小徑管焊縫X射線數字成像檢測與相控陣成像檢測技術對比

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(1. 陜西省鍋爐壓力容器檢驗所，西安 710048; 2.北京鄒展麓城科技有限公司，北京 100034)

數字化X射線數字平板直接成像技術(DR技術)[1-2]與相控陣檢測技術(PA技術)都是近幾年發展起來的,借助計算機成像技術的新的無損檢測手段。隨著科學技術的發展，此兩種技術得到了越來越多的應用。

在超聲波檢測方面，美國機械工程師學會(ASME)《鍋爐及壓力容器規范》2004版已將計算機成像技術及衍射時差法(TOFD)定量驗證/雙探頭的計算機成像技術納入到第V卷第四章非強制性附錄中；兩大新技術——衍射時差(TOFD)和相控陣(PA)法，ASME 2015版已在第V卷第四章中增加了關于使用自動化或半自動化技術時對掃查靈敏度的要求，同時關于TOFD和PA技術的其他要求涉及的附錄有強制性附錄Ⅲ、強制性附錄IV、強制性附錄V、非強制性附錄E、非強制性附錄L、非強制性附錄N、非強制性附錄O、非強制性附錄P。并且，其已廣泛應用于壓力容器設備管焊縫或結構復雜焊縫的檢測中。

在射線檢測方面，目前關于存儲熒光體成像板成像和數字平板直接成像技術的要求，在ASME 2015版第V卷中已有4個強制附錄，即強制附錄Ⅱ、強制附錄Ⅲ、強制附錄Ⅳ和強制附錄Ⅵ。

為更好地分析兩種技術的差異性，筆者對數字平板直接成像技術和超聲相控陣技術在小徑管焊縫檢測中的應用進行了對比，以供檢測公司或壓力容器制造單位制定檢測工藝時參考。

1 DR技術和PA技術對缺陷的影響因素

1.1 數字射線平板直接成像(DR)技術

數字射線平板直接成像(DR)技術，是射線檢測的全新數字化成像技術。目前有非晶硅、非晶硒和CMOS數字平板三種DR技術。

射線數字成像檢測與膠片照相檢測在透照原理上是相同的，因此，可以套用射線膠片照相對比公式來分析圖像對比度的影響因素。

ΔD=0.434GμΔT/(1+n)

(1)

式中：ΔD為底片黑度差(相當于圖像灰度差)；G為膠片平均梯度； ΔT為工件厚度差(相當于X射線透照方向下的缺陷深度尺寸)；n為散射比；μ為材料射線線衰減系數(與射線管電壓成反比)。

簡要地說：在保證穿透工件的條件下，適當降低X射線管電壓，提高膠片平均梯度、減少散射線可以提高圖像對比度，提高缺陷的檢測能力。

1.2 相控陣超聲檢測(PA)技術

PA技術是一種多聲束掃描成像技術[3]。

相控陣檢測前的參數設置相當重要，檢測前輸入正確的前沿距離、最小角度、最大折射角度、試件厚度、焊縫寬度(如果考慮熱影響區，加上熱影響區的寬度)、角度修正增益和時間增益修正等信息，尤其是延遲法則決定著缺陷定位定量的準確性。

實際操作中探頭位置不需向焊縫中心方向前后移動，儀器通過電腦控制激發和接收不同的晶片，使聚焦點上下移動掃查整個焊縫深度，從而使測得的缺陷深度更易于接近實際情況。

2 試驗設備與結果

2.1 試驗設備

2.1.1 射線檢測設備及性能參數

采用比利時XRIS公司的GemX200型射線機、DeReO WA型非晶硅平板探測器、Maestro V3.1.1軟件。GemX200型射線機的主要參數為恒電壓50～200 kV，恒電流0.1～2 mA，焦點(短軸×長軸)0.5 mm×0.7 mm，電壓波紋0%。

DeReo WA型非晶硅探測器主要參數為分辨率200 μm，成像面積(長×寬)410 mm×410 mm，像素陣列2 048×2 048，能量響應20 keV～15 MeV。

