李婧琳 黃煥東 王 杜 錢盛杰 沈正祥

（寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 寧波 315000）

鋁鎂合金壓力管道廣泛應(yīng)用于我國沿海地區(qū)的化工廠空分冷箱內(nèi)，其材質(zhì)為LF2/LF2－M。而空分設(shè)備的安全運(yùn)行時間取決于壓力管道對接焊縫的焊接質(zhì)量。在其制造過程中，常規(guī)目視檢查和表面檢測無法查出焊縫內(nèi)部缺陷，給空分冷箱的安全使用埋下了隱患。目前，壓力管道焊縫內(nèi)部缺陷檢測主要使用X射線檢測技術(shù)，其中數(shù)字射線檢測技術(shù)DR（Digital Radiography）能在曝光量較低的條件下，直接獲取優(yōu)質(zhì)的檢測圖像［1］，且兼具較高的安全性和工作效率，目前得到了越來越廣泛的應(yīng)用。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》中，并未明確給出針對對接焊縫檢測的技術(shù)要求［2－3］。在實(shí)際檢測中，如何保證設(shè)備合理使用、確保檢驗(yàn)工作進(jìn)展順利，如何處理鋁鎂合金焊縫與常規(guī)碳鋼焊縫在檢測時的射線檢測工藝參數(shù)不同等問題相關(guān)研究卻很少。

1 數(shù)字射線DR檢測技術(shù)介紹

近年來，DR成像檢測成了一種比較成熟的數(shù)字成像技術(shù)，采用X射線對數(shù)字成像板進(jìn)行曝光，通過采集轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號轉(zhuǎn)化到計算機(jī)中，數(shù)字信號被計算機(jī)重建為可視影像，實(shí)現(xiàn)在顯示器上顯示、觀察和評定［3－4］。X射線具有穿透性和衰減性，當(dāng)X射線通過數(shù)字探測器時，就能直接獲取被顯示和記錄的數(shù)字圖像，DR檢測原理示意如圖1所示［5］。檢測時，X射線透照過被檢物體后，其強(qiáng)度發(fā)生變化，數(shù)字探測器將接收到的衰減射線光子轉(zhuǎn)換為電子，電路讀取電子后進(jìn)行數(shù)字化處理，然后將信號數(shù)據(jù)發(fā)送至計算機(jī)系統(tǒng)形成可顯示、存儲和分析處理的圖像，從而實(shí)現(xiàn)圖像的數(shù)字化［6］。

圖1 DR檢測原理示意圖

DR成像技術(shù)的核心部分是平板探測器，非晶硅平板探測器是目前市場上應(yīng)用最為廣泛的探測器之一，如圖2所示，它主要由熒光材料碘化銫（CsI）或硫氧化釓（Gd2O2S）等作為閃爍涂層與非晶硅半導(dǎo)體陣列組成，其工作過程是閃爍體涂層將X射線能量轉(zhuǎn)換成可見光，然后經(jīng)非晶硅半導(dǎo)體陣列將可見光轉(zhuǎn)換成電信號［7］。

圖2 平板探測器工作原理示意圖

由上述DR檢測成像原理可知，DR成像與傳統(tǒng)膠片成像在圖像形成上的原理基本一致，區(qū)別在于接受輻射信號的受體不同以及后續(xù)處理信號的方式不同；DR技術(shù)在維持了獲取高質(zhì)量圖像的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了檢測數(shù)據(jù)的數(shù)字化，因此更有利于檢測結(jié)果的分析、處理和保存。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 檢測對象特點(diǎn)分析

DR檢測對象為某空分冷箱內(nèi)59條鋁鎂合金材質(zhì)的壓力管道共計186道對接接頭，采用氬弧焊焊接成形。壓力管道材質(zhì)為LF2、LF2－M、H112等，管道公稱直徑范圍為50～630 mm，壁厚為3～14 mm。相對于鋼質(zhì)管道而言，鋁鎂合金的吸收系數(shù)較小，同等條件下所需的透照能量較小。對鋁鎂合金管與奧氏體不銹鋼管焊接接頭進(jìn)行射線透照時，DR檢測可以克服常規(guī)膠片照相透照寬容度小的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)較高的檢測靈敏度［8］。此外受空分冷箱內(nèi)作業(yè)空間的限制，有時焦距無法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，需要調(diào)整透照參數(shù)以實(shí)現(xiàn)較好的缺陷檢出率。

2.2 檢測設(shè)備器材

X射線機(jī)型號為SMART EV0225DS，見圖3，可用于內(nèi)徑大于12 mm的各種管材，其最大管電壓為225 kV，管電流為4 mA，有效焦點(diǎn)尺寸為2 mm×2 mm。

圖3 SMART EV0225DS X射線機(jī)及數(shù)字探測器

數(shù)字探測器為VDR－RX型面陣列探測器，探測器尺寸為222 mm×222 mm，像素尺寸為127 μm。

2.3 檢測工藝設(shè)置

檢測技術(shù)等級為AB級，根據(jù)管道直徑不同透照方式為雙壁雙影或雙壁單影。根據(jù)現(xiàn)場透照區(qū)情況，選擇合適的透照工藝參數(shù)以達(dá)到靈敏度、分辨率和歸一化信噪比均能滿足NB/T 47013.11—2015標(biāo)準(zhǔn)要求，本項(xiàng)目中的管道公稱直徑范圍為50～630 mm，壁厚為3～14 mm。經(jīng)現(xiàn)場工藝條件的設(shè)置，采用如下的工藝參數(shù)即可滿足上述管道的檢測：管電壓范圍為45～75 kV，管電流為0.20～0.25 mA，曝光時間為0.5～1.2 s，焦距為300～760 mm。

