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        環(huán)形核燃料元件焊縫的數(shù)字X射線(xiàn)成像檢測(cè)

        2021-06-08 03:03:24張小剛俞東寶
        無(wú)損檢測(cè) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:焊縫檢測(cè)

        湯 慧,張小剛,俞東寶

        (中核北方核燃料元件有限公司,包頭 014035)

        環(huán)形核燃料元件作為一種新型元件,可大幅度提高燃料元件的傳熱效率,降低燃料芯塊溫度,顯著提升核電系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。環(huán)形核燃料元件焊縫包括端塞柱面環(huán)焊縫和端塞端部環(huán)焊縫,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。要求對(duì)其進(jìn)行100%數(shù)字X射線(xiàn)成像檢測(cè)。

        圖1 環(huán)形核燃料元件結(jié)構(gòu)示意

        數(shù)字X射線(xiàn)成像檢測(cè)技術(shù)是一種可以直接獲得數(shù)字化圖像的檢測(cè)技術(shù),其成像質(zhì)量主要由靈敏度、清晰度和灰度來(lái)描述。該技術(shù)檢測(cè)效率高,可實(shí)時(shí)獲得質(zhì)量信息,可通過(guò)旋轉(zhuǎn)使射線(xiàn)束垂直于缺陷(減少畸變影響,提高缺陷的檢測(cè)精度),更能適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)快速在線(xiàn)檢測(cè)的需求。

        1 檢測(cè)原理

        射線(xiàn)在穿透物質(zhì)的過(guò)程中會(huì)與物質(zhì)發(fā)生相互作用而強(qiáng)度減弱,強(qiáng)度衰減遵循指數(shù)衰減規(guī)律,衰減程度取決于物質(zhì)的線(xiàn)衰減系數(shù)和射線(xiàn)在物質(zhì)中的穿透厚度。當(dāng)物體中存在缺陷,且缺陷的衰減系數(shù)和物體材料的衰減系數(shù)不同時(shí),缺陷與物體完好部位對(duì)射線(xiàn)的吸收程度不同,到達(dá)平板探測(cè)器的射線(xiàn)強(qiáng)度就不同,經(jīng)過(guò)圖像處理,就會(huì)得到黑度不同的影像,通過(guò)圖像即可對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。數(shù)字X射線(xiàn)檢測(cè)原理如圖2所示。

        圖2 數(shù)字X射線(xiàn)檢測(cè)原理示意

        試驗(yàn)設(shè)備為Comet HS-XY-320型高頻雙焦點(diǎn)X射線(xiàn)機(jī)(焦點(diǎn)直徑分別為1.0,0.4 mm)、PE 0822型成像板和專(zhuān)用圖像處理軟件、鋯合金絲型像質(zhì)計(jì)等,試驗(yàn)對(duì)象為φ 18 mm的鋯合金環(huán)形核燃料元件,其內(nèi)外包殼壁厚小于1 mm。

        2 端塞柱面環(huán)焊縫數(shù)字X射線(xiàn)成像檢測(cè)工藝及金相檢驗(yàn)結(jié)果比較

        2.1 檢測(cè)工藝

        環(huán)形核燃料元件柱面環(huán)焊縫為中空式環(huán)焊縫,燃料棒端塞柱面環(huán)焊縫屬于小徑管對(duì)接環(huán)焊縫。對(duì)于給定的檢測(cè)系統(tǒng),由式(1)可知,隨著焦點(diǎn)尺寸的減小,最佳放大倍數(shù)將增大,空間分辨率相應(yīng)提高。試驗(yàn)選擇的射線(xiàn)源焦點(diǎn)直徑為0.4 mm。

        M0=1+(UC/d)3/2

        (1)

        式中:M0為最佳放大倍數(shù);d為焦點(diǎn)尺寸;UC為探測(cè)器的固有不清晰度。

        提高疊加幀數(shù)可有效提高信噪比但同時(shí)增加了檢測(cè)時(shí)間,當(dāng)疊加幀數(shù)在15幀以上時(shí),繼續(xù)提高疊加幀數(shù),信噪比無(wú)明顯提高。為了獲得高信噪比的圖像,試驗(yàn)的單幀采集時(shí)間不小于199 ms,疊加幀數(shù)為30幀~50幀。

        隨著增益的增大,圖像灰度值和信噪比迅速增大;隨著單幀采集時(shí)間的增加圖像灰度有所增加,但增加緩慢。增益越大信噪比越大,當(dāng)圖像灰度值在30 000左右時(shí)信噪比存在最大值。因此試驗(yàn)設(shè)定增益為1.0 pF~2.0 pF,單幀采集時(shí)間為499 ms。

        現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí),在達(dá)到檢測(cè)規(guī)定的靈敏度條件下,應(yīng)選擇較小焦距以降低射線(xiàn)機(jī)的工作電壓,試驗(yàn)透照選擇管電流為3 mA,疊加幀數(shù)為50幀,焦距為750 mm,電壓為172 kV。射線(xiàn)檢測(cè)圖像的最小可見(jiàn)絲徑為0.20 mm,滿(mǎn)足靈敏度要求。焦距、管電壓、圖像灰度和靈敏度的變化關(guān)系(端塞柱面環(huán)焊縫)如表1所示[1-2]。

        表1 焦距、管電壓圖像灰度和靈敏度的變化關(guān)系(端塞柱面環(huán)焊縫)

