 CR(Computed Radiography) 技术是数字射线照相技术中一种新的非胶片射线照相技术。

5. 2. 1 原理和特点 X 射线透过试件后,光子能量被储存荧光成像板(SPIP) 吸收,产生潜影。将成像板送入数字转换 器中用激光束进行扫描,潜影即以可见光形式释放出来,该可见光由光电倍增管检出并变成数字图像。

CR 技术的特点是

①成像板上的荧光体有很宽的动态范围,因而曝光宽容度特大。

②图像处理算法结 合在数字转换器中,操作台能增强细节对比度,以获得最高影像质量。

③通过网络传送,可实现远程评 定。④探伤数据可存在光盘中,无需特殊环境条件,且检索图像瞬间可得。

⑤成像板系统的曝光时间比 常规胶片法短,约为后者的 1/ 2～1/ 20 ,而且,成像板可反复使用上千次。

5. 2. 2 应用和评价 基于上述特点,目前 CR 技术在焊缝检测方面,主要用于三通类截面形状厚度变化沧州欧谱甚大的角焊缝 缺陷检测。因分辨力受荧光成像板荧光晶体等限制,目前 CR 技术还达不到较高对比度或调制度(胶 片法有几微米,而 CR 法约为 100µm) 。

6 小结 (1) 板 2 板 T 形接头对接焊缝用厚度补偿法透照效果最好。对管 2 板角接接头组合焊缝,当管径 较大(约≥120mm) 时,按插管和骑管两种形式,可分别采用 30°和 45°透照;当管径较小时,可采用小焦 点棒阳极 X 射线管或小尺寸、高比活度 192 Ir 源,加适当的补偿块,由管板前端伸入管中一定距离,作 向后全景曝光(此时,胶片、增感屏和暗盒均需与管径匹配) 。

管 2 管角接接头组合焊缝(容器管座焊 缝) 根据可接近性和接管直径、壁厚及连接方式,有多种透照方式(源外或源内法,单壁或双壁法) ,透照 工艺要多考虑满足厚度宽容度,缺陷评定要有一定经验。

(2) 在不影响 RT 灵敏度的前提下,对常规接头采用专用或特殊 RT 工艺,可提高检测工效,缩短 检测周期。对不同直径和壁厚的环焊缝,尽量采用专用设备作周向曝光;对数量较多的规则小试件,单 层或多层全景曝光是有效途径。

(3) 用直线加速器透照厚度> 100mm 的钢焊缝有宽容度大、散射线少、焦距长、曝光时间短等 优点

。配用 ISO T2 类胶片和不锈钢屏或铜屏,可提高细节分辨力和探伤灵敏度。采用可变换照射方 向(0°,90°,360°) 的直加,可实现厚壁环焊缝周向曝光高效检测。

(4) X 射线实时成像通过小焦点、投影放大、图像增强和图像降噪,可对批量生产的小径管和液 化气钢瓶环焊缝进行快速、在线、动态、多方位检测。

对比灵敏度和分辨力是评价 RTR 成像质量 的两个关键指标。小径管 RTR 国内应用历史已有 20a(年) ,但相关标准至今未见出台。

(5) CR 技术等数字射线照相目前还在发展之中,国外已用于三通等结构件的焊缝检验。有动态 范围大、宽容度大、曝光时间短以及探伤结果可网上传送和远程评定等优点。其图像分辨力还有待 于改进。电脑评片适于大批量、简单、规则试件 RT 结果的评定。对单面焊根部几何形状与真缺陷 的识别还要靠专家系统及智能算法解决。

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