不锈钢管管板角焊缝射线检测(简称T-T-RT)技术的应用能提高换热器产品品质,降低换热器投用后的意外泄漏率,近年来在国内推广较快,但其检测灵敏度失控严重的现状值得关注。对T-T-RT技术的灵敏度影响因素进行了分析,介绍了一种高仿型灵敏度试块的型式、特点和用途,并指出严格执行相关标准关于灵敏度鉴定试验的规定,是保证T-T-RT技术质量的必要条件。

不锈钢管管板角焊缝射线检测(以下简称T-T-RT)技术是一项特殊的检测技术———采用特殊的射线源,特殊的工装和工艺,对特殊的结构———不锈钢管管板角焊缝实施透照,获得角焊缝的透视图像,从而检测出其中的埋藏缺陷。该技术的应用极大地提高了换热器产品品质,使换热器投用后的意外泄漏率显著降低,而有利于化工装置长周期运行;且具有检测灵敏度高、可靠性好、现场适应性好、操作简便等优点,近年来在国内的应用呈现较快发展的态势。

在当前T-T-RT技术的应用中,检测灵敏度是一个需要关注的问题。2015颁布的NB/T47013.2《承压设备无损检测》附录A《不锈钢管-管板角焊缝射线照相技术要求》中对不同技术等级的照相灵敏度(要求识别的孔深)的规定是:A级0.8mm;AB级0.5mm;B级0.3mm。由于结构原因T-T-RT照相时无法摆放像质计,从底片上无法观测灵敏度是否满足要求,导致检测质量时常出现失控现象,达不到标准要求,有的底片灵敏度非常低,质量差到连焊缝都无法辨认出。

近三年来,T-T-RT的技术研究取得了较大进展,以往面临的技术难题,包括大直径管头检测、强度焊管头检测、补偿器优化设计,灵敏度影响因素研究、灵敏度鉴定试块研发以及缺陷评级等,这些难题均已解决,故有必要用最新的研究成果来改进存在的问题,而其中最紧迫的应该是解决T-TRT技术的灵敏度不足的问题。

1T-T-RT灵敏度影响因素分析

与常规射线检测技术相比,T-T-RT技术更复杂一些,灵敏度影响因素也更多一些,至少包括射线源、补偿器、曝光参数、角焊缝结构、管头规格尺寸等,以下分别进行讨论。

.1射线源的影响

有两种射线设备被用作T-T-RT检测,早期使用的是小焦点Ir192专用射线机,后来发明了专用棒阳极X射线机。众所周知,Ir192放射源具有线质硬(相当于500kV~600kV的X射线)且能量无法调节,强度随时间衰减也无法调节(新源强度太大曝光量太短难以控制,旧源强度太小曝光时间太长)的缺点,而且对人员健康伤害大,管理难度大、照相对比度低、清晰度差、灵敏度低,所以逐渐被棒阳极X射线取代。实践证明,棒阳极X射线的照相灵敏度比Ir192放射源的高2~3个等级。图2为标准型T-T-RT专用棒阳极X射线管,其棒直径为12mm,焦点尺寸为0.5mm,焦距为40mm,最高管电压为130kV,最大管电流为

66mA,适用的不锈钢管内径范围为12.5~55mm。

.2补偿器的影响

补偿器是T-T-RT技术应用中不可缺少的工装,其作用是减小透照厚度差,降低散射比,阻挡边蚀,使底片上检测区域的黑度相对均匀。补偿器的结构和形状对照相灵敏度有较大影响,不锈钢管直径、壁厚、角焊缝型式、坡口深度、焦距等都与补偿器相关。不恰当的补偿器设计,以及补偿器的不恰当使用,均会导致灵敏度大幅度降低。

3曝光参数的影响

棒阳极X射线的T-T-RT曝光参数包括管电压、曝光量、焦距、投射角度等。管电压主要影响底片对比度和检测区域的黑度差,曝光量主要影响底片黑度;而焦距和投射角度对灵敏度的影响比较特别:焦距和管径共同决定投射角度η(见图3),焦距趋小或管径趋大,会导致投射角度变大,底片上影像畸变也变大。不恰当的投射角度会影响底片黑度,进而降低清晰度、对比度、灵敏度和检测精度(由于影像畸变和放大的影响导致缺陷定量不准),实际检测时,所选投射角度η一般不大于40°。

