小徑管對(duì)接焊縫的冷陰極數(shù)字X射線檢測(cè)

王俊龍，朱序東，周 杰

(1.核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司,北京 101300；2.生態(tài)環(huán)境部 華北核與輻射安全監(jiān)督站，北京 100082； 3.國(guó)核(福建)核電有限公司，福州 350013)

在核電、石油天然氣等工程的建造過(guò)程中，焊接是重要的施工方法。焊接接頭的質(zhì)量對(duì)主體設(shè)施及其配套設(shè)施的可靠性有重要的影響，直接影響到設(shè)備的安全運(yùn)行。文章以某項(xiàng)目主體設(shè)施及其配套設(shè)施安裝工程為背景開(kāi)展研究，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 20003.3-2010 《核電廠核島機(jī)械設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分 射線檢測(cè)》 實(shí)施檢測(cè)。

常規(guī)射線檢測(cè)(RT)存在檢測(cè)周期長(zhǎng)、效率低等缺點(diǎn)，容易影響工程進(jìn)度。向數(shù)字化轉(zhuǎn)變是射線檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。常見(jiàn)的數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)主要包括計(jì)算機(jī)X射線攝影(CR)和數(shù)字X射線攝影(DR)。DR檢測(cè)技術(shù)在壁厚約為21 mm的石油天然氣管道中應(yīng)用較廣泛，權(quán)濤[1]和徐永波[2]的研究結(jié)果均表明DR檢測(cè)技術(shù)具有很大的潛能，將其應(yīng)用于天然氣運(yùn)輸管道焊縫的檢測(cè)，可降低檢測(cè)成本，提高檢測(cè)結(jié)果的可靠性。文章綜合使用冷陰極數(shù)字X射線成像技術(shù)對(duì)管徑為10.3～88.9 mm，壁厚為1.73～5.54 mm的管對(duì)接焊縫制定了檢測(cè)工藝，分析了檢測(cè)靈敏度和分辨率的標(biāo)準(zhǔn)符合情況，并與傳統(tǒng)射線檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，分析了缺陷的檢出率和定量誤差。

1 檢測(cè)原理與特點(diǎn)

1.1 冷陰極DR與傳統(tǒng)RT的檢測(cè)原理

射線穿透物體的過(guò)程中會(huì)與物質(zhì)發(fā)生相互作用(吸收和散射)而強(qiáng)度減弱[3]。強(qiáng)度的衰減程度取決于物質(zhì)的衰減系數(shù)和射線在物質(zhì)中穿透的厚度。如果被透照物體(試件)的局部存在缺陷，且構(gòu)成缺陷的物質(zhì)的衰減系數(shù)又不同于試件的，則透過(guò)該局部區(qū)域的射線強(qiáng)度就會(huì)與周?chē)漠a(chǎn)生差異。射線檢測(cè)就是利用這樣的差異來(lái)檢測(cè)缺陷的。

冷陰極DR與傳統(tǒng)RT的主要區(qū)別為成像方式不同。傳統(tǒng)RT利用膠片中的感光銀鹽粒子吸收光子形成肉眼不可見(jiàn)的潛影[4]，通過(guò)暗室處理技術(shù)在底片上形成肉眼可見(jiàn)的圖像。DR技術(shù)通過(guò)數(shù)字探測(cè)器來(lái)獲得可被顯示和記錄的數(shù)字圖像，其原理為透過(guò)被檢物體的射線光子被數(shù)字探測(cè)器接收并轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光或電子，再利用電路讀出可見(jiàn)光或電子并進(jìn)行數(shù)字化處理后，將得到的信號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)形成可顯示、分析處理和存儲(chǔ)的圖像，實(shí)現(xiàn)圖像的數(shù)字化。冷陰極指電子管中不使用加熱的方式來(lái)發(fā)射電子的陰極，其焦點(diǎn)尺寸小，可明顯提升射線檢測(cè)的靈敏度。冷陰極DR成像檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 冷陰極DR成像檢測(cè)原理示意

