李越成

(中國(guó)核工業(yè)第五建設(shè)有限公司，上海 201512)

1 設(shè)備閘門(mén)概況

設(shè)備閘門(mén)為法蘭型環(huán)狀閘門(mén)，其貫穿核電站反應(yīng)堆安全殼，是安全殼上的重要設(shè)備。設(shè)備閘門(mén)由閘門(mén)封頭、閘門(mén)筒體、提升裝置和懸掛裝置等幾大部分組成。其中，設(shè)備閘門(mén)筒體的補(bǔ)強(qiáng)板和安全殼筒體的連接方式為全熔透對(duì)接。為了保證安全殼的整體密封性，需要對(duì)焊縫進(jìn)行100%滲透檢測(cè)(清根及完成焊接后各進(jìn)行一次)和100%射線(xiàn)檢測(cè)。為了避免焊接變形，閘門(mén)套筒補(bǔ)強(qiáng)板與筒體板焊接時(shí)，在焊接應(yīng)力引起的法蘭變形減到最小之前，法蘭接合面不能被打開(kāi)。

2 設(shè)備閘門(mén)補(bǔ)強(qiáng)板焊接特點(diǎn)

2.1 補(bǔ)強(qiáng)板焊接坡口加工

設(shè)備閘門(mén)補(bǔ)強(qiáng)板材料為SA 738Gr.B，厚度為95.3 mm，坡口形式為不對(duì)稱(chēng)X型，其設(shè)計(jì)尺寸及坡口形式如圖1所示。坡口實(shí)際加工尺寸和設(shè)計(jì)尺寸會(huì)存在一定的偏差。

圖1 設(shè)計(jì)尺寸及坡口形式示意

2.2 補(bǔ)強(qiáng)板焊接坡口對(duì)中

補(bǔ)強(qiáng)板定位焊后，進(jìn)行間隙和錯(cuò)邊量檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，在保證錯(cuò)邊量滿(mǎn)足要求的前提下，由于實(shí)際坡口加工存在偏差，使得補(bǔ)強(qiáng)板的鈍邊位置和鋼制安全殼筒體上的鈍邊位置無(wú)法對(duì)中。對(duì)補(bǔ)強(qiáng)板8個(gè)方位點(diǎn)進(jìn)行鈍邊距離測(cè)量，鈍邊測(cè)量位置及閘門(mén)分區(qū)如圖2所示(圖中T1為底封頭板厚度,T2為第一圈筒體板厚度,T3為第二圈筒體板厚度)，鈍邊距離測(cè)量結(jié)果如表1所示。

圖2 鈍邊測(cè)量位置及閘門(mén)分區(qū)示意

表1 鈍邊距離測(cè)量結(jié)果 mm

由測(cè)量得知，補(bǔ)強(qiáng)板的鈍邊位置x為43～70 mm，平均值為52.5 mm，補(bǔ)強(qiáng)板坡口上、下位置出現(xiàn)負(fù)偏差，左、右位置出現(xiàn)正偏差，并在1#,3#,5#,7#位附近偏差值較大。

2.3 補(bǔ)強(qiáng)板焊接坡口寬度

由于坡口加工時(shí)出現(xiàn)偏差，焊接完成后，部分焊縫寬度達(dá)到90 mm(一般為35 mm)，對(duì)補(bǔ)強(qiáng)板8個(gè)方位點(diǎn)的內(nèi)、外側(cè)進(jìn)行焊縫寬度測(cè)量(內(nèi)外側(cè)焊縫寬度示意見(jiàn)圖3)，發(fā)現(xiàn)上、下方位外側(cè)焊縫比內(nèi)側(cè)焊縫寬，而左、右方位內(nèi)側(cè)焊縫比外側(cè)焊縫寬。

圖3 內(nèi)外側(cè)焊縫寬度示意

由測(cè)量得知，補(bǔ)強(qiáng)板的內(nèi)焊縫寬度為36～88 mm，從1#位到8#位呈現(xiàn)先變大，后變小，再變大的趨勢(shì)，在3#,7#位附近達(dá)到最大；外焊縫寬度為40～75 mm，從1#位到8#位呈現(xiàn)先變小，后變大，再變小的趨勢(shì)，在1#,5#位附近達(dá)到最大，與內(nèi)側(cè)焊縫寬度變化趨勢(shì)剛好相反。

3 補(bǔ)強(qiáng)板焊縫射線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)難點(diǎn)

