劉思明, 盧志鵬, 黃凱華, 周昌智, 尹嘉雯

(上海船舶工藝研究所，上海 200032)

0 引 言

焊接是船舶建造必不可少的重要施工技術(shù)，焊縫質(zhì)量直接影響船舶的結(jié)構(gòu)、使用壽命和安全可靠性，必須對(duì)焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)(Non-Destructive Testing，NDT)。目前在船舶建造焊縫質(zhì)量檢測(cè)中常規(guī)膠片射線檢測(cè)(Radiography Testing，RT)應(yīng)用十分廣泛，而數(shù)字射線檢測(cè)(Digital Radiography Testing，DRT)應(yīng)用較少，一個(gè)較重要的原因在于DRT技術(shù)是否與常規(guī)膠片RT技術(shù)具有同等缺陷檢測(cè)能力，即等效性問(wèn)題[1]，在檢測(cè)圖像上可否正確地顯示缺陷的形狀、尺寸、分布，給出正確的缺陷性質(zhì)和質(zhì)量級(jí)別的評(píng)判。對(duì)于等效性問(wèn)題，目前船舶建造領(lǐng)域研究較少。近些年，國(guó)內(nèi)外主要是進(jìn)行大量缺陷檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)和像質(zhì)計(jì)識(shí)別對(duì)比試驗(yàn)，討論兩種技術(shù)的缺陷檢測(cè)能力問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外的研究以成像過(guò)程基本理論為基礎(chǔ)，將DRT技術(shù)和常規(guī)膠片RT技術(shù)作為成像系統(tǒng)[2]，從是否構(gòu)成具有同等成像質(zhì)量的成像系統(tǒng)角度在理論上討論等效性問(wèn)題。

X射線DRT技術(shù)等級(jí)分為2級(jí)：AB級(jí)為中靈敏度技術(shù)；B級(jí)為高靈敏度技術(shù)[3]。RT技術(shù)等級(jí)分為3級(jí)：A級(jí)為低靈敏度技術(shù)；AB級(jí)為中靈敏度技術(shù)；B級(jí)為高靈敏度技術(shù)[4]。針對(duì)鋼材料平對(duì)接焊縫，采用7.000～32.000 mm的母材，以AB級(jí)技術(shù)等級(jí)為例進(jìn)行研究。

1 檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等效性要求

1.1 靈敏度指標(biāo)

DRT與RT的基本原理為利用射線穿透厚度的不同，造成輻射探測(cè)器接收的射線強(qiáng)度不同，通過(guò)DRT與RT影像上的不均勻識(shí)別缺陷。DRT與RT圖像質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)為對(duì)比度，通常定義為檢測(cè)圖像2個(gè)區(qū)域的信號(hào)差ΔS與圖像信號(hào)S之比，即為小厚度差ΔT引起的一次射線強(qiáng)度差ΔI與射線強(qiáng)度I之比。檢測(cè)圖像質(zhì)量參數(shù)如圖1所示，其中，T為透照厚度。

圖1 檢測(cè)圖像質(zhì)量參數(shù)示例

檢測(cè)圖像對(duì)比度C為

(1)

式中：μ為射線的線衰減系數(shù)；n為散射比(一次射線強(qiáng)度與散射線強(qiáng)度之比)。

通常DRT與RT圖像的對(duì)比度通過(guò)線型像質(zhì)計(jì)評(píng)定。文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]對(duì)線型像質(zhì)計(jì)的要求完全相同。線型像質(zhì)計(jì)靈敏度(單壁透照、像質(zhì)計(jì)置于射線源側(cè))如表1所示。

表1 線型像質(zhì)計(jì)靈敏度(單壁透照、像質(zhì)計(jì)置于射線源側(cè)) mm

1.2 不清晰度指標(biāo)