1.2 冷陰極DR與傳統(tǒng)RT的檢測(cè)特點(diǎn)

傳統(tǒng)射線檢測(cè)技術(shù)使用的膠片感光銀鹽顆粒很小，能記錄的細(xì)節(jié)尺寸可以很小，因此分辨率較高，但后續(xù)的暗室處理易造成環(huán)境污染。冷陰極DR成像檢測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)射線檢測(cè)技術(shù)相比，在便捷性、工作效率和對(duì)探傷時(shí)間窗口的需求等方面具有較大優(yōu)勢(shì)，具體如下所述。

(1) 便捷性。常規(guī)γ源機(jī)尺寸約為350 mm×200 mm×150 mm(長(zhǎng)×寬×高，下同)，重量約為15 kg；常規(guī)X射線機(jī)尺寸約為800 mm×350 mm×350 mm，重量約為20 kg。冷陰極X射線發(fā)射單元尺寸為350 mm ×215 mm×90 mm，重量約為10 kg；DR探測(cè)器尺寸約為330 mm×280 mm×25 mm，重量約為3 kg，小型輕便，并可進(jìn)行無(wú)線傳輸，方便遠(yuǎn)程控制和評(píng)定。

(2) 工效性。相較于常規(guī)射線檢測(cè)技術(shù)，冷陰極DR成像檢測(cè)技術(shù)具有焦點(diǎn)小、焦距短、曝光時(shí)間短且無(wú)需進(jìn)行暗室處理等特點(diǎn)，可提高射線檢測(cè)的工作效率。

(3) 安全性。常規(guī)射線檢測(cè)需要沖洗膠片，清洗液會(huì)給環(huán)境帶來(lái)污染；使用γ射線源進(jìn)行檢測(cè)時(shí)需要對(duì)整個(gè)廠房進(jìn)行封閉，輻射風(fēng)險(xiǎn)較大，而冷陰極DR成像檢測(cè)技術(shù)可在相對(duì)較小的隔離范圍外與其他工種交叉作業(yè)，環(huán)境污染較小。

(4) 傳統(tǒng)的射線檢測(cè)技術(shù)需要大量的膠片來(lái)記錄透照信息，底片的存儲(chǔ)及查閱困難，而冷陰極DR成像檢測(cè)技術(shù)無(wú)需存儲(chǔ)底片，直接形成數(shù)字化底片存儲(chǔ)于電腦中，便于評(píng)定存檔和查詢。

2 冷陰極DR與傳統(tǒng)RT對(duì)比試驗(yàn)

文章設(shè)計(jì)制作了5種規(guī)格的小徑管對(duì)接焊縫自然缺陷驗(yàn)證試塊，并分別采用冷陰極DR成像檢測(cè)技術(shù)和傳統(tǒng)射線檢測(cè)技術(shù)對(duì)上述自然缺陷驗(yàn)證試塊進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)兩種檢測(cè)方法的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，其中，冷陰極X射線DR成像檢測(cè)技術(shù)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.11-2015 《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第11部分 X射線數(shù)字成像檢測(cè)》 對(duì)AB級(jí)焊縫的要求，傳統(tǒng)射線檢測(cè)技術(shù)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)NB/T 20003.3-2010。

2.1 自然缺陷驗(yàn)證試塊設(shè)計(jì)

筆者調(diào)研了某項(xiàng)目的工藝管道規(guī)格，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇具有代表性的5種規(guī)格管道，根據(jù)上游技術(shù)文件制作了包含裂紋、未熔合、未焊透、氣孔和根部?jī)?nèi)凹等不同類(lèi)型自然缺陷的驗(yàn)證試塊，并根據(jù)驗(yàn)收要求將預(yù)埋缺陷尺寸設(shè)計(jì)為要求中不可接受的最小尺寸，制作的自然缺陷試塊規(guī)格及缺陷設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

2.2 檢測(cè)系統(tǒng)

