換熱管與管板焊接接頭射線檢測缺陷尺寸修正方法

張 鷹，張向英，杜 榮，劉 泉，何 谞，余建永

（甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070）

棒陽極射線和微焦點γ源檢測技術是換熱管-管板焊接接頭射線檢測常用的2種方法［1］。其中，棒陽極射線檢測技術具有檢測靈敏度高、現場適應性好及操作簡單等優點，近年來在國內得到了快速應用［2］。甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司在應用向后射線檢測方法檢測換熱管-管板焊接接頭時發現，焊縫影像大小與焦距、換熱管伸出長度、坡口深度以及缺陷在焊縫中的位置等因素有關，存在底片影像產生畸變和放大、影響缺陷評定可靠性的問題。為此，相關技術人員進行了針對性方法改進研究，形成了一種基于補償塊的換熱管-管板焊接接頭射線檢測缺陷尺寸的修正方法。文中以1臺余熱鍋爐換熱管與管板焊接接頭的射線檢測為例，介紹補償塊的設計、模擬缺陷的制作、放大系數的確定以及缺陷的修正評價等關鍵內容。

1 棒陽極X射線檢測存在問題及解決方案分析

1.1 存在問題

射線的曝光參數包括管電壓、曝光量、焦距及透射角度等，其中焦距和管徑共同決定焊縫投影區域，焦點尺寸、焦距和焊縫到膠片的距離會對缺陷的影像尺寸產生不同程度的影響。國內換熱管-管板焊接接頭大多采用強度焊加貼脹的焊接結構，強度焊結構的換熱管管頭伸出管板2～8 mm，甚至更多以獲得較大焊縫尺寸，形成的坡口較深，熔敷金屬厚［3］。射線檢測時，管頭伸出長度決定了膠片與焊縫的距離，對射線照相靈敏度和缺陷影像質量均會產生不利影響。

與常規射線檢測相比，棒陽極射線檢測焦距減小，底片影像的畸變和放大作用更明顯。對缺陷進行的解剖測量表明，這種放大作用可使缺陷影像尺寸比缺陷實際尺寸增大1～2倍。對于氣孔等非危害性缺陷，這個放大因素直接關系到焊縫是否返修。因此在缺陷評定時，缺陷的畸變放大因素也應作為一個重要的衡量因素予以考慮［4］。

1.2 解決方案

制定一種確定管頭焊縫射線檢測影像放大系數方法。此方法利用補償塊加載模擬缺陷，以模擬缺陷作為人工模擬缺陷的參比，獲取影像放大系數，即在補償塊上加工模擬缺陷并進行透照，將補償塊上的模擬缺陷與底片缺陷影像的尺寸、黑度、深度進行對比［5］，找出缺陷放大規律，在缺陷評定時進行修正，提高缺陷評價準確率。

2 余熱鍋爐換熱管與管板焊接接頭的射線檢測

2.1 換熱管-管板焊接結構

余熱鍋爐換熱管材質20G，規格φ38 mm×5 mm。管板材質 Q345R，厚度 26 mm。管孔深度 7 mm，管孔直徑φ52 mm。換熱管伸出長度3 mm，角焊縫焊角高度2 mm。余熱鍋爐換熱管管孔結構見圖1。換熱管與管板焊接節點見圖2［6］。

圖1 余熱鍋爐換熱管管孔結構示圖

圖2 換熱管與管板焊接節點示圖

2.2 補償塊制作

補償塊是換熱管-管板焊接接頭射線檢測技術應用中不可或缺的工裝之一，其作用是減小角焊縫射線檢測的透照厚度差，降低散射比，阻擋邊蝕，使底片上檢測區域的黑度相對均勻［7-8］。補償塊的材質一般與換熱管材質同種類，也可使用原子序數比管材低的材料制作。補償塊的結構和形狀對照相靈敏度有較大影響，既要保證射線源對中，還需保證足夠的照射量［9-10］。補償塊的設計選用與換熱管直徑、壁厚、角焊縫的型式、坡口深度、焦距等因素有關。采用10鋼棒制作余熱鍋爐棒陽極X射線檢測所需補償塊，結構見圖3。

圖3 補償塊結構示圖

2.3 對比試塊設計

在垂直于補償塊外圓周面加工幾組不同尺寸及不同深度的孔型模擬缺陷。對焊縫進行射線透照時，模擬缺陷影像與焊縫影像會同時投影到底片上。模擬缺陷位置及尺寸的選取需考慮換熱管的壁厚、角焊縫的坡口深度及缺陷的驗收標準等因素。