Maestro V 3.1.1軟件功能主要有：X射線發射時可實時調節電壓、電流參數及調用各種圖像處理工具實時處理圖像。

2.1.2 相控陣設備

采用以色列SONOTRON NDT ISONIC 2009 型相控陣檢查系統；采用一個線性相控陣聚焦探頭[4]，其頻率為7.5 MHz，晶片數為16；采用小徑管專用掃查器，其直徑范圍：1～4英寸(25.4～101.6 mm)。

2.2 試驗工件

測試工件分別選用(直徑×壁厚)φ32 mm×3.5 mm(工件1)，φ42 mm×7 mm(工件2)，φ60 mm×8 mm(工件3)的無縫管對接焊接件。各工件上均制作有不同規格的焊縫典型缺陷[5-6]。

2.3 試驗過程與結果

2.3.1 工件1

2.3.1.1 根部裂紋

(1) PA測試結果如圖1所示。測得其根部縱向裂紋深度為3.2 mm，長度為14.8 mm，幅度為85.1%(占滿屏的百分比)。

(2) DR檢測透照參數為電壓140 kV，電流1 mA，時間20 s。DR檢測結果如圖2所示，測得該裂紋長度為12.5 mm。

2.3.1.2 氣孔缺陷

(1) 氣孔缺陷的主視圖與PA測試結果如圖3所示。2#氣孔缺陷的測量結果為深度1.4 mm，長度1.3 mm,幅度30.7%；3#氣孔缺陷的測量結果為深度1.9 mm，長度1.3 mm，幅度28.6%。

(2) DR檢測結果如圖2所示。可得2#氣孔直徑為φ1.6 mm;3#氣孔直徑為φ1.7 mm。

圖1 工件1根部縱向裂紋主視圖與PA檢測結果

圖2 工件1根部縱向裂紋缺陷DR檢測結果

圖3 工件1氣孔缺陷主視圖與PA檢測結果

2.3.2 工件2

2.3.2.1 1#根部未焊透缺陷

(1) 1#根部未焊透缺陷的主視圖與PA測試結果如圖4所示。測得的缺陷深度為5.6 mm，長度為25 mm，幅度>130%。

(2) DR檢測的透照參數為電壓180 kV，電流1 mA，時間20 s。其檢測結果如圖5所示，測得根部未焊透長度為11.22 mm。

2.3.2.2 坡口未熔合及氣孔缺陷

(1) 坡口未熔合及氣孔缺陷的PA測試結果如圖6所示。2#氣孔缺陷測量結果為深度3.5 mm，長度2.6 mm，幅度61.6%。3#坡口未熔合缺陷在管號側的測量結果為深度2.2 mm，長度4.4 mm，幅度76.9%。4#氣孔缺陷的測量結果為深度2.8 mm，長度4.4 mm,幅度53.8%。

圖4 工件2的1#根部未焊透缺陷主視圖及PA檢測結果

圖5 工件2未熔合與未焊透缺陷的DR檢測結果

圖6 工件2坡口未熔合和氣孔缺陷的PA檢測結果

(2) DR檢測的透照參數為電壓180 kV，電流1 mA，時間20 s。3#坡口未熔合缺陷的DR檢測結果為長度11.45 mm(見圖5)。2#氣孔的DR檢測結果為直徑1.6 mm，4#氣孔的DR檢測結果為直徑2.4 mm，如圖7所示。

2.3.3 工件3

2.3.3.1 1#根部裂紋缺陷

(1) 1#根部裂紋缺陷的PA檢測結果如圖8所示。測得其深度為7.3 mm，長度為35.2 mm，幅度>130%。

(2) DR檢測的透照參數為電壓200 kV，電流1 mA，時間20 s。DR檢測結果如圖9所示，測得根部裂紋長度為29.88 mm。

圖8 工件3根部裂紋缺陷的PA檢測結果

圖9 工件3根部裂紋與氣孔的DR檢測結果

2.3.3.2 坡口未熔合及氣孔缺陷

(1) 坡口未熔合及氣孔缺陷的PA測試結果如圖10所示。2#氣孔缺陷的測量結果為深度3.4 mm，長度2.8 mm，幅度24.1%；3#坡口未熔合缺陷在位號側的測量結果為深度5.2 mm，長度20 mm，幅度>130%；4#氣孔缺陷的測量結果為深度4.0 mm，長度3.2 mm，幅度57.1%。