采用TXR-CIR150P-06型冷陰極X射線機(jī)、Care View 750Cw型探測(cè)器及WISDON 750Cw型數(shù)字射線成像處理系統(tǒng)進(jìn)行冷陰極DR成像檢測(cè)。冷陰極X射線機(jī)管電壓為120 kV～150 kV，電流為0.5 mA～3 mA，焦點(diǎn)直徑為1 mm。探測(cè)器系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)均滿足NB/T 47013.11-2015標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 自然缺陷試塊規(guī)格及缺陷設(shè)計(jì)參數(shù) mm

傳統(tǒng)射線檢測(cè)采用XXG2005型X射線機(jī)，管電壓為100 kV～200 kV，電流為5 mA，焦點(diǎn)尺寸為2 mm×2 mm(長(zhǎng)×寬)，采用Carestream MX125型(C3類(lèi))膠片，洗片方式為自動(dòng)洗片。

2.3 檢測(cè)工藝

2.3.1 冷陰極DR檢測(cè)工藝

試驗(yàn)使用的線型像質(zhì)計(jì)標(biāo)識(shí)號(hào)為10FEJB，使用的雙線型像質(zhì)計(jì)標(biāo)識(shí)號(hào)為ISO 19232-J334，均放置于源側(cè)。10.30 mm×1.73 mm(直徑×壁厚，下同)，26.70 mm×2.11 mm和33.4 mm×4.55 mm 3種規(guī)格的小徑管焊縫采用垂直透照的方式，60.30 mm×5.54 mm和88.90 mm×5.49 mm兩種規(guī)格的小徑管采用橢圓透照的方式。不同規(guī)格小徑管的檢測(cè)參數(shù)如表2所示。

2.3.2 傳統(tǒng)RT工藝

試驗(yàn)使用的像質(zhì)計(jì)標(biāo)識(shí)號(hào)為10FEJB，鉛增感屏前屏與后屏的厚度均為0.05 mm，鉛背防護(hù)屏厚度為2 mm，暗室處理時(shí)間為8 min，溫度為26 ℃。各小徑管的透照方式與冷陰極DR檢測(cè)的一致，傳統(tǒng)RT參數(shù)如表3所示。

表2 不同規(guī)格小徑管的冷陰極DR檢測(cè)參數(shù)

表3 不同規(guī)格小徑管的傳統(tǒng)RT參數(shù)

2.4 檢測(cè)結(jié)果

采用冷陰極DR成像檢測(cè)技術(shù)和傳統(tǒng)射線檢測(cè)技術(shù)對(duì)自然缺陷驗(yàn)證試塊進(jìn)行檢測(cè)，觀察和分析影像質(zhì)量，分別統(tǒng)計(jì)線型像質(zhì)計(jì)(用于靈敏度評(píng)定)和雙絲像質(zhì)計(jì)(用于分辨率測(cè)定)的識(shí)別情況，以及缺陷檢出率和缺陷定量的準(zhǔn)確率，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證筆者制定的冷陰極DR成像檢測(cè)工藝的有效性和可靠性。

2.4.1 靈敏度

射線檢測(cè)利用底片上可識(shí)別的最小絲號(hào)來(lái)評(píng)定檢測(cè)靈敏度，所識(shí)別線型像質(zhì)計(jì)的絲號(hào)越大，絲徑越小，檢測(cè)靈敏度越高。兩種檢測(cè)方法可識(shí)別的最小絲號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)比如圖2所示，可見(jiàn)，兩種方法可識(shí)別的絲號(hào)均不低于標(biāo)準(zhǔn)要求的絲號(hào)，即傳統(tǒng)RT圖像的靈敏度符合NB/T 20003.3-2001標(biāo)準(zhǔn)(圖中用標(biāo)準(zhǔn)1表示)的要求；冷陰極DR檢測(cè)圖像的靈敏度符合NB/T 47013.11-2015標(biāo)準(zhǔn)AB級(jí)焊縫(圖中用標(biāo)準(zhǔn)2表示)的要求，且符合NB/T 20003.3-2001標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖2 兩種檢測(cè)方法可識(shí)別的最小絲號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)比

