一種用于小徑管環焊縫射線檢測的偏心距圖

安保華,孫明森,呂春松,李 侃

(中原油田分公司技術監測中心,濮陽 457001)

在對承壓類特種設備進行制造、安裝、維修、檢驗的過程中，小徑管環焊縫的射線檢測較為常見。為了保證成像效果，往往采用傾斜透照橢圓成像，這就需要計算探傷機焦點相對焊縫中心所在平面的偏心距。如果現場沒有或者因故無法使用計算器等計算工具，就需要人工計算，從而造成不便，且易出錯。孔憲慧等[1]嘗試使用坐標法確定偏心距，該方法具有一定的可操作性，但坐標圖需要根據檢測對象量身定制，通用性不足。為此，筆者設計了一種通用的計算圖，只要依據給定參數，使用直尺即可快速準確獲取計算值。

1 設計思路

計算偏心距L0的公式[2]為

(1)

式中：L0為偏心距；b為焊縫寬度；q為橢圓開口寬度，依據標準NB/T 47013.2—2015 《承壓設備無損檢測 第2部分：射線檢測》取1倍焊縫寬度；F為焦距；Do為小徑管外徑；Δh為焊縫余高。

因為Do+Δh計算簡單，可將其視為1個變量。故式(1)共有4個變量。一個基本的二維圖可以表示3個變量，故至少需要兩個圖。

將式(1)分解為式(2)和式(3)，可得

L0=nb

(2)

(3)

式中：n為公用變量。

式(2)是兩個積的函數，這種函數關系適合用諾模圖實現，可以采用最為常見的三平行線諾模圖繪制。對式(3)的函數關系，可以采用曲線圖繪制。最后，這兩個圖通過n來整合。

2 設計過程

2.1 參數范圍的確定

首先根據實際經驗確定參數范圍：小徑管外徑Do為30～100 mm；焊縫余高Δh為0～10 mm；焦距F為300～1 000 mm；焊縫寬度b為5～15 mm。

計算其余參數范圍：Do+Δh為30～110 mm；系數nmin=3.5，考慮透照清晰度因素，n不宜過小，故向上取整為5；系數nmax=64.7，取整為65;系數n為5～65；偏心距L0為25～975 mm。

2.2 諾模圖的設計

對式(2)兩邊取對數，將函數關系轉換為和的形式，如式(4)所示。

lgL0=lg(nb)=lgn+lgb

(4)

取各圖尺長均為15 cm，則各圖尺的圖尺系數分別為mn=13.47，mL0=9.43，mb=31.44。

各圖尺的標值方程為

(5)

根據標值方程組(5)，計算n、L0、b3個圖尺刻度點的標值長度(見表1)。

表1 圖尺刻度標值長度

設n尺與L0尺間距為an，L0尺與b尺間距為ab，an+ab=10 cm，則根據式(6)計算可得，an=3 cm，ab=7 cm。

(6)

繪制表示式(2)函數關系的n-b諾模圖(見圖1)。

圖1 n-b諾模圖

2.3 曲線圖的設計

(1) 確定計算圖的坐標軸。

取Do+Δh為橫軸，n為縱軸，圖中曲線為F值。

(2) 繪制曲線圖

根據式(3)，將n按間距1，F按間距50 mm計算Do+Δh，結果如表2所示。

表2 Do+Δh值計算結果 mm

將表中的每行數據作為橫坐標，為與諾模圖中的n坐標軸一致，便于表格整合，數據相應的n值取對數作為縱坐標，用CAD(計算機輔助設計)軟件繪制曲線，形成(Do+Δh)-n曲線圖(見圖2)。

圖2 (Do+Δh)-n曲線圖

2.4 繪制偏心距圖

由于系數n為兩個圖的公用變量。將圖1置于圖2下方，并對其進行調整優化，完成小徑管透照偏心距圖(見圖3)的繪制。

圖3 小徑管透照偏心距圖

(1) 對于L0的取值，由圖3可知，對某一焦距，n與外徑Do負相關，而外徑Do與焊縫寬度b正相關，故n與b不會同時取大值。所以，按實際經驗取L0最大值為600 mm。

(2) 增加6條Do+Δh輔助線。焊縫余高取常用值2 mm，外徑依據標準GB/T 17395—2008 《無縫鋼管尺寸、外形、重量及允許偏差》取常用值34，42，48，60，76，89 mm。

(3)系數n作為公用變量，無需讀數，可不顯示刻度，但為了便于作圖時觀察參照，將其標記為0～30。

3 使用示例及核驗

小徑管外徑為65 mm，焊縫余高為2 mm，透照焦距F=800 mm，焊縫寬度為8 mm。以此工件為使用示例，核驗透照偏心距值(見圖3)。

(1) 計算Do+Δh=67 mm，過(Do+Δh)圖尺的67刻度點做垂線，與F曲線交于點A。

(2) 過A點做n圖尺的垂線，并與其交于B點。

(3) 連接B點和b圖尺的8刻度點，與L0圖尺的交點即為所求偏心距，讀數為17.5 cm，與理論計算值相同。

4 誤差分析

實際操作中，解算L0存在誤差，會引起橢圓開口寬度q的誤差。影響解算結果精度的因素如表3所示。

表3 精度影響因素及措施

根據表3采取措施并正確操作，則讀數誤差不會超過L0圖尺最小分度值的1/2，也就是ΔL0=±5 mm。為了簡化，設D=(Do+Δh)，按式(7)可反算橢圓開口寬度q。式(8)為橢圓開口寬度誤差Δq的公式。

(7)

(8)

由式(9)可知，誤差Δq與F負相關，與D正相關。取圖中極限值，F=350 mm，D=100 mm，則Δq=1.0 mm。

由圖3可以看出，F值越小則對應L0圖尺的單位顯示長度越大，讀數時的ΔL0會顯著降低，相應減小Δq。實際操作中，ΔL0可控制在±2.5 mm內，Δq誤差值一般不會超過±0.5 mm。文中按ΔL0=5 mm計算，Δq=0.23 mm，完全可以滿足射線檢測精度的要求。

5 結語

(1) 繪制的小徑管環焊縫射線檢測用偏心距圖由曲線圖和諾模圖兩部分組成。使用直尺只需3個步驟即可讀數，使用簡便，易于操作。該圖既可用于現場偏心距的計算，也可作為操作指導書中已知偏心距的驗證工具。

(2) 通過誤差分析，使用該圖解算的結果較為準確，滿足射線檢測要求。在使用中，可以通過加大圖幅、使用標準的直尺工具、規范操作、仔細讀數等來確保解算結果的準確性。