.4角焊缝型式和结构参数的影响

虽然换热器不锈钢管管板角焊缝结构参数较多,但研究表明,影响T-T-RT灵敏度的主要参数有4个,分别是不锈钢管内径d,壁厚t,坡口深度y,不锈钢管伸出管板长度z(见图4)。这4个参数的定义见图4。不锈钢管内径d越大,壁厚t越厚,坡口深度y越大,不锈钢管伸出管板长度z越长,则检测所需的X射线管电压越高,补偿器设计难度越大,达到标准规定的灵敏度的难度也越大。

.5参数关联法则

因为T-T-RT的灵敏度影响因素比常规胶片照相的灵敏度影响因素多,而且这些因素相互关联,一个参数变化会牵动多个参数随之改变,使得检测工艺参数选择和灵敏度控制比较困难。例如:对(直径×壁厚)51mm×3mm不锈钢管管板角焊缝透照,若其他结构参数不变,仅不锈钢管伸出管板长度由0mm变为5mm,工艺参数要做一系列改变:因为不锈钢管伸出长度变化导致源-焊缝-胶片的相对位置改变,射线投射角度随之而变,则补偿器需要重新设计制作,而射线穿透厚度发生变化,管电压、曝光量也要重新选择,拍摄的底片黑度、清晰度、灵敏度也都有变化,这种变化关系称为参数关联法则。通过理论分析和试验摸清各参数之间的相互关系,掌握参数关联法则,才可能制订出正确的工艺,使检测灵敏度达到标准要求,检测可靠性得到保证。

2灵敏度鉴定试验和高仿型灵敏度试块

1标准关于灵敏度鉴定试验规定

NB/T47013.2中附录A规定:由于使用像质计会增大焊缝到胶片的距离,不锈钢管-管板角焊缝正式实施检测时不要求使用像质计。不锈钢管-管板角焊缝射线照相的灵敏度由灵敏度鉴定试验保证。灵敏度鉴定试验应在对不锈钢管-管板角焊缝正式实施检测前进行。正式产品实施检测的设备、工装、材料和工艺参数应与灵敏度鉴定试验所用的设备、工装、材料和工艺参数(曝光时间除外)相同,如发生改变,应重新进行射线检测灵敏度鉴定试验。但现实情况是:标准关于灵敏度鉴定试验的规定基本上没有得到执行,致使T-T-RT灵敏度失控严重。标准规定没有执行的原因可能是:①不了解T-T-RT技术工艺复杂性和试验的重要性,以为灵敏度鉴定试验可做可不做;②灵敏度鉴定试验会增加成本,需要时间,比较麻烦;③标准没有规定鉴定试验的细节,没有给出灵敏度鉴定试块的样式,不会做。

改变现状解决问题的对策是:强调标准要求,提高质量意识,完善标准细节,解决灵敏度鉴定试块。

2德国设计的T-T-RT灵敏度鉴定试块

常规射线检测使用的线型像质计和孔型像质计均不能用于T-T-RT。作为技术发明者,德国拜耳葡萄浏览器官方下载 - 新萄京娱乐网址9和巴斯夫葡萄浏览器官方下载 - 新萄京娱乐网址9曾经分别设计了T-T-RT专用像质计和一种不锈钢管-管板角焊缝灵敏度鉴定试验试件组合。图5是德国拜耳设计的T-T-RT专用像质计,其优点是像质计与补偿器合一,检测时将其放在不锈钢管里面,既当补偿器用,又能得到灵敏度指示。这样虽然省事方便,但其缺点也比较明显:作为像质计,因为人工缺陷位置不在焊缝区而在不锈钢管里面,所显示的灵敏度与焊缝区的灵敏度的误差很大;作为补偿器,人工缺陷与补偿器结构有矛盾,导致补偿效果差,进而影响检测质量。虽然使用该试片无需事先进行试验,且可以在检测底片上获得灵敏度显示,但NB/T47013.2附录A没有采用。