在評定允許存在的圓形缺陷直徑范圍內，模擬缺陷的直徑可任意選取。以密封焊為例，依據標準選擇的密封焊可為φ1 mm的圓形缺陷。余熱鍋爐換熱管與管板焊接接頭結構為強度焊，用戶要求的單個圓形缺陷驗收條件為直徑2.5 mm。模擬缺陷的長度以不覆蓋焊縫影像為準，一般不超過換熱管壁厚。模擬缺陷深度可與焊縫根部齊平，也可選在焊縫高度 （不包括角焊縫焊角高度）1/4、1/2或其他可能出現缺陷的深度范圍內，本次在焊縫高度 1/4、1/2處各加工直徑分別為 1 mm、2.5 mm的2個圓形模擬缺陷，見圖4。

圖4 補償塊模擬缺陷示圖

2.4 射線檢測

采用棒陽極X射線機進行透照，焦點尺寸0.5 mm×0.5 mm，焦距38 mm。底片采用管頭射線檢測專用真空包裝膠片［11］，膠片類型 FOMA-R4，前后增感屏厚度0.03 mm，膠片尺寸120 mm×100 mm，中心打孔處用黑色膠帶封住避光［12］。曝光前在膠片上砸打鋼印標記，將補償器套在陽極棒上一并插入換熱管中［13］，曝光管電壓110 kV，管電流0.4 mA，曝光時間2.5 min。采用自動洗片機洗片，檢測靈敏度可滿足驗收要求的規定。

2.5 影像放大系數確定

換熱管與管板焊接接頭成像理論圖見圖5。圖5中，D1為換熱管內壁影像，D2為補償器端部影像，D3為焊腳端部影像，D4為焊縫根部影像，D5為焊縫焊趾影像，F為透照焦距，φ為換熱管直徑，φ1為焊趾直徑，T為換熱管壁厚，L為管頭伸出長度，H為坡口深度，K為焊角高度。

圖5 換熱管與管板焊接接頭成像理論圖

按照圖5所示的成像理論，模擬缺陷的影像出現在D3焊角端部影像以內，不會對焊縫影像評價產生干擾。為了驗證補償器模擬缺陷與焊縫中缺陷的真實放大倍數是否一致，在焊縫上模擬加工了1組同直徑、同深度的人工模擬缺陷［11］，分別對補償塊及焊縫中的模擬缺陷進行射線檢測，補償器及模擬缺陷透照底片見圖6。

圖6 補償器及模擬缺陷透照底片

焊縫模擬缺陷試件及底片見圖7。對模擬缺陷及相應缺陷影像進行測量，算出缺陷影像放大倍數，檢測數據見表1。表1中，深度為模擬缺陷的深度，φ為模擬缺陷的直徑，S1為補償塊模擬缺陷影像尺寸，S2為焊縫模擬缺陷影像尺寸。

表1 模擬缺陷影像測量結果及對比

圖7 焊縫模擬缺陷試件及其射線檢測透照底片

從表1可以看出，補償器上模擬缺陷影像放大系數S1：φ介于1.31～1.44，焊縫上模擬缺陷影像放大系數S2：φ介于1.40～1.49。對比該組數據，補償塊模擬缺陷影像與相應位置焊縫模擬缺陷影像放大系數基本一致，可取補償器影像放大倍數平均值作為實際透照時產生的缺陷影像放大系數。在實際管頭焊縫射線檢測底片評定時，對于圓形類非危害性缺陷，用該平均值對焊縫中的缺陷影像尺寸進行修正，從而對缺陷做出合理評價。

2.6 對比試塊應用作用

余熱鍋爐換熱管-管板焊接接頭的棒陽極X射線檢測實踐證明，應用帶模擬缺陷的補償塊對管頭角焊縫射線檢測有多方面的積極作用，①用模擬缺陷對比試塊，測出了射線檢測換熱管與管板焊接接頭缺陷影像放大系數。②對于換熱管與管板焊接接頭中的非危害性缺陷，在底片評定時，可考慮影像放大系數，減少非必要返修。③應用該技術可對強度焊角焊縫的檢測驗收標準進行完善，進一步提高缺陷評定與質量驗收標準的嚴謹性。

3 結語

對強度焊管頭角焊縫的射線檢測，現在還沒有國家標準和規范可以遵循［14］，缺陷的種類和大小與角焊縫的強度以及泄漏方面的關系暫時還無定論［15］，在檢測過程中遇到的問題只能通過試驗進行驗證。通過設計制作換熱管與管板焊接接頭射線檢測專用試塊，確定影像放大系數，減小了由于焊接接頭結構引起缺陷影像畸變給缺陷尺寸測定帶來的不確定性，為準確評定焊接接頭質量等級提供了重要依據。