環形核燃料元件焊縫的數字X射線成像檢測

湯 慧，張小剛，俞東寶

(中核北方核燃料元件有限公司，包頭 014035)

環形核燃料元件作為一種新型元件，可大幅度提高燃料元件的傳熱效率，降低燃料芯塊溫度，顯著提升核電系統的安全性和經濟性。環形核燃料元件焊縫包括端塞柱面環焊縫和端塞端部環焊縫，其結構如圖1所示。要求對其進行100%數字X射線成像檢測。

圖1 環形核燃料元件結構示意

數字X射線成像檢測技術是一種可以直接獲得數字化圖像的檢測技術，其成像質量主要由靈敏度、清晰度和灰度來描述。該技術檢測效率高，可實時獲得質量信息，可通過旋轉使射線束垂直于缺陷(減少畸變影響，提高缺陷的檢測精度)，更能適應現代工業快速在線檢測的需求。

1 檢測原理

射線在穿透物質的過程中會與物質發生相互作用而強度減弱，強度衰減遵循指數衰減規律，衰減程度取決于物質的線衰減系數和射線在物質中的穿透厚度。當物體中存在缺陷，且缺陷的衰減系數和物體材料的衰減系數不同時，缺陷與物體完好部位對射線的吸收程度不同，到達平板探測器的射線強度就不同，經過圖像處理，就會得到黑度不同的影像，通過圖像即可對焊接質量進行評價。數字X射線檢測原理如圖2所示。

圖2 數字X射線檢測原理示意

試驗設備為Comet HS-XY-320型高頻雙焦點X射線機(焦點直徑分別為1.0，0.4 mm)、PE 0822型成像板和專用圖像處理軟件、鋯合金絲型像質計等，試驗對象為φ 18 mm的鋯合金環形核燃料元件,其內外包殼壁厚小于1 mm。

2 端塞柱面環焊縫數字X射線成像檢測工藝及金相檢驗結果比較

2.1 檢測工藝

環形核燃料元件柱面環焊縫為中空式環焊縫，燃料棒端塞柱面環焊縫屬于小徑管對接環焊縫。對于給定的檢測系統，由式(1)可知，隨著焦點尺寸的減小，最佳放大倍數將增大，空間分辨率相應提高。試驗選擇的射線源焦點直徑為0.4 mm。

M0=1+(UC/d)3/2

(1)

式中：M0為最佳放大倍數；d為焦點尺寸；UC為探測器的固有不清晰度。

提高疊加幀數可有效提高信噪比但同時增加了檢測時間，當疊加幀數在15幀以上時，繼續提高疊加幀數，信噪比無明顯提高。為了獲得高信噪比的圖像，試驗的單幀采集時間不小于199 ms，疊加幀數為30幀～50幀。

隨著增益的增大，圖像灰度值和信噪比迅速增大；隨著單幀采集時間的增加圖像灰度有所增加，但增加緩慢。增益越大信噪比越大，當圖像灰度值在30 000左右時信噪比存在最大值。因此試驗設定增益為1.0 pF～2.0 pF，單幀采集時間為499 ms。

現場檢測時，在達到檢測規定的靈敏度條件下，應選擇較小焦距以降低射線機的工作電壓，試驗透照選擇管電流為3 mA，疊加幀數為50幀，焦距為750 mm，電壓為172 kV。射線檢測圖像的最小可見絲徑為0.20 mm，滿足靈敏度要求。焦距、管電壓、圖像灰度和靈敏度的變化關系(端塞柱面環焊縫)如表1所示[1-2]。

表1 焦距、管電壓圖像灰度和靈敏度的變化關系(端塞柱面環焊縫)

2.2 金相檢驗結果比較

對環形核燃料元件端塞環焊縫的數字X射線檢測發現，柱面環焊縫的主要缺陷有單個氣孔、密集氣孔、未焊透和氣脹等4類，缺陷的數字X射線成像和金相照片如表2所示。

表2 端塞柱面環焊縫缺陷的數字X射線成像與金相照片

數字X射線成像檢測方法可有效檢測出環形核燃料元件柱面環焊縫中直徑大于0.20 mm的氣孔、夾雜等缺陷，可有效檢測出深度大于0.20 mm的氣脹、未焊透等缺陷。

3 端塞端面環焊縫數字X射線成像檢測工藝及金相檢驗結果

3.1 檢測工藝

根據端面環焊縫的位置特點，設計了內部補償裝置，其結構如圖3所示(圖中陰影部分為補償塊)。內部補償裝置由經過X射線檢測合格的材料按所檢焊縫的形狀和尺寸制造，其對X射線的吸收系數與被檢工件一致或相近。應盡可能薄地加工一個內插圓管進行內部補償，讓其與燃料元件的內包殼內壁緊密貼合；端部補償后尺寸應與端頭外徑相當，保證射線的均勻性。需要注意補償后總厚度的射線檢測靈敏度應滿足檢測要求。

圖3 內部補償裝置結構示意

試驗設計焦距為7001 250 mm(增加間隔為50 mm)。試驗需要保證平板探測器的有效灰度值大于30 000，所以管電流設定為3 mA，采集時間為200 ms，疊加幀數為50幀。焦距、管電壓、圖像灰度和靈敏度的變化關系(端塞端面環焊縫)如表3所示。

表3 焦距、管電壓和靈敏度的變化關系(端塞端面環焊縫)

由表3可見，當焦距為1 150 mm時，最小可見絲徑為0.100 mm。最終確定檢測試驗的焦距為1 200 mm，對應管電壓為145 kV。補償后端塞端面焊縫的數字X射線成像檢測結果如圖4所示。

圖4 補償后端塞端面焊縫數字X射線成像檢測結果

3.2 金相檢驗結果比較

端面環焊縫主要有單個圓形氣孔、單個條形氣孔和密集氣孔等體積型缺陷，其數字X射線成像和金相照片如表4所示。

表4 端塞端面環焊縫缺陷的數字X射線成像與金相照片

為進一步分析樣品缺陷的三維尺寸，在發現缺陷后，采用4000目的金相砂紙每磨制30 s采集一張金相照片，某缺陷在4次分層金相檢驗中的金相照片如圖5所示，該缺陷確定為φ 0.11 mm氣孔。

圖5 某缺陷分層金相檢驗照片

通過對30個柱面環焊縫和30個端面環焊縫進行數字X射線成像檢測及金相檢驗，建立環形核燃料元件焊縫數字X射線成像檢測方法，可實現對該燃料元件環焊縫的有效評價。

4 結語

開展了環形核燃料元件端塞環焊縫的數字X射線成像檢測技術的研究，柱面環焊縫檢測圖像最小可識別絲徑達0.20 mm，可實現焊縫內氣孔、未焊透和氣脹等缺陷的定性分析;針對端面環焊縫檢測存在的困難，結合焊縫用途和缺陷特點，設計了射線檢測專用補償裝置，可有效檢測出端面環焊縫中直徑大于0.10 mm的氣孔、夾雜等體積型缺陷。