        2.2 金相檢驗(yàn)結(jié)果比較

        對(duì)環(huán)形核燃料元件端塞環(huán)焊縫的數(shù)字X射線(xiàn)檢測(cè)發(fā)現(xiàn),柱面環(huán)焊縫的主要缺陷有單個(gè)氣孔、密集氣孔、未焊透和氣脹等4類(lèi),缺陷的數(shù)字X射線(xiàn)成像和金相照片如表2所示。

        表2 端塞柱面環(huán)焊縫缺陷的數(shù)字X射線(xiàn)成像與金相照片

        數(shù)字X射線(xiàn)成像檢測(cè)方法可有效檢測(cè)出環(huán)形核燃料元件柱面環(huán)焊縫中直徑大于0.20 mm的氣孔、夾雜等缺陷,可有效檢測(cè)出深度大于0.20 mm的氣脹、未焊透等缺陷。

        3 端塞端面環(huán)焊縫數(shù)字X射線(xiàn)成像檢測(cè)工藝及金相檢驗(yàn)結(jié)果

        3.1 檢測(cè)工藝

        根據(jù)端面環(huán)焊縫的位置特點(diǎn),設(shè)計(jì)了內(nèi)部補(bǔ)償裝置,其結(jié)構(gòu)如圖3所示(圖中陰影部分為補(bǔ)償塊)。內(nèi)部補(bǔ)償裝置由經(jīng)過(guò)X射線(xiàn)檢測(cè)合格的材料按所檢焊縫的形狀和尺寸制造,其對(duì)X射線(xiàn)的吸收系數(shù)與被檢工件一致或相近。應(yīng)盡可能薄地加工一個(gè)內(nèi)插圓管進(jìn)行內(nèi)部補(bǔ)償,讓其與燃料元件的內(nèi)包殼內(nèi)壁緊密貼合;端部補(bǔ)償后尺寸應(yīng)與端頭外徑相當(dāng),保證射線(xiàn)的均勻性。需要注意補(bǔ)償后總厚度的射線(xiàn)檢測(cè)靈敏度應(yīng)滿(mǎn)足檢測(cè)要求。

        圖3 內(nèi)部補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)示意

        試驗(yàn)設(shè)計(jì)焦距為7001 250 mm(增加間隔為50 mm)。試驗(yàn)需要保證平板探測(cè)器的有效灰度值大于30 000,所以管電流設(shè)定為3 mA,采集時(shí)間為200 ms,疊加幀數(shù)為50幀。焦距、管電壓、圖像灰度和靈敏度的變化關(guān)系(端塞端面環(huán)焊縫)如表3所示。

        表3 焦距、管電壓和靈敏度的變化關(guān)系(端塞端面環(huán)焊縫)

        由表3可見(jiàn),當(dāng)焦距為1 150 mm時(shí),最小可見(jiàn)絲徑為0.100 mm。最終確定檢測(cè)試驗(yàn)的焦距為1 200 mm,對(duì)應(yīng)管電壓為145 kV。補(bǔ)償后端塞端面焊縫的數(shù)字X射線(xiàn)成像檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

        圖4 補(bǔ)償后端塞端面焊縫數(shù)字X射線(xiàn)成像檢測(cè)結(jié)果

        3.2 金相檢驗(yàn)結(jié)果比較

        端面環(huán)焊縫主要有單個(gè)圓形氣孔、單個(gè)條形氣孔和密集氣孔等體積型缺陷,其數(shù)字X射線(xiàn)成像和金相照片如表4所示。

        表4 端塞端面環(huán)焊縫缺陷的數(shù)字X射線(xiàn)成像與金相照片

        為進(jìn)一步分析樣品缺陷的三維尺寸,在發(fā)現(xiàn)缺陷后,采用4000目的金相砂紙每磨制30 s采集一張金相照片,某缺陷在4次分層金相檢驗(yàn)中的金相照片如圖5所示,該缺陷確定為φ 0.11 mm氣孔。

        圖5 某缺陷分層金相檢驗(yàn)照片

        通過(guò)對(duì)30個(gè)柱面環(huán)焊縫和30個(gè)端面環(huán)焊縫進(jìn)行數(shù)字X射線(xiàn)成像檢測(cè)及金相檢驗(yàn),建立環(huán)形核燃料元件焊縫數(shù)字X射線(xiàn)成像檢測(cè)方法,可實(shí)現(xiàn)對(duì)該燃料元件環(huán)焊縫的有效評(píng)價(jià)。

        4 結(jié)語(yǔ)

        開(kāi)展了環(huán)形核燃料元件端塞環(huán)焊縫的數(shù)字X射線(xiàn)成像檢測(cè)技術(shù)的研究,柱面環(huán)焊縫檢測(cè)圖像最小可識(shí)別絲徑達(dá)0.20 mm,可實(shí)現(xiàn)焊縫內(nèi)氣孔、未焊透和氣脹等缺陷的定性分析;針對(duì)端面環(huán)焊縫檢測(cè)存在的困難,結(jié)合焊縫用途和缺陷特點(diǎn),設(shè)計(jì)了射線(xiàn)檢測(cè)專(zhuān)用補(bǔ)償裝置,可有效檢測(cè)出端面環(huán)焊縫中直徑大于0.10 mm的氣孔、夾雜等體積型缺陷。

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