图6为德国巴斯夫设计的一种不锈钢管-管板角焊缝灵敏度鉴定试验试件组合。该试件包括模拟不锈钢管-管板和灵敏度试片,灵敏度鉴定试验必须在检测前进行。该试件的优点是:人工缺陷位于焊缝区,因此灵敏度显示比拜耳试片的准确;补偿器结构设计不受影响。该方案的不足是:只适用于不锈钢管与管板齐平的管头结构,对不锈钢管伸出管板的强度焊结构不适用;试片设计未考虑人工缺陷参数的多样性,例如缺陷种类、缺陷在焊缝的深度位置等。

3中国设计的高仿型灵敏度试块

中国工程技术人员2016年提出一种新的T-T-RT灵敏度试块型式———高仿型模拟试块。图7为试块简图(预制根部缺陷);图8为预制焊缝中部缺陷的试片简图;图9为高仿试块使用示意;图10为鉴定试块的实物照片。

该试块具有以下优点:

(1)材料、结构尺寸、外形对T-T-RT的灵敏度有决定性影响,所以高仿试块强调在这三个方面,试块与真实工件必须高度相仿。高仿试块的灵敏度试验与真实工件的灵敏度非常接近,误差极小。

(2)高仿试块可以把各种人工缺陷(点状、线状、面状)设制在焊缝的不同位置,例如焊缝根部(未焊透)、坡口边缘(未熔合)、焊缝中部(气孔)等。图7预制的缺陷是根部气孔和根部未熔合;图8预制的是焊缝中部缺陷,只要将试片分作两片加工(沿图中黑线切开),即可在焊缝的任何深度和任何位置预制缺陷(例如气孔和坡口未熔合)。

(3)高仿试块既适用于密封焊,也适用于强度焊;既适用于小直径管头,也适用于大直径管头。

(4)高仿试块制作无须焊接,可直接用机加工方法完成。

.4一种高仿灵敏度鉴定试块设计和透照实例

高仿工件的材料为碳钢,不锈钢管规格(直径×壁厚)为51mm×3mm,坡口深度为3mm,不锈钢管伸出管板长度为5mm。

制作高仿灵敏度试块的步骤为:用车床加工底座和试片,尺寸和外形与工件的一致。在试片相应位置(见图7)用电火花加工预制缺陷4组,其中气孔2组,裂纹2组。试片厚度=缺陷埋藏深度(表面以下距离)=2mm,气孔缺陷尺寸(深度=直径)分别为0.3,0.5,0.8mm,裂纹尺寸(宽×深×长)分别为0.3mm×0.4mm×4mm,0.3mm×0.3mm×4mm(横向),0.3mm×0.6mm×4mm。

采用多组参数进行透照试验,拍摄的底片如图11所示,可见试块中12个缺陷全部检出,0.3mm的孔清晰可见,灵敏度达到标准B级要求。

.5高仿型试块的各种用途

高仿型试块用途不限于灵敏度鉴定,实际上其用途至少包括:①对所制订的射线检测工艺的灵敏度水平进行测量和鉴定;②确定焊缝投影位置(焊缝根部,坡口边缘等在底片上的位置);③确定缺陷投影位置(根部未焊透,坡口未熔合等缺陷在底片上位置);④曝光参数优化(管电压、曝光量等);⑤焦距优化;⑥补偿器优化;⑦点状缺陷放大程度测量;⑧线性缺陷长度放大程度测量;⑨根部未焊透高度测量;⑩面积性缺陷(坡口未熔合、裂纹)高度测量。

下面介绍一例利用高仿试块进行缺陷测高的试验。图12为预制未熔合缺陷的高仿试块和该试块的射线底片;表1给出了其试验数据。可以看到,试块上槽的高度尺寸和底片上影像的宽度尺寸有很好的对应关系。

3结语

(1)近三年,中国的T-T-RT技术研发取得了巨大进展,技术、工艺、设备、缺陷评定等一系列难题均已解决。

(2)通过对T-T-RT灵敏度影响因素的分析,结合试验改进技术与工艺,能够有效提高检测质量。

(3)严格执行相关标准规定,在检测前进行灵敏度鉴定试验非常重要。

(4)高仿型灵敏度试块不但能够可靠验证T-T-RT灵敏度,而且在缺陷尺寸测量等多方面能发挥作用。