2.4.2 分辨率

DR檢測(cè)圖像的分辨率定義為可分辨線對(duì)的最小間距，可識(shí)別雙線型像質(zhì)計(jì)的絲號(hào)越大，絲徑越小，則圖像分辨率越高。冷陰極DR檢測(cè)可識(shí)別雙線型像質(zhì)計(jì)的最小絲號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)比如圖3所示，可見(jiàn)，采用冷陰極DR檢測(cè)時(shí)，全部DR圖像可識(shí)別的雙線型像質(zhì)計(jì)絲號(hào)均不低于標(biāo)準(zhǔn)要求識(shí)別的絲號(hào)，即DR檢測(cè)圖像的分辨率符合NB/T 47013.11-2015標(biāo)準(zhǔn)AB級(jí)焊縫的要求。

圖3 冷陰極DR檢測(cè)可識(shí)別雙線型像質(zhì)計(jì)的最小絲號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)比

2.4.3 缺陷檢測(cè)情況

以檢測(cè)靈敏度和分辨率較高的傳統(tǒng)RT結(jié)果為基準(zhǔn)，分析冷陰極DR檢測(cè)和傳統(tǒng)RT的缺陷檢出情況。結(jié)果表明，冷陰極DR檢測(cè)技術(shù)能將傳統(tǒng)RT檢出的缺陷全部檢出，即冷陰極DR檢測(cè)的缺陷檢出率不低于按照NB/T 20003.3-2010標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的傳統(tǒng)RT的缺陷檢出率。

冷陰極DR檢測(cè)與傳統(tǒng)RT的缺陷定量誤差率如表4所示(以傳統(tǒng)RT得到的缺陷尺寸為基準(zhǔn))。由表4可知，與傳統(tǒng)RT檢出的缺陷尺寸相比，冷陰極DR檢測(cè)的缺陷定量誤差率不超過(guò)±15%。

表4 冷陰極DR檢測(cè)與傳統(tǒng)RT的缺陷定量誤差率 %

3 結(jié)語(yǔ)

文章設(shè)計(jì)制作了包含不同體積型和面積型缺陷的5種規(guī)格的小徑管對(duì)接焊縫自然缺陷驗(yàn)證試塊，并以此為對(duì)象制定檢測(cè)工藝，進(jìn)行了冷陰極DR成像檢測(cè)和傳統(tǒng)RT試驗(yàn)，分析了檢測(cè)靈敏度和分辨率的標(biāo)準(zhǔn)符合情況以及缺陷檢出率和定量誤差的情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用冷陰極DR檢測(cè)時(shí)，圖像靈敏度符合NB/T 47013.11-2015標(biāo)準(zhǔn)AB級(jí)焊縫的要求，且符合NB/T 20003.3-2010標(biāo)準(zhǔn)要求；同時(shí)，DR圖像可識(shí)別的雙線型像質(zhì)計(jì)絲號(hào)不低于標(biāo)準(zhǔn)要求識(shí)別的絲號(hào)，圖像分辨率符合NB/T 47013.11-2015標(biāo)準(zhǔn)AB級(jí)焊縫要求。采用冷陰極DR檢測(cè)可針對(duì)欲觀察區(qū)域進(jìn)行圖像處理，提高圖像清晰度和對(duì)比度，在檢測(cè)直徑小于0.5 mm的氣孔時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，冷陰極DR檢測(cè)的缺陷檢出率不低于傳統(tǒng)RT的缺陷檢出率，缺陷定量誤差率不超過(guò)±15%。冷陰極DR檢測(cè)技術(shù)滿足了工程小徑管的檢測(cè)要求，在工程安裝階段應(yīng)用可有效提高射線檢測(cè)的效率和輻射防護(hù)管理水平，具有廣闊的應(yīng)用前景。