DRT與RT的不清晰度主要分為幾何不清晰度與固有不清晰度。RT技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)僅規(guī)定幾何不清晰度指標(biāo)，通過(guò)規(guī)定限制允許的最高透照射線能量控制固有不清晰度，沒(méi)有對(duì)總不清晰度給出具體指標(biāo)；而DRT標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用雙線型像質(zhì)計(jì)，根據(jù)公稱(chēng)厚度應(yīng)達(dá)線號(hào)值測(cè)量圖像空間分辨率，控制數(shù)據(jù)圖像的總不清晰度。按DRT與RT技術(shù)理論，根據(jù)RT標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)條件要求，推導(dǎo)RT應(yīng)達(dá)不清晰度U，確定空間分辨率和RT應(yīng)達(dá)雙線型像質(zhì)計(jì)線號(hào)值[5]。

不清晰度U由幾何不清晰度Ug和固有不清晰度Ui決定，其關(guān)系式為

(2)

Ug由透照布置射線源至工件距離和工件厚度決定，文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]對(duì)射線源至工件距離的要求相同，公式為

f≥10db2/3

(3)

式中：f為射線源至工件表面距離；d為焦點(diǎn)尺寸；b為工件表面至探測(cè)器距離。

可得出Ug為

(4)

對(duì)于RT技術(shù)，其常規(guī)膠片的固有不清晰度Ui膠片由照射至常規(guī)膠片的射線在乳劑層中激發(fā)的電子散射所產(chǎn)生，Ui膠片大小即為散射電子在常規(guī)膠片乳劑層中作用的平均距離[6]，主要取決于射線能量大小。在X射線管電壓為100～400 kV時(shí)，表達(dá)常規(guī)膠片Ui膠片的經(jīng)驗(yàn)公式為

Ui膠片=0.001 3V0.79

(5)

式中：V為管電壓，kV。

在RT技術(shù)中，不同透照厚度允許的X射線最高透照管電壓(鋼)[7]如圖2所示。

圖2 不同透照厚度允許的X射線最高透照管電壓(鋼)

綜上表明，在研究計(jì)算DRT與RT在不清晰度指標(biāo)的等效性時(shí)，兩者的Ug相同，僅需要根據(jù)允許通過(guò)的最高透照射線能量計(jì)算常規(guī)膠片的Ui膠片，而DRT的Ui數(shù)字受探測(cè)器本身像素尺寸限定，可通過(guò)式(6)簡(jiǎn)單計(jì)算。最終根據(jù)式(2)的計(jì)算結(jié)果討論DRT與RT相應(yīng)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的等效性。

Ui數(shù)字≈2P

(6)

式中：P為探測(cè)器有效像素尺寸。

1.3 歸一化信噪比SNRn

在文獻(xiàn)[4]中，常規(guī)膠片RT技術(shù)定義“信噪比”為底片黑度與該黑度下的顆粒度之比，正相關(guān)于梯度與噪聲的比。可按梯度數(shù)據(jù)計(jì)算信噪比，關(guān)系式為

(7)

式中：G2為黑度D=2.0的梯度；σD為射線膠片顆粒度，顆粒度規(guī)定值如表2所示。

表2 工業(yè)射線膠片系統(tǒng)的主要特性指標(biāo)

根據(jù)文獻(xiàn)[4]要求，AB級(jí)技術(shù)等級(jí)應(yīng)采用C5或更高類(lèi)別的射線膠片(C1為最高類(lèi)別)，黑度D應(yīng)不小于2.0。常規(guī)膠片RT的AB級(jí)技術(shù)等級(jí)歸一化信噪比SNRn應(yīng)大于62.50(2.0/0.032)。

文獻(xiàn)[3]規(guī)定鋼材料DRT的SNRn最低要求，如表3所示。

表3 DRT的SNRn最低要求(鋼)

1.4 檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等效性評(píng)定

匯總文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]的AB級(jí)技術(shù)等級(jí)數(shù)據(jù)，如表4所示。