圖10 工件3坡口未熔合和氣孔缺陷的PA檢測結果

(2) DR檢測結果

2#氣孔DR檢測結果為直徑2.4 mm,3#坡口未熔合DR檢測結果為長度15.78 mm，4#氣孔DR檢測結果為直徑2.4 mm，如圖9所示。

3 試驗結果對比分析

值得指出的是由于射線穿透工件后射線強度已大幅衰減， 膠片曝光是時間積累(積分)的過程，而射線數字成像(DR)采集一幅圖像的時間很短(1/10 s～1/25 s)，圖像采集是時間的實時(微分)過程。圖像采集主要考慮射線強度(mA)，而曝光時間短不是主要的影響因素。工件1，2，3的DR和PA檢測結果對比如表1～3所示。

表1 工件1的DR和PA檢測結果對比

由圖1,4可以看出，工件1根部縱向裂紋的PA測試結果(深度3.2 mm,長度14.8 mm,幅度85.1%)和工件2根部未焊透缺陷的PA檢測結果(深度5.6 mm,長度25 mm,幅度>130%)的顯示尺寸都有所放大，這是因為相同孔徑的孔處于不同的聲程距離處，從而在相對近距離內的反射波的幅度較大，同一聲束反射波在熒光屏上的占寬較大而顯示出的缺陷尺寸較大，因此相控陣宜采用幅度法進行驗收。

表2 工件2的DR和PA檢測結果對比

表3 工件3的DR和PA檢測結果對比

由圖6,10中顯示的氣孔缺陷測量結果可看出：相控陣采用多晶片延時聚焦的方法獲得扇形掃查范圍內各種角度的聲束，雖然長度都一樣或者相差不大，但每個角度的聲孔徑不同，所生成的各角度的聲束對同一反射體的靈敏度也不可能完全一致，因此先以一種選定的角度制作距離-波幅曲線，再作角度增益修正，以保證同一缺陷用不同角度的超聲波波幅的一致。

從以上分析可以得出以下結論：

(1) 基于以上3個試件中的自然缺陷，無論是DR技術還是PA技術均能檢出，總體來看，PA技術檢出的缺陷長度略大一些，宜采用幅度法進行驗收。

(2) 由于相控陣技術具有三維、3D成像等特點，其圖像顯示的缺陷信息更多，除了缺陷長度外，還能顯示在基準靈敏度下的幅值、缺陷的自身高度，且通過設置焊縫坡口參數可實現3D動態成像，更直觀地顯示缺陷位置，但應及時對制作的距離-波幅曲線進行增益修正。

(3) 從顯示圖像來看，使用DR技術檢測時形成的缺陷形狀更直觀，更便于缺陷定性。

4 結語

無論是數字化成像的射線檢測技術還是超聲相控陣檢測技術都是無損檢測領域的新技術，隨著這

兩種技術的檢測設備、檢測工藝及檢測標準的不斷發展和完善，其會在越來越多的領域發揮更大的作用，從而提高檢測速度、減少人為因素失誤、降低操作者的勞動強度。

在小徑管焊縫的數字化射線和超聲波檢測方法的選擇上，還應根據工件結構、檢測工藝及驗收標準的相關要求來選擇。

參考文獻：

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[2] 巨西民，蔣中印，蘭州，等.埋弧焊鋼管焊縫DR檢測機理及應用[J].無損檢測，2014,36(10)：29-77.

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[4] 肖琨，王強，胡棟，等. 復雜工件內部缺陷超聲柔性探頭檢測數值仿真[J]. 湖南科技大學學報(自然科學版)， 2012， 27(4): 65-68.

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