王俊龍，朱序東，周 杰

(1.核工業(yè)工程研究設(shè)計有限公司,北京 101300；2.生態(tài)環(huán)境部 華北核與輻射安全監(jiān)督站，北京 100082； 3.國核(福建)核電有限公司，福州 350013)

在核電、石油天然氣等工程的建造過程中，焊接是重要的施工方法。焊接接頭的質(zhì)量對主體設(shè)施及其配套設(shè)施的可靠性有重要的影響，直接影響到設(shè)備的安全運行。文章以某項目主體設(shè)施及其配套設(shè)施安裝工程為背景開展研究，依據(jù)標準NB/T 20003.3-2010 《核電廠核島機械設(shè)備無損檢測 第3部分 射線檢測》 實施檢測。

常規(guī)射線檢測(RT)存在檢測周期長、效率低等缺點，容易影響工程進度。向數(shù)字化轉(zhuǎn)變是射線檢測技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。常見的數(shù)字射線檢測技術(shù)主要包括計算機X射線攝影(CR)和數(shù)字X射線攝影(DR)。DR檢測技術(shù)在壁厚約為21 mm的石油天然氣管道中應(yīng)用較廣泛，權(quán)濤[1]和徐永波[2]的研究結(jié)果均表明DR檢測技術(shù)具有很大的潛能，將其應(yīng)用于天然氣運輸管道焊縫的檢測，可降低檢測成本，提高檢測結(jié)果的可靠性。文章綜合使用冷陰極數(shù)字X射線成像技術(shù)對管徑為10.3～88.9 mm，壁厚為1.73～5.54 mm的管對接焊縫制定了檢測工藝，分析了檢測靈敏度和分辨率的標準符合情況，并與傳統(tǒng)射線檢測技術(shù)進行對比，分析了缺陷的檢出率和定量誤差。

1 檢測原理與特點

1.1 冷陰極DR與傳統(tǒng)RT的檢測原理

射線穿透物體的過程中會與物質(zhì)發(fā)生相互作用(吸收和散射)而強度減弱[3]。強度的衰減程度取決于物質(zhì)的衰減系數(shù)和射線在物質(zhì)中穿透的厚度。如果被透照物體(試件)的局部存在缺陷，且構(gòu)成缺陷的物質(zhì)的衰減系數(shù)又不同于試件的，則透過該局部區(qū)域的射線強度就會與周圍的產(chǎn)生差異。射線檢測就是利用這樣的差異來檢測缺陷的。

冷陰極DR與傳統(tǒng)RT的主要區(qū)別為成像方式不同。傳統(tǒng)RT利用膠片中的感光銀鹽粒子吸收光子形成肉眼不可見的潛影[4]，通過暗室處理技術(shù)在底片上形成肉眼可見的圖像。DR技術(shù)通過數(shù)字探測器來獲得可被顯示和記錄的數(shù)字圖像，其原理為透過被檢物體的射線光子被數(shù)字探測器接收并轉(zhuǎn)換為可見光或電子，再利用電路讀出可見光或電子并進行數(shù)字化處理后，將得到的信號數(shù)據(jù)發(fā)送至計算機系統(tǒng)形成可顯示、分析處理和存儲的圖像，實現(xiàn)圖像的數(shù)字化。冷陰極指電子管中不使用加熱的方式來發(fā)射電子的陰極，其焦點尺寸小，可明顯提升射線檢測的靈敏度。冷陰極DR成像檢測原理如圖1所示。

圖1 冷陰極DR成像檢測原理示意

1.2 冷陰極DR與傳統(tǒng)RT的檢測特點

傳統(tǒng)射線檢測技術(shù)使用的膠片感光銀鹽顆粒很小，能記錄的細節(jié)尺寸可以很小，因此分辨率較高，但后續(xù)的暗室處理易造成環(huán)境污染。冷陰極DR成像檢測技術(shù)與傳統(tǒng)射線檢測技術(shù)相比，在便捷性、工作效率和對探傷時間窗口的需求等方面具有較大優(yōu)勢，具體如下所述。

(1) 便捷性。常規(guī)γ源機尺寸約為350 mm×200 mm×150 mm(長×寬×高，下同)，重量約為15 kg；常規(guī)X射線機尺寸約為800 mm×350 mm×350 mm，重量約為20 kg。冷陰極X射線發(fā)射單元尺寸為350 mm ×215 mm×90 mm，重量約為10 kg；DR探測器尺寸約為330 mm×280 mm×25 mm，重量約為3 kg，小型輕便，并可進行無線傳輸，方便遠程控制和評定。

