核電廠輸氫不銹鋼雙壁管焊縫的射線檢測工藝

李學軍,郭曉凱,孫　廣,曹邦興

(中廣核工程有限公司, 深圳 518124)

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核電廠輸氫不銹鋼雙壁管焊縫的射線檢測工藝

李學軍,郭曉凱,孫廣,曹邦興

(中廣核工程有限公司, 深圳 518124)

核電廠某段SHY系統(tǒng)輸氫不銹鋼雙壁管在外管已安裝到位的情況下，發(fā)現(xiàn)未對內管環(huán)焊縫進行射線檢測。為解決此問題，提出了不切割拆除雙壁不銹鋼外管，而直接隔著外管對內管進行射線檢測的工藝，結合規(guī)范分析確定了射線檢測的關鍵工藝參數(shù)，并采用已知缺陷的內管加套管模擬試塊，對工藝進行了試驗，驗證了該工藝的合理有效性。

核電廠;雙壁不銹鋼管;射線檢測;小徑管

壓水堆核電廠氫氣生產(chǎn)與分配系統(tǒng)(SHY)是生產(chǎn)、貯存及分配全廠所用氫氣的系統(tǒng)，其可靠性影響著整個核電廠的安全運行。該系統(tǒng)需要大量管網(wǎng)用以輸送氫氣，即將所產(chǎn)生的合格氫氣從中壓貯氫罐送往常規(guī)島及與核島相關的系統(tǒng)、設備中，以便供其使用。為確保安全，輸氫管道均采用不銹鋼雙壁管(分為內管和外管)，每段管長約6 m，采用氬弧焊連接。由于氫氣為易燃易爆氣體，為保證核電廠的安全運行，必須對輸氫管道的對接環(huán)焊縫進行100%射線檢測，尤其應對內管所有管體、管件間對接焊縫進行100%射線檢測。一般，內管焊接完成經(jīng)射線檢測合格后再安裝外管，但由于施工等原因，核電廠某段SHY系統(tǒng)輸氫雙壁不銹鋼內管焊縫未進行射線檢測就完成了外管及套管的安裝。與此同時，相關的系統(tǒng)設備已全部安裝就位，無法對外管及套管進行切割拆除后再進行內管的射線檢測。筆者從解決工程實際問題的角度出發(fā)，分析制定了隔著不銹鋼雙壁管外管對內管環(huán)焊縫進行射線檢測的工藝，結合規(guī)范分析確定了射線檢測關鍵工藝參數(shù)，并采用已知缺陷的內管加套管模擬試塊，并對射線檢測工藝進行了試驗驗證。

1　試驗方法

1.1不銹鋼管規(guī)格

某輸氫雙壁管內外管為不銹鋼無縫管，管道工作壓力為1.1 MPa，工作介質為H2，材料為022Cr19Ni10鋼。管線采用氬弧焊連接，安裝時內外管之間通過點焊支撐固定，內管焊接完成并檢查合格后，先將各支撐點焊在內管的外表面后，再套入外管。其中，內管規(guī)格(外徑×壁厚)為φ34 mm×2.8 mm，外管規(guī)格為φ60 mm×3 mm。

1.2透照技術分析結合雙壁管結構尺寸及規(guī)范要求，不論采用單獨直接透照內管焊縫，還是內外管重疊透照內管焊縫的方法，都屬于小徑管射線檢測范疇。一般標準中定義管外徑φ不大于89 mm的管為小直徑管，也有標準稱管外徑φ不大于76 mm的管為小直徑管(簡稱小徑管)[1]。小徑管對接焊縫射線照相檢測是一個特殊的變截面工件的射線照相檢測實例，通常采用雙壁雙影透照法；其按照被檢焊縫在底片上的影像特征，又分為橢圓成像和重疊成像兩種方法。這兩種方法在透照區(qū)內透照厚度變化很大，遠遠超過了一般射線檢測技術允許的范圍，為了使成像達到規(guī)定的靈敏度、黑度和幾何不清晰度的要求，需考慮采用特殊透照工藝[2]。鑒于此，由于文中所涉及的管道焊縫屬于雙璧小徑管焊縫，為驗證并優(yōu)化實際檢測中射線經(jīng)外管投射到內管的小徑管透照工藝，筆者采用帶缺陷的SHY內管管道加套管的模擬試塊進行了對比試驗，以探索適合的射線檢測工藝方案，并驗證其可靠性。

