周大禹,聶 勇,左 暢,蔡 軍

(中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司,武漢 430223)

無(wú)損檢驗(yàn)技術(shù)的可靠性可以從兩個(gè)方面來(lái)分析,一是狹義可靠性,二是廣義可靠性。

無(wú)損檢驗(yàn)狹義可靠性是指在某種特定的條件下,檢驗(yàn)人員采用某種特定的檢驗(yàn)方法,準(zhǔn)確地檢驗(yàn)到某個(gè)給定大小缺陷的能力。狹義可靠性除了考慮缺陷檢出概率(POD)以外,還需要考慮被檢出缺陷的尺寸與缺陷真實(shí)尺寸之間的誤差關(guān)系,狹義可靠性只是無(wú)損檢驗(yàn)系統(tǒng)的檢驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

無(wú)損檢驗(yàn)廣義可靠性的概念包含了更為廣泛的意義,體現(xiàn)了無(wú)損檢驗(yàn)的綜合質(zhì)量。無(wú)損檢驗(yàn)的可靠性受到一系列因素的綜合影響,它是對(duì)檢驗(yàn)?zāi)芰?方法的適用和可操作性,運(yùn)用檢驗(yàn)方法的正確性,對(duì)缺陷判定的準(zhǔn)確性,記錄報(bào)告的完整性及追溯性,以及對(duì)檢驗(yàn)過(guò)程控制能力等的綜合體現(xiàn)。

筆者以異種金屬管道焊縫試塊中人工模擬缺陷的射線檢驗(yàn)為例,探討射線檢驗(yàn)可靠性。

1 異種金屬焊縫的特點(diǎn)

在設(shè)備制造和安裝過(guò)程中采用的材料種類(lèi)比較多,如低合金鋼、奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼或Inconel 合金等。焊接常常被作為一種重要的連接方式之一,在異種金屬焊接過(guò)程中,被焊材料在極短的時(shí)間內(nèi)被熔化,在加熱和冷卻過(guò)程中存在著極大的溫度梯度,也伴隨著材料力學(xué)性能的極大變化,因而在焊接區(qū)產(chǎn)生極不均勻組織、性能、應(yīng)力與變形,而且具有極大的三維非線性和大梯度特征,會(huì)產(chǎn)生延展性突降裂紋、液化裂紋和固態(tài)裂紋。不僅會(huì)影響焊接質(zhì)量,而且會(huì)極大地影響結(jié)構(gòu)的斷裂、應(yīng)力腐蝕、疲勞損傷行為和結(jié)構(gòu)的安全性。

常見(jiàn)的異種金屬焊縫是在高強(qiáng)度低合金鋼(508-Ⅲ)的坡口上堆焊一層厚度為6～20 mm 的鎳基合金預(yù)堆邊,然后再與不銹鋼(0Cr18Ni10Ti)管道進(jìn)行對(duì)接焊(圖1)。

圖1 異種金屬管道焊縫示意圖

2 人工缺陷試塊設(shè)計(jì)和布置

2.1 試塊規(guī)格

設(shè)計(jì)的異種金屬焊縫試塊規(guī)格為φ335 mm ×33 mm,管段長(zhǎng)度為300 mm,高強(qiáng)度低合金鋼(508-Ⅲ鋼)段長(zhǎng)度為150 mm,不銹鋼段長(zhǎng)度為150 mm。

2.2 缺陷布置

缺陷在試塊中的位置布置如下:

(1)在508-Ⅲ鋼的焊縫坡口面上, 直徑為φ317 mm處,沿圓周方向,從0°開(kāi)始,每隔45°制作人工缺陷裂紋一條,每條裂紋的長(zhǎng)度為10±2 mm,在整個(gè)圓周上共預(yù)埋8 處;在同一圓周上,從22.5°開(kāi)始,每隔45°制作人工缺陷未熔合一條,每條未熔合的長(zhǎng)度為10±2 mm,在整個(gè)圓周上共預(yù)埋8 處。

(2)在鎳基預(yù)堆邊的焊縫坡口面上,直徑為297 mm處,沿圓周方向,從0°開(kāi)始,每隔45°制作人工缺陷未熔合一條,未熔合的長(zhǎng)度為10±2 mm,在整個(gè)圓周上共預(yù)埋8 處;在同一圓周上,從22.5°開(kāi)始,每隔45°制作人工缺陷裂紋一條,每條裂紋的長(zhǎng)度為10±2 mm ,在整個(gè)圓周上共預(yù)埋8 處。