鋁鎂合金壓力管道的透照方式分為雙壁單影和雙壁雙影2種。當(dāng)雙壁單影透照時，像質(zhì)計置于探測器一側(cè)，并將鉛字F放置在適當(dāng)?shù)奈恢米鰳?biāo)記。當(dāng)雙壁雙影透照時，像質(zhì)計置于X射線機(jī)一側(cè)。鋁鎂合金壓力管道檢測時，像質(zhì)計采用鋁基像質(zhì)計，不能采用常用的鋼制像質(zhì)計，單絲線型像質(zhì)計應(yīng)橫跨焊縫放置，并且細(xì)絲在外側(cè)，雙線型像質(zhì)計放置在母材上，細(xì)絲朝外側(cè)擺放。同時，用試塊Ⅱ型對比試塊測量缺陷自身高度。實(shí)際布置見圖4。

圖4 像質(zhì)計和對比試塊布置（雙壁雙影）

NB/T 47013.11—2015標(biāo)準(zhǔn)要求鋁及其合金采用AB級檢測時，歸一化信噪比SNRn大于100，可以通過測量信噪比SNRm按照式（1）進(jìn)行計算。

式中：

P——探測器像素大小，μm；

SNRm——測量信噪比。

測量信噪比SNRm與曝光量成正比，當(dāng)管電流一定時，曝光量正比于曝光時間，曝光量越大，曝光時間越長，因此適當(dāng)?shù)难娱L曝光時間，可提升信噪比。

射線機(jī)可發(fā)射激光模擬射線路徑，見圖5。進(jìn)行傾斜透照成像時，影像的2個半圓間距控制在1個焊縫寬度左右。

圖5 激光模擬射線路徑

本文采用面陣列探測器，因此需要選擇合適的采集幀周期、增益和管電流來控制曝光量。筆者在實(shí)驗(yàn)室的條件下完成2個模板的幀周期和增益（1s－0.5pf和1s－1pf），基本可滿足常規(guī)檢測。

X射線訓(xùn)機(jī)完成后，設(shè)置好電壓、電流值及曝光時間，開始圖像初步采集。完成圖像初步采集后，檢查圖像灰度、歸一化信噪比、靈敏度、分辨率等參數(shù)是否均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。通過調(diào)節(jié)管電壓、管電流、曝光時間、焦距等工藝參數(shù)，直至圖像的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)標(biāo)后開始檢測。

2.4 檢測結(jié)果分析及焊接工藝改進(jìn)建議

186道對接接頭DR結(jié)果評定為Ⅳ級的缺陷有73處，其中未焊透缺陷占Ⅳ級缺陷總數(shù)的70%以上，見圖6～圖8，其他的主要為條形和圓形氣孔缺陷，見圖9，有少量未熔合和深孔缺陷。

圖6 未焊透

圖7 未焊透

圖8 未焊透

圖9 氣孔

結(jié)合焊接工藝和材料性質(zhì)，分析未焊透缺陷產(chǎn)生的可能原因如下：1）鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)較大，冷卻速度和熔池的一次結(jié)晶速度快，而鋁鎂合金管件的焊接質(zhì)量很大程度上取決于焊件組質(zhì)量和施焊位置。當(dāng)組對間隙太小、鈍邊過大、坡口角度太小及錯邊量超標(biāo)等問題出現(xiàn)時，很容易在立焊和仰焊位置形成根部未焊透［9］。2）空分管道大部分是彎頭，其厚度大于直管段的厚度，雖然經(jīng)厚度過渡，但兩邊的單位體積仍然不同，導(dǎo)熱量和散熱量也有所差異，如果不注意調(diào)整焊松和焊絲位置的角度，極易產(chǎn)生單邊根部未焊透。3）焊件的焊前的表面處理也是直接影響焊接質(zhì)量的因素之一，焊件表面氧化膜清除不徹底，存有油污等雜質(zhì)，就會導(dǎo)致焊接電流小、電弧過長、速度過快，從而使得焊接的熔化溫度不夠，造成根部未焊透。

因此空分冷箱中鋁鎂合金壓力管道制定焊接工藝時應(yīng)重點(diǎn)防范根部未焊透缺陷，根據(jù)鋁鎂合金材質(zhì)的特性以及現(xiàn)場焊接中可能遇到的問題，采取適當(dāng)提高焊接線能量、降低焊接速度、適當(dāng)增大焊接坡口間隙、減小鈍邊高度、控制焊絲的角度等措施來保證焊縫金屬填主滿焊縫根部區(qū)域。

3 結(jié)論

通過對某企業(yè)空分冷箱內(nèi)的壓力管道開展DR數(shù)字射線成像檢測，得到如下結(jié)論：

1）空分冷箱鋁鎂合金壓力管道對接接頭采用DR檢測可以獲得較好的檢測效果，圖像靈敏度高、對比度高、分辨率也能達(dá)到NB/T 47013.11—2015標(biāo)準(zhǔn)要求；

2）本次DR檢測發(fā)現(xiàn)鋁鎂合金壓力管道缺陷主要為未焊透缺陷，通過對焊接工藝和材料性質(zhì)進(jìn)行分析，給出了未焊透缺陷產(chǎn)生的可能原因，并給出了相應(yīng)的焊接工藝改進(jìn)建議。