3.1 射線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)要求

射線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)文件要求將工件焊縫及熱影響區(qū)影像全部顯示在底片上，底片標(biāo)識(shí)不得遮蓋焊縫有效評(píng)定區(qū)影像；X射線(xiàn)底片有效評(píng)定區(qū)黑度要求在1.8～4.0，γ射線(xiàn)底片有效評(píng)定區(qū)黑度要求在2.0～4.0。對(duì)于厚度變化不大的焊縫(常規(guī)焊縫)，只需對(duì)同一片位分兩個(gè)區(qū)域透照即能滿(mǎn)足檢測(cè)技術(shù)文件要求，其分區(qū)如圖4所示。

圖4 常規(guī)焊縫分區(qū)示意

一般而言，不對(duì)稱(chēng)X型坡口焊接的補(bǔ)強(qiáng)板內(nèi)側(cè)焊縫比外側(cè)焊縫寬，底片標(biāo)識(shí)放在內(nèi)側(cè)焊縫熱影響區(qū)外，分區(qū)標(biāo)記放置在有效評(píng)定區(qū)以外的焊縫上，用以識(shí)別有效區(qū)域。透照由內(nèi)側(cè)向外側(cè)進(jìn)行，標(biāo)記影像不會(huì)投影到焊縫影像區(qū)域內(nèi)。

3.2 射線(xiàn)檢測(cè)難點(diǎn)分析

對(duì)補(bǔ)強(qiáng)板焊縫超寬區(qū)域進(jìn)行射線(xiàn)檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于部分位置內(nèi)外側(cè)焊縫寬窄不一，厚度較厚(部分位置甚至超過(guò)了X射線(xiàn)機(jī)的最大透照厚度), 厚度差大，拍攝的底片質(zhì)量很難達(dá)到要求，特別是靠近補(bǔ)強(qiáng)板一側(cè)。其技術(shù)困難主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

(1) 補(bǔ)強(qiáng)板焊縫超寬，合理分區(qū)困難

典型偏差焊縫截面如圖5所示，可見(jiàn)補(bǔ)強(qiáng)板內(nèi)、外焊縫寬窄不一。

圖5 典型偏差焊縫截面

經(jīng)分析，這種情況是補(bǔ)強(qiáng)板坡口鈍邊加工位置出現(xiàn)偏差及不同位置的筒體板標(biāo)稱(chēng)厚度不同引起的。當(dāng)不出現(xiàn)偏差時(shí)，x為60.3 mm(見(jiàn)圖1)。

(2) 厚度差梯度過(guò)大，工藝制定困難

在可透照范圍內(nèi)，不同片位透照寬度和厚度不一，厚度方向的梯度變化不規(guī)律，從而較難確定透照工藝，易造成底片黑度不均、黑度超標(biāo)、標(biāo)識(shí)不全等，難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求[1]。透照厚度方向的梯度如圖6所示(圖中T為工件厚度)。

圖6 透照厚度方向的梯度示意

4 射線(xiàn)檢測(cè)方案與工藝的制定

4.1 射線(xiàn)檢測(cè)方案制定

補(bǔ)強(qiáng)板焊縫的透照經(jīng)過(guò)綜合分析制定了如下工藝方案：對(duì)于分區(qū)，將補(bǔ)強(qiáng)板一側(cè)的焊縫邊界畫(huà)到另一側(cè)的焊縫上，綜合起來(lái)進(jìn)行透照區(qū)域劃分；對(duì)于參數(shù)選擇，測(cè)量出各個(gè)片位及區(qū)域的透照厚度，分別制定相應(yīng)的曝光參數(shù)進(jìn)行透照。

按照以上方案進(jìn)行試片時(shí)發(fā)現(xiàn)，內(nèi)、外焊縫筒體板側(cè)邊界的距離差也有較大變化，使得在將補(bǔ)強(qiáng)板一側(cè)的焊縫邊界畫(huà)到另一側(cè)的焊縫上時(shí)失去基準(zhǔn)，出現(xiàn)誤差。因此,首先需要通過(guò)定位片確定內(nèi)外焊縫筒體板側(cè)邊界的相對(duì)位置。

4.1.1 焊縫邊界測(cè)定

在焊縫1#～8#位置附近分別選擇特征片位，利用定位片進(jìn)行焊縫邊界測(cè)定。

定位片標(biāo)識(shí)及鉛字標(biāo)記布置如圖7所示，將鉛字“V”“XX”放置在內(nèi)焊縫邊界(“XX”代表片位)，將鉛字“A”“B”放置在外焊縫邊界，通過(guò)鉛字標(biāo)記在底片上的投影位置來(lái)推測(cè)焊縫邊界的大致變化規(guī)律。