1.3檢測工藝參數(shù)的選擇

射線照相靈敏度是射線照相對比度(缺陷影像與其周圍背景的黑度差)、不清晰度(影像輪廓邊緣黑度過渡區(qū)的寬度)和顆粒度(影像黑度的不均勻程度)三大要素的綜合結果，而此三大要素又分別受不同工藝因素的影響[3]。小徑管橢圓透照工藝中，因其透照厚度變化大，靈敏度和寬容度(指射線底片能正確容納影響照度反差的范圍)是一對相互矛盾的因素，所以為兼顧較大的厚度寬容度，靈敏度必然要受到一定損失，因此小徑管透照工藝參數(shù)需考慮多方面因素。國內相關標準通常會對其關鍵參數(shù)，如管電壓、曝光量、黑度、靈敏度等給出必要的參考，但在實際操作中還需要根據(jù)具體情況優(yōu)化相關參數(shù)。針對加套管方式雙壁不銹鋼管進行小徑管射線檢測的工藝參數(shù)初選，需根據(jù)具體的檢測條件確定其關鍵工藝參數(shù)。

1.3.1管電壓

適當?shù)姆秶鷥龋渚€底片的對比度越大,各種缺陷就越容易被觀察和識別，因此，為獲得較高的照相靈敏度，就必須設法提高底片對比度。

根據(jù)底片對比度計算公式:

(1)

式中:ΔD為底片對比度；γ為膠片對比度；μ為衰減系數(shù)；ΔΤ為被透工件厚度差。

在膠片和被透照工件不變的情況下，若要增大對比度ΔD，就要增大衰減系數(shù)μ。衰減系數(shù)計算公式：

(2)

式中:τ為吸收系數(shù)；k為常數(shù)；ρ為被照工件密度；Z為被透工件原子序數(shù)；λ為射線波長。

由以上公式可知，對于給定工件來說，密度和原子序數(shù)是不變的。因此，若增大衰減系數(shù)就必須增大射線波長λ。而X射線管電壓U與射線波長λ成反比關系，若要增大射線波長λ，則要降低管電壓U。

隨著管電壓的提高，底片上不同部位的黑度差將減小，這樣在規(guī)定的黑度范圍內，可以容許更大的試塊厚度變化范圍，即提高管電壓可以獲得更大的透照厚度寬容度。此外，對厚度變化的試塊透照，提高管電壓可以減少散射比，降低邊蝕效應，對射線照相靈敏度不利。但是射線能量提高后，衰減系數(shù)會減小，從而導致對比度減小，因此管電壓也不能任意提高，需要合理兼顧。

針對文中涉及的雙壁不銹鋼管道，筆者模擬現(xiàn)場實際情況，對內管外加套管的模擬試塊采取雙壁雙影橢圓透照方式開展不同管電壓和曝光量條件下的透照對比試驗，以優(yōu)化選擇合理的管電壓。具體試驗的黑度值結果見表1，透照方式為加套管雙壁雙影橢圓透照。對于小徑管尤其是雙壁不銹鋼管來說，厚度變化較大，為獲得更大的透照厚度寬容度，增大有效評片區(qū)，必須要提高電壓，但提高管電壓U，又會降低照相對比度。結合表1綜合考慮影響射線檢測靈敏度的各類因素，選擇采用2505型X射線機透照，管電壓為180 kV，以期獲得質量較理想的底片。

表1　不同管電壓和曝光條件下的底片黑度值

1.3.2曝光量

X射線能量的選擇取決于透照方式和透照厚度TA。根據(jù)DL/T 821標準規(guī)定：

(3)

式中:D為管子外徑;T為管子壁厚。

計算透照內管有效TA=10.3 mm。因衰減常數(shù)μ隨著射線能量的降低而增大，因此在保證穿透工件和檢測范圍的前提下，應盡量采用較低的射線能量。但曝光量不只影響影像黑度，也影響影像對比度、顆粒度以及信噪比，從而影響底片上最小影像細節(jié)。為了保證底片靈敏度，標準規(guī)定對于管徑小于或等于76 mm的小徑管對接接頭，由于透照工件的厚度差較大，為擴大檢測范圍，要求采用高管電壓、短時間的透照工藝，一次透照時曝光量應選擇在7.5 mA·min以內，以得到比較理想的效果，同時要保證管子內輪廓清晰地顯示在底片上。實踐表明，此標準要求的管電壓較高，造成底片對比度小，靈敏度低。結合表1列出的加套管雙壁雙影橢圓透照底片的黑度試驗結果，通過分析最終確定曝光量為7.0 mA·min，以獲取較好質量的底片。

