換熱器管-板角焊縫射線檢測方法分析

滿開遠

（西安航天華威化工生物工程有限公司， 西安710100）

換熱器廣泛應用于石油、 化工、 機械、 食品及生物醫藥等行業。 管-板角焊縫是換熱器的重要組成部分， 在換熱器的產品制造過程中， 換熱管與管板常采用氬弧焊的焊接方式， 焊縫的焊接質量是換熱器長期穩定運行的關鍵。 管-板角焊縫通常采用磁粉、 滲透等無損檢測方法， 該方法僅能檢測表面及近表面缺陷， 對焊縫內部裂紋、 未熔合、 氣孔、 夾渣等缺陷無法檢出， 不能從根本上確保管-板角焊縫的焊接質量。 利用棒陽極X 射線機對管-板角焊縫進行檢測， 具有靈敏度好、 缺陷檢出率高等優點， 但這種方法對射線檢測技術要求較高， 工藝相對較為復雜， 且射線檢測底片影像成像較為特殊， 國內外相關文獻鮮有介紹，本研究針對這一問題展開討論。

1 管-板角焊縫結構形式

目前， 常規換熱器管-板的焊接接頭有管外伸式角接、 管內縮式角接、 管管孔平齊端接和無間隙式接頭。 其中， 外伸式管-板接頭由于便于裝配與焊接、 可見度好、 檢測方便的特點， 得到了較為廣泛的應用。 管-板焊接方法通常按接頭的形式、 焊接位置、 管子規格和對接接頭的質量要求來選擇。 在實際制造中最常見的焊接方法有焊條電弧焊、 鎢極氬弧焊和熔化極氣體保護焊等。 對于管壁2 mm 以下的外伸式角接結構可以采用填絲和不填絲的鎢極氬弧焊。 本研究著重探討外伸式管-板角接結構，如圖1 所示。 該結構管子伸出長度2 mm， 管-板開坡口角度45°， 深度2 mm。 第一遍焊接采用不填絲鎢極氬弧焊焊接， 第二遍填絲鎢極氬弧焊焊接處理。

圖1 外伸式管-板角接結構示意圖

2 射線檢測工藝

2.1 檢測原理

本研究采用棒陽極X 射線機檢測管-板角焊縫結構。 棒陽極X 射線管的焦點位于陽極棒中，在靶極部位產生X 射線， 穿透管壁及管板向后透照， 從而將管-板角焊縫區域投影到膠片上，從而完成成像， 如圖2 所示。

圖2 棒陽極X 射線檢測原理

陽極棒尺寸為Φ12 mm， 為減少散射線和透照厚度差， 通常匹配相應尺寸的補償塊。 補償塊材質應與換熱管材質相同， 并能夠保證射線源對中。

2.2 檢測靈敏度試塊

使用像質計會增大焊縫到膠片之間的距離， 從而降低成像質量， 因此管-板角焊縫在進行X 射線檢測時通常不要求使用像質計。在X 射線檢測時采用靈敏度鑒定試驗， 鑒定試驗需要制作專用的管-板角焊縫靈敏度焊接試樣， 試樣的材質、 規格與實際產品相同。 在焊縫中心線上采用沖或鉆的方法至少加工等間隔90°的4 個孔， 孔的深度為0.5 mm， 孔徑為0.6 mm，人工孔位置如圖3 所示。

圖3 靈敏度試樣人工孔示意圖

2.3 檢測試驗

檢測設備采用棒陽極X 射線機， 管電壓范圍0～130 kV， 最大管電流0.6 mA， 焦點尺寸0.4×0.5 mm， 靶角168°×360°， 補償器規格為Φ19 mm、 Φ25 mm 和 Φ30 mm。 膠片為FOMA R4， 采用自動洗片機沖洗。

2.3.1 射線能量選擇

X 射線能量的選擇首先應保證足夠的穿透力， 通常由管電壓決定。 隨著管電壓的升高， X射線的平均波長變短， 有效能量增加， 穿透能力增強， 但衰減系數減小， 對比度降低， 固有不清晰度增大， 最終導致X 射線檢測靈敏度下降。因此， 在保證穿透力的前提下， 盡量選擇能量較低的管電壓。 對于管-板角焊縫X 射線檢測， 采用的管電壓通常在100 kV 左右。

2.3.2 曝光量選擇

曝光量為管電流與照射時間的乘積。 曝光量不僅影響底片的黑度， 也影響影像的對比度、 顆粒度以及信噪比， 從而影響底片上可記錄的最小細節尺寸。 經試驗， 管-板角焊縫X 射線照射時間一般不少于30 s。

2.3.3 焦距選擇

棒陽極X 射線檢測在檢測工藝的設計方面應盡可能降低膠片的幾何不清晰度。 膠片的幾何不清晰度Ug主要取決于射線源的焦點尺寸F[15]、射線源至被檢焊縫的距離D、 被檢焊縫射線源至膠片的距離d。