圖7 定位片標(biāo)識(shí)及鉛字標(biāo)記布置示意

方位特征片定位數(shù)據(jù)如表2所示[以?xún)?nèi)側(cè)(V)邊界為零位，“內(nèi)(V)-外(A)”為正數(shù)，表示外焊縫筒體板側(cè)邊界在底片上的投影在內(nèi)側(cè)焊縫的投影內(nèi),反之在外]，其影像及尺寸如圖8所示。

圖8 方位特征片的影像及尺寸

由表2可知，不同位置的內(nèi)外焊縫筒體板側(cè)邊界都不同。根據(jù)數(shù)據(jù)模擬補(bǔ)強(qiáng)板內(nèi)、外焊縫的位置走勢(shì)如圖9所示。其中紅色區(qū)域?yàn)橥鈧?cè)焊縫變化影像位置，黑色區(qū)域?yàn)閮?nèi)側(cè)焊縫影像位置。

4.1.2 焊縫厚度測(cè)量

若要制定合理可行的檢測(cè)工藝，就需要了解焊縫的坡口形式和焊縫透照厚度(T)，由圖9可知，部分坡口鈍邊不對(duì)中導(dǎo)致焊縫超寬，實(shí)際透照厚度變化較大，故擬對(duì)每個(gè)片位分薄、中、厚3個(gè)區(qū)域進(jìn)行透照(見(jiàn)圖10)，若要準(zhǔn)確控制底片黑度，就應(yīng)了解各個(gè)區(qū)域的透照厚度變化和最厚處的厚度情況。例如，需要知道線(xiàn)條3處的T，只需要測(cè)出圖中Y1和Y2，即在內(nèi)外側(cè)X1值相等處測(cè)量焊縫相對(duì)于筒體板的余高，則T=T1+Y1+Y2(T1為筒體板厚度)。

表2 方位特征片定位數(shù)據(jù) mm

圖9 補(bǔ)強(qiáng)板內(nèi)、外側(cè)焊縫位置示意(模擬結(jié)果)

圖10 焊縫透照厚度測(cè)量模型

具體測(cè)算方法如下：① 分別測(cè)量并記錄補(bǔ)強(qiáng)板焊縫所有片位的內(nèi)、外焊縫寬度；② 根據(jù)定位片測(cè)量結(jié)果描繪出內(nèi)、外側(cè)焊縫邊界，根據(jù)每個(gè)片位的厚度變化趨勢(shì)在內(nèi)外焊縫上分別畫(huà)出補(bǔ)強(qiáng)板焊縫的3次透照區(qū)域，如圖10所示的1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)；③ 分別測(cè)出如圖10所示線(xiàn)條1，2，3處的Y1,Y2；④ 記錄各區(qū)透照厚度，T=T1+Y1+Y2。

根據(jù)測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)部分焊縫厚度較大，有的甚至超出了SMART-300HP恒壓X射線(xiàn)機(jī)的最大穿透厚度(按說(shuō)明書(shū)中最大鋼穿透厚度為65 mm)，大厚度焊縫所占百分比如表3所示。

表3 大厚度焊縫百分比

4.2 射線(xiàn)檢測(cè)工藝

根據(jù)測(cè)量結(jié)果分析,將補(bǔ)強(qiáng)板焊縫在寬度方向上分3個(gè)區(qū)域進(jìn)行射線(xiàn)檢測(cè),片位分區(qū)如圖11所示。

圖11 片位分區(qū)

4.2.1 射線(xiàn)源種類(lèi)及能量選擇

依據(jù)測(cè)量出的補(bǔ)強(qiáng)板焊縫各區(qū)域的厚度情況和射線(xiàn)檢測(cè)設(shè)備的穿透能力可選擇合適的射線(xiàn)源，對(duì)1區(qū)、2區(qū)及厚度小于65 mm的3區(qū)片位使用X射線(xiàn)進(jìn)行透照，對(duì)超過(guò)射線(xiàn)機(jī)透照厚度范圍的剩余3區(qū)片位使用γ射線(xiàn)進(jìn)行透照(只有3區(qū)存在厚度超過(guò)65 mm的情況)。

由焊縫厚度測(cè)量結(jié)果可知，同區(qū)的各個(gè)片位厚度存在厚度差，并且厚度變化梯度不盡相同。由曝光曲線(xiàn)可知，同等條件下，適當(dāng)提高X射線(xiàn)機(jī)的管電壓，在規(guī)定的黑度范圍內(nèi)可容許更大的厚度變化范圍，即增大了寬容度，同時(shí)可以減小散射比和邊蝕效應(yīng)。結(jié)合曝光時(shí)間和設(shè)備性能，X射線(xiàn)管電壓選擇280 kV。而γ射線(xiàn)能量比X射線(xiàn)能量大，具有更大的寬容度，但限于γ射線(xiàn)能量不可調(diào)節(jié)，若透照3區(qū)片位寬容度不滿(mǎn)足要求時(shí)，應(yīng)增加4區(qū)進(jìn)行單獨(dú)曝光。