1.3.3透照距離

為保證上下焊縫透照影像清晰，DL/T 821標準給出了透照距離公式：

(4)

式中：d為射線源焦點尺寸；b為射線源側工件表面至底片的距離。

對于外管φ60 mm×3 mm及內管φ34 mm×2.8 mm的雙壁管，初步測算透照距離至少需大于500 mm，焦距的合理選擇影響了透照幾何不清晰度。在實際透照工藝中，必須保證有足夠的焦距，判斷小徑管底片幾何不清晰度的經(jīng)驗做法為：觀察小徑管邊緣的輪廓清晰程度，以及小徑管在底片上的影像焊口尺寸與實際焊口尺寸的放大程度，可以初步判斷幾何不清晰度的大致情況。表2給出了不同焦距透照的底片影像顯示對比結果，結果顯示焦距在600～650 mm之間時的幾何不清晰度較合理且影像質量較好。表2中透照方式為加套管雙壁雙影橢圓透照，缺陷類型為條狀夾渣、未熔合、未焊透。結合理論最短焦距，并考慮現(xiàn)場空間及工作效率，對于外管φ60 mm×3 mm及內管φ34 mm×2.8 mm的雙壁管，透照距離在600～620 mm間選擇為宜，此時底片清晰度較高，既能保證底片質量，又容易實施檢測工藝。

表2　不同透照距離時底片影像對比

1.3.4開口寬度

雙壁雙影射線透照中,缺陷的檢出率主要與開口寬度(上下焊縫投影最大間距)密切相關。射線底片上橢圓開口寬度太小，會使射線源側與底片側焊縫根部熱影響區(qū)的缺陷發(fā)生混淆，位置難以判斷；開口寬度過大又不利于根部裂紋、未焊透等面狀缺陷的檢出。而垂直于工件表面的裂紋是危害性最大的一種缺陷，為避免其漏檢，在橢圓成像法中通常推薦橢圓開口寬度大致為焊縫寬度的1倍左右。筆者認為，對于文中涉及的雙壁不銹鋼焊縫的間隙不宜太大，間隙太大時，上焊縫清晰度和靈敏度低，對面狀缺陷檢出的影響大。

1.3.5透照次數(shù)

小徑管透照次數(shù)是一次透照長度的體現(xiàn)。無論傾斜透照橢圓成像2次還是3次，或是垂直透照重疊成像透照3次，其有效透照長度均應得到保證。不同標準對小徑管的透照次數(shù)均有不同要求，表3是相關標準對小徑管透照次數(shù)的規(guī)定對比。

表3　不同標準對小徑管透照次數(shù)的規(guī)定

從表3可知，除了DL/T 821標準規(guī)定外徑小于或等于76 mm的管子，在采用雙壁雙影透照時，可以允許一次透照成形外，其他三個標準都要求至少需要兩次透照，其中RCC-M《壓水堆核島機械設備設計和建造規(guī)則》規(guī)范 MC卷規(guī)定對于外徑小于90 mm的小徑管射線透照，無論采用橢圓透照還是垂直透照，均要求至少保證兩次90°曝光。標準JB 4730-2015《承壓設備無損檢測：射線檢測》和GB 3323-2015《鋼管熔化焊對接接頭射線照相》要求基本一致，也都體現(xiàn)了至少透照兩次的要求。雖然遵循DL/T 821標準執(zhí)行檢測，但筆者認為若采用垂直透照時，應分兩次透照，透照角度每次偏轉小于或等于90°，以彌補一次透照可能導致的缺陷漏檢。同時配合適宜的曝光量，管子內壁輪廓要清晰地顯現(xiàn)在底片上。因此文中涉及到的雙壁不銹鋼焊縫透照對同一位置選擇兩次透照，且分別采用橢圓透照和垂直透照兩種方式進行試驗。若在橢圓透照檢測中已發(fā)現(xiàn)許多根部面狀缺陷或對缺陷的檢出率存在疑問時，要同步采用垂直透照進行補充檢測，在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大量根部面狀缺陷時要直接采用垂直透照進行檢測。這樣才能提高根部面狀缺陷的檢出率，以保證檢測質量。