式中： F——射線源焦點尺寸， mm；

d——被檢焊縫射線源至膠片的距離， mm；D——射線源至被檢焊縫的距離， mm。

由公式 （1） 可以看出， 為降低底片的幾何不清晰度， 應盡可能增加射線源至被檢焊縫的距離， 即棒陽極插入深度。

對4 個靈敏度試塊進行射線檢測， 經過反復對比試驗， 得到靈敏度試塊X 射線檢測數據（ 見 表1） 。 從 表1 可 以 看 出 ， 參 數 選 擇 符 合NB/T 47013.2—2015 標準要求， 試驗結果滿足檢測靈敏度要求。

表1 靈敏度試塊X 射線檢測結果及相關參數

3 典型缺陷底片評定

NB/T 47013.2—2015 附錄A 規定： 管-板角焊縫中的缺陷按性質可分為裂紋、 未熔合、 條形氣孔、 蟲形氣孔、 局部密集氣孔、 球形氣孔、 夾渣、 夾鎢和氧化物夾雜及根部咬邊。 該標準未將根部未焊透列入， 這主要由管-板角焊縫焊接結構決定。 通常管子與管板采用脹接形式連接， 僅能部分焊接， 管-板間隙與焊縫根部界限較難區分。 管-板角焊縫剖面圖如圖4 所示。

圖4 管-板角焊縫剖面圖

3.1 裂紋

管-板焊接過程中焊縫熔池的冷卻速度較快，焊縫在結晶的過程中極易形成晶內和晶間偏析，偏析物通常為低熔點共晶物和雜質， 由于其熔點比焊縫金屬低， 在金屬結晶過程中以液態間層的形式存在， 焊縫在冷卻結晶過程中受到拉伸應力的作用， 當應力累積到一定值時， 液態間層處被拉開又沒有液態金屬及時充滿， 從而形成裂紋。管-板角焊縫裂紋如圖5 所示。 裂紋多位于焊縫表面， 嚴重時可延伸至管子及管板。

圖5 管-板角焊縫裂紋照片

管-板角焊縫射線檢測因其結構原因， 采用向后透照方式， 射線束不能垂直穿透焊縫， 通常與焊縫成一定夾角θ， 如圖6 所示。

式中： R——管子半徑， mm；

F——焦距， mm。

焦距越小， 管徑越大， 則 θ 越大， 導致投射角度變大， 底片影像畸變也越大。 對垂直焊縫的裂紋缺陷， 隨著θ 增大， 缺陷檢出率降低。 因此，在條件允許的情況下， 應盡可能增大焦距， 并結合必要的表面檢測。 圖7 所示為裂紋底片影像。

圖8 管-板角焊縫未熔合缺陷

圖6 X 射線檢測射線束夾角

圖7 管-板角焊縫裂紋X 射線底片影像

3.2 未熔合

管-板角焊縫的未熔合類缺陷多為坡口處未熔合。 未熔合屬于面積型缺陷， 對承載截面積的減小非常明顯， 應力集中也較嚴重。 特別是換熱器類容器在高溫高壓環境下長期運行后， 應力集中將焊縫撕裂， 從而造成泄露， 其危害性僅次于裂紋。 產生未熔合的主要原因有： 焊接電流過小、 焊接速度過快、 焊條角度不對、 管-板坡口角度過小、 產生弧偏吹等。 未熔合類缺陷底片影像表現為連續或斷續的黑色弧線， 寬度不一， 黑度不均勻， 一側輪廓較齊， 另一側輪廓較不規則， 如圖8 所示。

3.3 氣孔

氣孔的產生原因之一是由于管-板焊接結構原因導致的。 在管-板角焊縫焊接過程中， 產生的熱量使焊縫根部管子與管板間隙中的氣體膨脹逸出而形成氣孔， 這種氣孔一般位于焊縫表面。焊接熔池在高溫環境下吸收過多氣體， 在冷卻過程中， 氣體在金屬中的溶解度迅速下降， 部分氣體來不及逸出殘留于焊縫金屬中， 最終形成氣孔， 該類型氣孔通常位于焊縫內部。 此外， 焊接部位的油污、 銹蝕以及水分等， 都可以形成氣孔。 氣孔X 射線底片影像如圖9 所示。 氣孔影像通常位于焊縫顯示區域， 可按相關標準結合點數進行評定。

圖9 管-板角焊縫氣孔X 射線底片影像

3.4 夾鎢

管-板角焊縫常采用鎢極氬弧焊焊接， 焊接電流過大或鎢極直徑過小、 氬氣保護不良等使部分鎢極金屬熔入焊縫， 從而形成夾鎢。 夾鎢X 射線底片影像較易辨認， 為一個白點， 如圖10 所示。

圖10 管-板角焊縫夾鎢X 射線底片影像

4 結束語

對管-板角焊縫采用棒陽極X 射線檢測， 具有靈敏度好、 缺陷檢出率高等優點。 通過分析該類型焊縫焊接結構、 射線檢測工藝及典型缺陷成因， 對射線檢測底片影像分析研究， 積累技術經驗， 為管-板角焊縫射線檢測的底片評定工作提供技術參考。