根據(jù)焊縫厚度測(cè)量結(jié)果，3區(qū)最大厚度差部位評(píng)定區(qū)黑度為2.213.64，符合2.004.00要求，即3區(qū)進(jìn)行γ射線(xiàn)透照寬容度符合要求。

由曝光曲線(xiàn)可知，規(guī)格為41.3，44.45，47.6 mm的筒體板焊縫1區(qū)曝光量分別為21，27，33 mA·min；2區(qū)曝光量分別為27，32，37 mA·min；3區(qū)曝光量分別為30，35，40 mA·min。3區(qū)透照厚度為58～84 mm(實(shí)測(cè))的部分，曝光量分別為2 040～6 783 Ci·min。實(shí)際曝光量可根據(jù)測(cè)量厚度進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整。

4.2.2 透照方式及焦物距的選擇和確定

根據(jù)補(bǔ)強(qiáng)板焊縫的位置特點(diǎn)和透照方式的選用原則，在進(jìn)行X和γ射線(xiàn)透照時(shí)均采用環(huán)縫單壁內(nèi)透法。再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的幾何不清晰度的要求和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況確定實(shí)際透照時(shí)的焦物距。

對(duì)補(bǔ)強(qiáng)板焊縫進(jìn)行X射線(xiàn)透照時(shí)，根據(jù)幾何不清晰度限值和焦點(diǎn)尺寸，要求的最小焦物距為280 mm。綜合底片質(zhì)量和一次透照長(zhǎng)度考慮，焦物距可選擇600 mm，此時(shí)，Ug(幾何不清晰度)為0.27 mm，小于0.51 mm[ASME(美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì))標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值]。

對(duì)補(bǔ)強(qiáng)板焊縫進(jìn)行γ射線(xiàn)透照時(shí)，根據(jù)幾何不清晰度限值和焦點(diǎn)尺寸，厚度為75 mm處最小焦物距為300 mm，厚度為84 mm處最小焦物距為250 mm。綜合底片質(zhì)量和一次透照長(zhǎng)度考慮，焦物距可選擇400 mm，此時(shí)，75 mm厚處最大的Ug為0.56 mm，小于0.76 mm(ASME標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值)，84 mm厚處最大的Ug為0.63 mm，小于1.02 mm(ASME標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值)。

4.2.3 膠片及增感屏的選用

膠片選用規(guī)格(長(zhǎng)×寬)為360 mm×100 mm的AGFA牌C7型膠片，增感屏選用厚為0.15 mm的鉛增感屏。

4.3 底片的評(píng)定

在嚴(yán)格按照規(guī)程要求控制底片黑度的同時(shí)，需特別注意熱影響區(qū)的黑度控制，X射線(xiàn)底片黑度要求在1.8～4.0，γ射線(xiàn)單張底片黑度要求在2.0～4.0，一般進(jìn)行γ射線(xiàn)檢測(cè)時(shí)，不建議進(jìn)行雙片疊加觀察(底片質(zhì)量偏低，不利于發(fā)現(xiàn)缺陷)。

4.4 過(guò)程控制

在檢測(cè)時(shí)注意記錄過(guò)程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如分區(qū)位置、測(cè)量厚度、曝光參數(shù)等，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，對(duì)分區(qū)大小及透照參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正并應(yīng)用到之后的檢測(cè)當(dāng)中。

4.5 檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)對(duì)設(shè)備閘門(mén)補(bǔ)強(qiáng)板焊縫進(jìn)行分區(qū)域透照，焊縫影像能夠清晰完整地呈現(xiàn)在底片上，達(dá)到了預(yù)期效果，底片影像如圖12所示。所拍底片的質(zhì)量參數(shù)如表4所示(使用的像質(zhì)計(jì)為ASME像質(zhì)計(jì))。

圖12 補(bǔ)強(qiáng)板焊縫的底片影像

表4 焊縫底片質(zhì)量參數(shù)

5 結(jié)語(yǔ)

探討了一種不等厚焊縫的射線(xiàn)檢測(cè)方法，通過(guò)測(cè)量不同位置的厚度和焊縫寬度，對(duì)工件進(jìn)行分區(qū)、分段透照，得到的底片質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求，為類(lèi)似結(jié)構(gòu)焊縫的射線(xiàn)檢測(cè)提供參考。