2　試驗方案

為對比驗證實際擬采用的隔著外管對內管進行射線透照的工藝可行性和合理性，筆者根據(jù)上述工藝參數(shù)，采用已知缺陷的模擬試塊(含條形夾渣類缺陷、未熔合未焊透)，進行不加套管和加套管的管道焊縫射線透照對比試驗。按照標準要求，透照方式分為雙壁雙影垂直透照和橢圓透照，首先在焊縫某一位置標記1，用雙壁雙影垂直透照方式透照的SHY管道焊縫得到1號底片；在焊縫與位置1相隔90°位置標記2，透照得到2號底片；在和1號底片標記的同一位置標記3,用橢圓透照方式透照的SHY管道焊縫得到3號底片；相隔90°標記4，透照得到4號底片。然后加套管在和1號底片標記的同一位置標記5，用雙壁雙影垂直透照方式透照得到5號底片，對加套管的SHY焊縫按2號、3號、4號的方式得到6號、7號、8號底片，所有透照均滿足要求。對小徑管射線透照過程中，由于透照厚度寬容度和檢測靈敏度兩者間存在矛盾，所以對透照相質計靈敏度的控制至關重要，尤其是加套管情況下像質計靈敏度必須按照DL 821-2002標準的規(guī)定執(zhí)行，即透照厚度12 mm以下時，要求至少清晰看到13號線對應的線徑為0.2 mm。

3　試驗結果

表4中試驗結果顯示加套管和不加套管透照的像質計靈敏度均達到標準的要求。同時，底片黑度值在1.4～3.5之間，均滿足標準的要求。表中L為缺陷最大尺寸;L1為缺陷長度;L2為缺陷寬度。

表4　加套管透照工藝檢出缺陷對比

對照透照對比結果1和5，2和6，3和7，4和8，缺陷類型均保持一致，且缺陷尺寸基本相同，按規(guī)范評級質量級別均為Ⅳ級，滿足設計驗收要求。

同時，試驗解決了因透照厚度差大，導致缺陷靈敏度無法滿足規(guī)范要求的問題，加套管缺陷基本能

清晰顯示，而缺陷有略微放大現(xiàn)象，但不影響最終的檢測質量評價。

4　結語

結合小徑管透照理論與試驗驗證結果，優(yōu)化選擇的射線檢測工藝參數(shù)能夠實現(xiàn)外部加套管透照工藝的要求，并且底片質量及相質計靈敏度能夠滿足規(guī)范要求，且相比不加套管的透照結果，其缺陷檢出率及缺陷尺寸均能保持較好的一致，缺陷能夠有效檢出，檢測質量可控。因此，對核電廠SHY系統(tǒng)中漏檢的雙壁不銹鋼內管焊縫，直接采用隔著外管透照內管的方式進行射線檢測的方法是可行的，對檢測結果無明顯的顛覆性影響，無需切割拆除外管即可進行內管焊縫的射線檢測。

[1]DL/T 821-2002鋼制承壓管道對接焊接接頭射線檢驗技術規(guī)程[S].

[2]張小海，王廣坤.小徑管對接環(huán)焊縫有效透照厚度的計算[J] .無損檢測，2006，28(7):389-391.

[3]強天鵬.NDT全國特種設備無損檢測人員資格考核統(tǒng)編教材射線檢測[M].2版，北京：人民衛(wèi)生出版社，2005.

Radiographic Testing Process of Hydrogen Double-Walled Stainless Steel Pipe Weld of Nuclear Power Plant

LI Xue-jun, GUO Xiao-kai, SUN Guang, CAO Bang-xing

(China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Shenzhen 518124, China)

The certain SHY hydrogen stainless steel double-walled tube outer tube was in place, but the inner pipe ring welds had not been detected. To solve this problem, it was proposed that do not cut the double-walled stainless steel tube, but directly detected the inner tube across the outer tube, combined normative analysis identified the key process parameters of X-Ray detector, and used known defect test block, the test was carried out to verify the effectiveness of the process is reasonable.

Nuclear power plant; Double wall stainless steel tube; Radiographic inspection; Small tube

2016-04-25

李學軍(1981-)，男，碩士，主要從事核電廠機械部件的無損檢測設計及核電廠役前及在役檢查設計工作。

李學軍, E-mail: 21140475@qq.com。

10.11973/wsjc201609006

TG115.28

A

1000-6656(2016)09-0021-04