(2) 工效性。相較于常規(guī)射線檢測技術(shù)，冷陰極DR成像檢測技術(shù)具有焦點小、焦距短、曝光時間短且無需進行暗室處理等特點，可提高射線檢測的工作效率。

(3) 安全性。常規(guī)射線檢測需要沖洗膠片，清洗液會給環(huán)境帶來污染；使用γ射線源進行檢測時需要對整個廠房進行封閉，輻射風(fēng)險較大，而冷陰極DR成像檢測技術(shù)可在相對較小的隔離范圍外與其他工種交叉作業(yè)，環(huán)境污染較小。

(4) 傳統(tǒng)的射線檢測技術(shù)需要大量的膠片來記錄透照信息，底片的存儲及查閱困難，而冷陰極DR成像檢測技術(shù)無需存儲底片，直接形成數(shù)字化底片存儲于電腦中，便于評定存檔和查詢。

2 冷陰極DR與傳統(tǒng)RT對比試驗

文章設(shè)計制作了5種規(guī)格的小徑管對接焊縫自然缺陷驗證試塊，并分別采用冷陰極DR成像檢測技術(shù)和傳統(tǒng)射線檢測技術(shù)對上述自然缺陷驗證試塊進行檢測，并對兩種檢測方法的結(jié)果進行對比分析，其中，冷陰極X射線DR成像檢測技術(shù)執(zhí)行標準NB/T 47013.11-2015 《承壓設(shè)備無損檢測 第11部分 X射線數(shù)字成像檢測》 對AB級焊縫的要求，傳統(tǒng)射線檢測技術(shù)執(zhí)行標準NB/T 20003.3-2010。

2.1 自然缺陷驗證試塊設(shè)計

筆者調(diào)研了某項目的工藝管道規(guī)格，根據(jù)現(xiàn)場實際情況選擇具有代表性的5種規(guī)格管道，根據(jù)上游技術(shù)文件制作了包含裂紋、未熔合、未焊透、氣孔和根部內(nèi)凹等不同類型自然缺陷的驗證試塊，并根據(jù)驗收要求將預(yù)埋缺陷尺寸設(shè)計為要求中不可接受的最小尺寸，制作的自然缺陷試塊規(guī)格及缺陷設(shè)計參數(shù)如表1所示。

2.2 檢測系統(tǒng)

采用TXR-CIR150P-06型冷陰極X射線機、Care View 750Cw型探測器及WISDON 750Cw型數(shù)字射線成像處理系統(tǒng)進行冷陰極DR成像檢測。冷陰極X射線機管電壓為120 kV～150 kV，電流為0.5 mA～3 mA，焦點直徑為1 mm。探測器系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)均滿足NB/T 47013.11-2015標準的要求。

表1 自然缺陷試塊規(guī)格及缺陷設(shè)計參數(shù) mm

傳統(tǒng)射線檢測采用XXG2005型X射線機，管電壓為100 kV～200 kV，電流為5 mA，焦點尺寸為2 mm×2 mm(長×寬)，采用Carestream MX125型(C3類)膠片，洗片方式為自動洗片。

2.3 檢測工藝

2.3.1 冷陰極DR檢測工藝

試驗使用的線型像質(zhì)計標識號為10FEJB，使用的雙線型像質(zhì)計標識號為ISO 19232-J334，均放置于源側(cè)。10.30 mm×1.73 mm(直徑×壁厚，下同)，26.70 mm×2.11 mm和33.4 mm×4.55 mm 3種規(guī)格的小徑管焊縫采用垂直透照的方式，60.30 mm×5.54 mm和88.90 mm×5.49 mm兩種規(guī)格的小徑管采用橢圓透照的方式。不同規(guī)格小徑管的檢測參數(shù)如表2所示。

2.3.2 傳統(tǒng)RT工藝

試驗使用的像質(zhì)計標識號為10FEJB，鉛增感屏前屏與后屏的厚度均為0.05 mm，鉛背防護屏厚度為2 mm，暗室處理時間為8 min，溫度為26 ℃。各小徑管的透照方式與冷陰極DR檢測的一致，傳統(tǒng)RT參數(shù)如表3所示。

表2 不同規(guī)格小徑管的冷陰極DR檢測參數(shù)

