小徑管焊縫X射線數(shù)字成像檢測與相控陣成像檢測技術(shù)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(shù)字化X射線數(shù)字平板直接成像技術(shù)(DR技術(shù))[1-2]與相控陣檢測技術(shù)(PA技術(shù))都是近幾年發(fā)展起來的,借助計算機成像技術(shù)的新的無損檢測手段。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，此兩種技術(shù)得到了越來越多的應(yīng)用。

在超聲波檢測方面，美國機械工程師學(xué)會(ASME)《鍋爐及壓力容器規(guī)范》2004版已將計算機成像技術(shù)及衍射時差法(TOFD)定量驗證/雙探頭的計算機成像技術(shù)納入到第V卷第四章非強制性附錄中；兩大新技術(shù)——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(guān)于使用自動化或半自動化技術(shù)時對掃查靈敏度的要求，同時關(guān)于TOFD和PA技術(shù)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(yīng)用于壓力容器設(shè)備管焊縫或結(jié)構(gòu)復(fù)雜焊縫的檢測中。

在射線檢測方面，目前關(guān)于存儲熒光體成像板成像和數(shù)字平板直接成像技術(shù)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(shù)的差異性，筆者對數(shù)字平板直接成像技術(shù)和超聲相控陣技術(shù)在小徑管焊縫檢測中的應(yīng)用進(jìn)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(shù)和PA技術(shù)對缺陷的影響因素

1.1 數(shù)字射線平板直接成像(DR)技術(shù)

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

射線數(shù)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(dāng)于圖像灰度差)；G為膠片平均梯度； ΔT為工件厚度差(相當(dāng)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(shù)(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(dāng)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(shù)

PA技術(shù)是一種多聲束掃描成像技術(shù)[3]。

相控陣檢測前的參數(shù)設(shè)置相當(dāng)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(qū)，加上熱影響區(qū)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(zhǔn)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(fā)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(shè)備與結(jié)果

2.1 試驗設(shè)備

2.1.1 射線檢測設(shè)備及性能參數(shù)

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(shù)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(shù)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(yīng)20 keV～15 MeV。

Maestro V 3.1.1軟件功能主要有：X射線發(fā)射時可實時調(diào)節(jié)電壓、電流參數(shù)及調(diào)用各種圖像處理工具實時處理圖像。

2.1.2 相控陣設(shè)備

采用以色列SONOTRON NDT ISONIC 2009 型相控陣檢查系統(tǒng)；采用一個線性相控陣聚焦探頭[4]，其頻率為7.5 MHz，晶片數(shù)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(guī)格的焊縫典型缺陷[5-6]。

2.3 試驗過程與結(jié)果

2.3.1 工件1

2.3.1.1 根部裂紋

(1) PA測試結(jié)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(shù)為電壓140 kV，電流1 mA，時間20 s。DR檢測結(jié)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(jié)果如圖3所示。2#氣孔缺陷的測量結(jié)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(jié)果為深度1.9 mm，長度1.3 mm，幅度28.6%。

(2) DR檢測結(jié)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(jié)果

圖2 工件1根部縱向裂紋缺陷DR檢測結(jié)果

圖3 工件1氣孔缺陷主視圖與PA檢測結(jié)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(jié)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(shù)為電壓180 kV，電流1 mA，時間20 s。其檢測結(jié)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(jié)果如圖6所示。2#氣孔缺陷測量結(jié)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(cè)的測量結(jié)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(jié)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(jié)果

圖5 工件2未熔合與未焊透缺陷的DR檢測結(jié)果

圖6 工件2坡口未熔合和氣孔缺陷的PA檢測結(jié)果

(2) DR檢測的透照參數(shù)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(jié)果為長度11.45 mm(見圖5)。2#氣孔的DR檢測結(jié)果為直徑1.6 mm，4#氣孔的DR檢測結(jié)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(jié)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(shù)為電壓200 kV，電流1 mA，時間20 s。DR檢測結(jié)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(jié)果

圖9 工件3根部裂紋與氣孔的DR檢測結(jié)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(jié)果如圖10所示。2#氣孔缺陷的測量結(jié)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(cè)的測量結(jié)果為深度5.2 mm，長度20 mm，幅度>130%；4#氣孔缺陷的測量結(jié)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(jié)果

(2) DR檢測結(jié)果

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

3 試驗結(jié)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(shù)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(jié)果對比如表1～3所示。

表1 工件1的DR和PA檢測結(jié)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(jié)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(jié)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(nèi)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(jìn)行驗收。

表2 工件2的DR和PA檢測結(jié)果對比

表3 工件3的DR和PA檢測結(jié)果對比

由圖6,10中顯示的氣孔缺陷測量結(jié)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(nèi)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(jié)論：

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

(2) 由于相控陣技術(shù)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(zhǔn)靈敏度下的幅值、缺陷的自身高度，且通過設(shè)置焊縫坡口參數(shù)可實現(xiàn)3D動態(tài)成像，更直觀地顯示缺陷位置，但應(yīng)及時對制作的距離-波幅曲線進(jìn)行增益修正。

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

4 結(jié)語

無論是數(shù)字化成像的射線檢測技術(shù)還是超聲相控陣檢測技術(shù)都是無損檢測領(lǐng)域的新技術(shù)，隨著這

兩種技術(shù)的檢測設(shè)備、檢測工藝及檢測標(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展和完善，其會在越來越多的領(lǐng)域發(fā)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(shù)字化射線和超聲波檢測方法的選擇上，還應(yīng)根據(jù)工件結(jié)構(gòu)、檢測工藝及驗收標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求來選擇。

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