(3)在不銹鋼段的焊縫坡口面上, 直徑為307 mm處,沿圓周方向,從0°開(kāi)始,每隔45°制作人工缺陷裂紋一條,每條裂紋的長(zhǎng)度為10±2 mm,在整個(gè)圓周上共預(yù)埋8 處;在同一圓周上,從22.5°開(kāi)始,每隔45°制作人工缺陷未熔合一條,每個(gè)未熔合的長(zhǎng)度為10±2 mm ,在整個(gè)圓周上共預(yù)埋8 處。

每件試塊預(yù)埋48 處人工模擬自然缺陷,兩件試塊共預(yù)埋96 處人工模擬自然缺陷(其中裂紋48 條,未熔合48 條)。

3 射線檢驗(yàn)設(shè)備和檢驗(yàn)透照方式

3.1 射線檢驗(yàn)設(shè)備

(1)使用192Ir 源γ射線探傷機(jī), 源焦點(diǎn)尺寸φ3 mm ×3 mm ,活度＞70Ci。

(2)Kodak M 工業(yè)膠片和與之相匹配的Kodak手工顯、定影液。

(3)鉛增感屏長(zhǎng)240 mm,寬100 mm,前后屏厚度為0.2 mm,中屏厚度為0.1 mm 。

(4)鉛濾光板厚為0.5 mm;防背散射鉛板厚2.0 mm。

(5)像質(zhì)計(jì):Ⅱ號(hào)Fe 6/12,鉛字標(biāo)記等。

(6)暗室處理和底片評(píng)定設(shè)備。

3.2 射線檢驗(yàn)透照方式

由于異種金屬焊接接頭存在嚴(yán)重的組織不均勻性和非線性大梯度特征,射線檢驗(yàn)這類(lèi)焊縫時(shí),相鄰材料對(duì)射線的吸收差異或兩者結(jié)合,會(huì)在底片上觀察到材料的分區(qū)現(xiàn)象,即形成帶狀影像的黑度差。黑度差與焊縫中某些缺陷形成的顯示類(lèi)似,極易混淆,分析識(shí)別和裂紋長(zhǎng)度定量有相當(dāng)?shù)碾y度。如何提高接管異種金屬焊縫的射線檢驗(yàn)可靠性,一直受到廣大無(wú)損檢驗(yàn)技術(shù)人員的關(guān)注。

根據(jù)法國(guó)RSEM《壓水堆核島機(jī)械部件在役檢查規(guī)范》和異種金屬焊縫射線檢驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn),常規(guī)射線檢驗(yàn)方法是將射線源位于焊縫中心平面的垂直透照,不易檢出鎳基堆焊層內(nèi)的缺陷。為了檢出人工模擬自然缺陷試塊中的缺陷,試驗(yàn)采用三種射線檢驗(yàn)透照方法(中心透照法、偏心透照法和雙壁單影透照法),共11 種不同射線源位置的透照方式(圖2)。

采用上述11 種透照方式共拍片264 張,檢出了兩件試塊焊縫中人工模擬自然缺陷不同射線透照角度在射線底片上缺陷影像變化的情況。

五位具有射線檢驗(yàn)II 級(jí)資格證的人員,對(duì)兩件試塊拍攝的264 張射線底片進(jìn)行了評(píng)定。得出了11 種透照方式下每個(gè)缺陷的大小和性質(zhì)。

4 缺陷的射線檢驗(yàn)與缺陷解剖數(shù)據(jù)對(duì)比

4.1 試塊標(biāo)識(shí)

為了有規(guī)律地切割人工模擬自然缺陷試塊中的缺陷,使切割后試塊的每個(gè)單元不被混淆,每件圓環(huán)試塊切割成多個(gè)小塊,在每個(gè)小塊的上端面用振動(dòng)筆打上永久標(biāo)識(shí)號(hào)。

4.2 試塊的解剖

根據(jù)缺陷設(shè)計(jì)的預(yù)埋位置和射線底片上缺陷的顯示位置,使用線切割來(lái)解剖試塊,共進(jìn)行了380 次切割。對(duì)切割后的760 個(gè)切割面進(jìn)行了液體滲透檢查,拍攝液體滲透結(jié)果照片760 張,其中切割面上發(fā)現(xiàn)有631 個(gè)缺陷顯示。通過(guò)這些顯示,可判斷兩件試塊中所埋藏的96 條人工缺陷的起點(diǎn)和終點(diǎn),確定每個(gè)缺陷在試塊中的實(shí)際長(zhǎng)度,找出了缺陷在試塊中所處的位置和大小。典型的模擬裂紋和未熔合經(jīng)解剖后的液體滲透顯示結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 裂紋和未熔合經(jīng)解剖后的液體滲透顯示結(jié)果