表4 AB級(jí)技術(shù)等級(jí)數(shù)據(jù)對(duì)比

由表4可知：關(guān)于檢測(cè)圖像的3個(gè)方面質(zhì)量指標(biāo)，文獻(xiàn)[3]規(guī)定的要求均達(dá)到文獻(xiàn)[4]的要求，即DRT的AB級(jí)技術(shù)等級(jí)要求滿足常規(guī)膠片RT的AB級(jí)技術(shù)等級(jí)要求。

2 檢測(cè)等效性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)參數(shù)

常規(guī)膠片RT與DRT的試驗(yàn)參數(shù)如下：

(1)常規(guī)膠片RT試驗(yàn)參數(shù)

型號(hào)：AGFA C7；射線源焦點(diǎn)尺寸：1.000 mm；焦距：800.000 mm；曝光時(shí)間：3 s；管電流：5 mA；3種不同厚度試板管電壓：250 kV (18.000 mm)、260 kV (20.000 mm)、265 kV (22.000 mm)。

(2)DRT試驗(yàn)參數(shù)

探測(cè)器像素尺寸：100.00 μm；射線源焦點(diǎn)尺寸：1.000 mm；曝光時(shí)間：3 s；管電流：3 mA；平均次數(shù)：5次；3種不同厚度試板管電壓：175 kV (18.000 mm)、190 kV (20.000 mm)、200 kV (22.000 mm)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

等效性試驗(yàn)試板由專(zhuān)業(yè)NDT試板加工廠加工和制作，共36個(gè)，試板超聲波檢測(cè)(Ultrasonic Testing，UT)出廠報(bào)告共有99個(gè)人工缺陷，含夾渣32個(gè)、氣孔9個(gè)、裂紋24個(gè)、未熔合34個(gè)。部分試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表5所示。

表5 部分試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

在常規(guī)膠片RT試驗(yàn)結(jié)果中，黑度最小為2.1，線型像質(zhì)計(jì)靈敏度為W12，滿足文獻(xiàn)[4]AB級(jí)技術(shù)等級(jí)要求。

在DRT試驗(yàn)結(jié)果中，SNRn最小為124.32；雙線型像質(zhì)計(jì)靈敏度最小為D9；線型像質(zhì)計(jì)靈敏度最小為W13，滿足文獻(xiàn)[3]AB級(jí)技術(shù)等級(jí)要求。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

相對(duì)于試板出廠UT報(bào)告，DRT結(jié)果未檢出2個(gè)未熔合缺陷，常規(guī)膠片RT結(jié)果未檢出1個(gè)未熔合缺陷。以43號(hào)試板的未熔合缺陷為例，RT檢出，而DRT未檢出，如圖3和圖4所示。未熔合缺陷屬于面積型缺陷，由于透照角度的影響較大，因此RT相對(duì)于UT對(duì)未熔合類(lèi)缺陷的檢出率有所降低。其他類(lèi)試板缺陷DRT均可檢出。與常規(guī)膠片RT結(jié)果相比，DRT結(jié)果的缺陷測(cè)量長(zhǎng)度平均相差2.600 mm，缺陷性質(zhì)判別相同。

圖3 43號(hào)試板DRT試驗(yàn)結(jié)果

圖4 43號(hào)試板常規(guī)膠片RT試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)對(duì)比度指標(biāo)、不清晰度指標(biāo)和SNRn指標(biāo)對(duì)比，文獻(xiàn)[3]AB級(jí)技術(shù)等級(jí)要求均達(dá)到文獻(xiàn)[4]AB級(jí)技術(shù)等級(jí)要求，即針對(duì)鋼材料平對(duì)接焊縫，采用7.000～32.000 mm的母材，文獻(xiàn)[3]AB級(jí)技術(shù)等級(jí)與文獻(xiàn)[4]AB級(jí)技術(shù)等級(jí)具有相同的缺陷檢測(cè)能力。

(2)按文獻(xiàn)[3]AB級(jí)技術(shù)等級(jí)要求實(shí)施DRT，按文獻(xiàn)[4]AB級(jí)技術(shù)等級(jí)要求實(shí)施常規(guī)膠片RT，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，兩者具有相同的缺陷檢測(cè)能力。