表3 不同規(guī)格小徑管的傳統(tǒng)RT參數(shù)

2.4 檢測結(jié)果

采用冷陰極DR成像檢測技術(shù)和傳統(tǒng)射線檢測技術(shù)對自然缺陷驗證試塊進行檢測，觀察和分析影像質(zhì)量，分別統(tǒng)計線型像質(zhì)計(用于靈敏度評定)和雙絲像質(zhì)計(用于分辨率測定)的識別情況，以及缺陷檢出率和缺陷定量的準確率，根據(jù)試驗結(jié)果驗證筆者制定的冷陰極DR成像檢測工藝的有效性和可靠性。

2.4.1 靈敏度

射線檢測利用底片上可識別的最小絲號來評定檢測靈敏度，所識別線型像質(zhì)計的絲號越大，絲徑越小，檢測靈敏度越高。兩種檢測方法可識別的最小絲號與標準要求對比如圖2所示，可見，兩種方法可識別的絲號均不低于標準要求的絲號，即傳統(tǒng)RT圖像的靈敏度符合NB/T 20003.3-2001標準(圖中用標準1表示)的要求；冷陰極DR檢測圖像的靈敏度符合NB/T 47013.11-2015標準AB級焊縫(圖中用標準2表示)的要求，且符合NB/T 20003.3-2001標準的要求。

圖2 兩種檢測方法可識別的最小絲號與標準要求對比

2.4.2 分辨率

DR檢測圖像的分辨率定義為可分辨線對的最小間距，可識別雙線型像質(zhì)計的絲號越大，絲徑越小，則圖像分辨率越高。冷陰極DR檢測可識別雙線型像質(zhì)計的最小絲號與標準要求對比如圖3所示，可見，采用冷陰極DR檢測時，全部DR圖像可識別的雙線型像質(zhì)計絲號均不低于標準要求識別的絲號，即DR檢測圖像的分辨率符合NB/T 47013.11-2015標準AB級焊縫的要求。

圖3 冷陰極DR檢測可識別雙線型像質(zhì)計的最小絲號與標準要求對比

2.4.3 缺陷檢測情況

以檢測靈敏度和分辨率較高的傳統(tǒng)RT結(jié)果為基準，分析冷陰極DR檢測和傳統(tǒng)RT的缺陷檢出情況。結(jié)果表明，冷陰極DR檢測技術(shù)能將傳統(tǒng)RT檢出的缺陷全部檢出，即冷陰極DR檢測的缺陷檢出率不低于按照NB/T 20003.3-2010標準進行的傳統(tǒng)RT的缺陷檢出率。

冷陰極DR檢測與傳統(tǒng)RT的缺陷定量誤差率如表4所示(以傳統(tǒng)RT得到的缺陷尺寸為基準)。由表4可知，與傳統(tǒng)RT檢出的缺陷尺寸相比，冷陰極DR檢測的缺陷定量誤差率不超過±15%。

表4 冷陰極DR檢測與傳統(tǒng)RT的缺陷定量誤差率 %

3 結(jié)語

文章設(shè)計制作了包含不同體積型和面積型缺陷的5種規(guī)格的小徑管對接焊縫自然缺陷驗證試塊，并以此為對象制定檢測工藝，進行了冷陰極DR成像檢測和傳統(tǒng)RT試驗，分析了檢測靈敏度和分辨率的標準符合情況以及缺陷檢出率和定量誤差的情況。試驗結(jié)果表明，采用冷陰極DR檢測時，圖像靈敏度符合NB/T 47013.11-2015標準AB級焊縫的要求，且符合NB/T 20003.3-2010標準要求；同時，DR圖像可識別的雙線型像質(zhì)計絲號不低于標準要求識別的絲號，圖像分辨率符合NB/T 47013.11-2015標準AB級焊縫要求。采用冷陰極DR檢測可針對欲觀察區(qū)域進行圖像處理，提高圖像清晰度和對比度，在檢測直徑小于0.5 mm的氣孔時優(yōu)勢明顯。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，冷陰極DR檢測的缺陷檢出率不低于傳統(tǒng)RT的缺陷檢出率，缺陷定量誤差率不超過±15%。冷陰極DR檢測技術(shù)滿足了工程小徑管的檢測要求，在工程安裝階段應(yīng)用可有效提高射線檢測的效率和輻射防護管理水平，具有廣闊的應(yīng)用前景。