4.3 缺陷寬度尺寸測(cè)量

以射線底片上評(píng)定裂紋長(zhǎng)度尺寸的兩個(gè)端點(diǎn)的位置,作為射線檢驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)該裂紋開(kāi)口寬度的最大尺寸。解剖后在金相顯微鏡下測(cè)量這兩個(gè)端點(diǎn)處裂紋的寬度,找出了射線檢驗(yàn)該裂紋的最小寬度尺寸為0.09 mm。模擬裂紋解剖的金相顯微鏡圖片見(jiàn)圖4。

圖4 模擬裂紋解剖的金相顯微鏡像片

4.4 缺陷射線檢驗(yàn)結(jié)果與解剖尺寸數(shù)據(jù)

由于有些缺陷制作得不太成功,只選取了21 條裂紋和29 條未熔合人工模擬缺陷的射線檢驗(yàn)人員評(píng)定得到的缺陷長(zhǎng)度和解剖后檢驗(yàn)出的缺陷真實(shí)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)組。

按圖2(a)中心透照時(shí),射線檢驗(yàn)人員評(píng)定裂紋長(zhǎng)度與解剖測(cè)量出的缺陷真實(shí)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)關(guān)系見(jiàn)圖5;按圖2(g)雙壁單影透照時(shí),射線檢驗(yàn)人員評(píng)定未熔合缺陷長(zhǎng)度與解剖測(cè)量出的缺陷真實(shí)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)關(guān)系見(jiàn)圖6。

5 檢驗(yàn)概率分析

5.1 檢驗(yàn)概率分析方法

無(wú)損檢驗(yàn)技術(shù)的可靠性是指無(wú)損檢驗(yàn)技術(shù)對(duì)缺陷的檢驗(yàn)?zāi)芰?是對(duì)用該方法檢出特定類(lèi)型、特定尺寸缺陷有效性所作的一種定量度量。從以下方面進(jìn)行分析:

(1)從二項(xiàng)式分布法獲得檢驗(yàn)概率函數(shù)。用該方法估計(jì)檢驗(yàn)概率和置信下限。這種方法對(duì)單一尺寸缺陷給出了成功的統(tǒng)計(jì)估計(jì),但其要求很大的樣本容量。在缺少大量同樣尺寸的缺陷樣品時(shí),提出了新的各種分析數(shù)據(jù)的方法。

(2)從檢出/漏檢數(shù)據(jù)中獲得檢驗(yàn)概率函數(shù)。

(3)從信號(hào)響應(yīng)數(shù)據(jù)中獲得檢驗(yàn)概率函數(shù)。近些年,在可靠性分析的基礎(chǔ)上提出了檢驗(yàn)概率函數(shù)可用累加對(duì)數(shù)正態(tài)分布函數(shù)表示,其分布參數(shù)可用最大似然估計(jì)方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)估計(jì),對(duì)不同類(lèi)型可靠性數(shù)據(jù)可以采用標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)計(jì)回歸分析或方差、協(xié)方差來(lái)計(jì)算檢驗(yàn)概率的置信下限。

式中μ(a)為的均值;δ為與μ(a)之間的隨機(jī)誤差,δ的分布性質(zhì)決定了相對(duì)于μ(a)的概率密度。

(4)從模糊定義獲得檢驗(yàn)概率函數(shù)。

5.2 概率分析

5.2.1 采用第2 種方法

筆者采用第2 種檢驗(yàn)概率分析方法,即從檢出/漏檢數(shù)據(jù)中獲得檢驗(yàn)概率方法,進(jìn)行射線檢驗(yàn)概率分析。不同透照方式下射線檢驗(yàn)人員對(duì)缺陷的檢出概率見(jiàn)表1。

5.2.2 采用第3 種方法

采用第3 種檢驗(yàn)概率分析方法,即從信號(hào)響應(yīng)數(shù)據(jù)中獲得檢驗(yàn)概率函數(shù)。圖7 為采用中心透照法時(shí)(源在焊縫中心平面,0°角),不同檢驗(yàn)人員檢出裂紋缺陷的檢驗(yàn)概率曲線。

6 缺陷射線檢驗(yàn)可靠性分析

從圖5 和6 中,射線檢驗(yàn)人員對(duì)缺陷的評(píng)定結(jié)果與解剖后檢驗(yàn)出的缺陷的真實(shí)結(jié)果對(duì)比分析的均方根誤差計(jì)算如下:

式中m i——缺陷測(cè)量尺寸;

表1 缺陷檢出概率

圖7 0°中心透照時(shí)裂紋缺陷的檢出概率曲線

ai——缺陷真實(shí)尺寸;

n——缺陷測(cè)量次數(shù)。檢驗(yàn)可靠性指標(biāo)是缺陷的檢出概率P與檢驗(yàn)精度平均值的乘積,即:

在不同射線透照工藝下,缺陷射線檢驗(yàn)結(jié)果與解剖結(jié)果對(duì)比分析見(jiàn)表2。

表2 缺陷射線檢驗(yàn)結(jié)果與解剖結(jié)果對(duì)比分析表

由表1 和表2 可以看出,未熔合的檢驗(yàn)可靠性高于裂紋檢驗(yàn)可靠性。從透照方式上(源在焊縫平面),中心透照0°檢驗(yàn)可靠性高于其它檢驗(yàn)方式的可靠性。這是因?yàn)樵丛诠軆?nèi)中心透照具有透照厚度比K=1,橫向裂紋檢出角θ=0°的優(yōu)點(diǎn)。源在管內(nèi)偏心透照比源在外透照法具有更小的透照厚度差和橫向裂紋檢出角。

考慮到異種金屬焊縫焊接工藝特殊性,為了發(fā)現(xiàn)沿預(yù)堆邊方向的裂紋或未熔合等缺陷,將源沿鎳基預(yù)堆邊方向進(jìn)行偏斜透照,提高異種金屬焊縫的射線檢驗(yàn)可靠性。推薦采用(源在焊縫平面)中心透照0°以及源沿鎳基預(yù)堆邊方向進(jìn)行偏斜透照的組合方式。

7 討論

(1)由對(duì)缺陷的檢驗(yàn)概率分析可知,如果缺陷達(dá)到一定尺寸,射線檢驗(yàn)可達(dá)到100%的檢出概率。實(shí)際上,大部分缺陷檢驗(yàn)尺寸和真實(shí)尺寸存在較大的差異(如裂紋尺寸),這種測(cè)量結(jié)果的差異顯然談不上檢驗(yàn)結(jié)果“可靠”。除了用缺陷檢出概率來(lái)考慮檢驗(yàn)可靠性外,還要考慮缺陷檢驗(yàn)精確度的因素。

(2)射線檢驗(yàn)可靠性還應(yīng)該包含更為廣泛的意義,是一系列綜合特性的綜合體現(xiàn),包括:射線檢驗(yàn)方法對(duì)缺陷的檢驗(yàn)?zāi)芰?狹義可靠性);射線檢驗(yàn)方法的適用性及可操作性;射線檢驗(yàn)方法的正確性;對(duì)缺陷判定的準(zhǔn)確性;記錄、報(bào)告的完整性;對(duì)檢驗(yàn)過(guò)程的控制能力等。要提高射線檢驗(yàn)可靠性,必須優(yōu)化射線檢驗(yàn)活動(dòng)中的每一個(gè)過(guò)程。

(3)射線透照方法的影響:當(dāng)射線源放在焊縫中心平面時(shí),缺陷與射線束平行,最容易被檢驗(yàn)出來(lái)。當(dāng)射線束與缺陷平面成一定角度時(shí),如:源與焊縫中心平面傾斜度從0°到15°,再傾斜到25°,角度逐漸增加,缺陷在射線底片上的影像也從有到無(wú),或從大到小。所以對(duì)于沿徑向(壁厚方向)變化的缺陷容易被檢驗(yàn)出來(lái),而這類(lèi)缺陷從受力和安全方面考慮是最危險(xiǎn)的缺陷。因此,為了更好地發(fā)現(xiàn)缺陷,透照時(shí)應(yīng)盡量讓源處在焊縫中心平面上或讓射線束的方向與缺陷平面平行。

(4)裂紋開(kāi)口寬度和裂紋平面與射線夾角:從評(píng)片結(jié)果表中可以看出,解剖后裂紋的真實(shí)長(zhǎng)度比射線檢驗(yàn)底片上評(píng)片得出的影像長(zhǎng)度長(zhǎng)。經(jīng)金相顯微鏡放大裂紋的開(kāi)口寬度測(cè)量得出:裂紋開(kāi)口寬度＜0.09 mm 時(shí),射線檢驗(yàn)不可能檢出。裂紋開(kāi)口寬度＞0.09 mm,但與射線夾角＞15°時(shí),射線檢出率明顯下降。

8 結(jié)論

對(duì)預(yù)埋在異種金屬焊縫試塊中一定位置上的人工缺陷進(jìn)行射線檢驗(yàn)可靠性分析,得出如下結(jié)論:

(1)相同透照方式時(shí),未熔合的檢驗(yàn)可靠性高于裂紋檢驗(yàn)可靠性。

(2)對(duì)試塊中預(yù)埋的人工自然裂紋來(lái)說(shuō),如果裂紋開(kāi)口尺寸＞0.09 mm 時(shí),檢驗(yàn)可靠性＞90%。

(3)中心透照法0°檢驗(yàn)可靠性要高于偏心透照法0°,15°,25°和雙壁單影透照法0°,15°,25°的檢驗(yàn)可靠性。

(4)在進(jìn)行射線透照時(shí),優(yōu)先選用中心透照法,可以得到較高的檢驗(yàn)可靠性。

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