船舶建造焊縫缺陷DRT與常規膠片RT的等效性分析

劉思明, 盧志鵬, 黃凱華, 周昌智, 尹嘉雯

(上海船舶工藝研究所，上海 200032)

0 引 言

焊接是船舶建造必不可少的重要施工技術，焊縫質量直接影響船舶的結構、使用壽命和安全可靠性，必須對焊縫進行無損檢測(Non-Destructive Testing，NDT)。目前在船舶建造焊縫質量檢測中常規膠片射線檢測(Radiography Testing，RT)應用十分廣泛，而數字射線檢測(Digital Radiography Testing，DRT)應用較少，一個較重要的原因在于DRT技術是否與常規膠片RT技術具有同等缺陷檢測能力，即等效性問題[1]，在檢測圖像上可否正確地顯示缺陷的形狀、尺寸、分布，給出正確的缺陷性質和質量級別的評判。對于等效性問題，目前船舶建造領域研究較少。近些年，國內外主要是進行大量缺陷檢測對比試驗和像質計識別對比試驗，討論兩種技術的缺陷檢測能力問題。國內外的研究以成像過程基本理論為基礎，將DRT技術和常規膠片RT技術作為成像系統[2]，從是否構成具有同等成像質量的成像系統角度在理論上討論等效性問題。

X射線DRT技術等級分為2級：AB級為中靈敏度技術；B級為高靈敏度技術[3]。RT技術等級分為3級：A級為低靈敏度技術；AB級為中靈敏度技術；B級為高靈敏度技術[4]。針對鋼材料平對接焊縫，采用7.000～32.000 mm的母材，以AB級技術等級為例進行研究。

1 檢測技術標準等效性要求

1.1 靈敏度指標

DRT與RT的基本原理為利用射線穿透厚度的不同，造成輻射探測器接收的射線強度不同，通過DRT與RT影像上的不均勻識別缺陷。DRT與RT圖像質量的一個重要指標為對比度，通常定義為檢測圖像2個區域的信號差ΔS與圖像信號S之比，即為小厚度差ΔT引起的一次射線強度差ΔI與射線強度I之比。檢測圖像質量參數如圖1所示，其中，T為透照厚度。

圖1 檢測圖像質量參數示例

檢測圖像對比度C為

(1)

式中：μ為射線的線衰減系數；n為散射比(一次射線強度與散射線強度之比)。

通常DRT與RT圖像的對比度通過線型像質計評定。文獻[3]和文獻[4]對線型像質計的要求完全相同。線型像質計靈敏度(單壁透照、像質計置于射線源側)如表1所示。

表1 線型像質計靈敏度(單壁透照、像質計置于射線源側) mm

1.2 不清晰度指標

DRT與RT的不清晰度主要分為幾何不清晰度與固有不清晰度。RT技術標準僅規定幾何不清晰度指標，通過規定限制允許的最高透照射線能量控制固有不清晰度，沒有對總不清晰度給出具體指標；而DRT標準規定采用雙線型像質計，根據公稱厚度應達線號值測量圖像空間分辨率，控制數據圖像的總不清晰度。按DRT與RT技術理論，根據RT標準中的技術條件要求，推導RT應達不清晰度U，確定空間分辨率和RT應達雙線型像質計線號值[5]。

不清晰度U由幾何不清晰度Ug和固有不清晰度Ui決定，其關系式為

(2)

Ug由透照布置射線源至工件距離和工件厚度決定，文獻[3]和文獻[4]對射線源至工件距離的要求相同，公式為

f≥10db2/3

(3)

式中：f為射線源至工件表面距離；d為焦點尺寸；b為工件表面至探測器距離。

可得出Ug為

(4)

對于RT技術，其常規膠片的固有不清晰度Ui膠片由照射至常規膠片的射線在乳劑層中激發的電子散射所產生，Ui膠片大小即為散射電子在常規膠片乳劑層中作用的平均距離[6]，主要取決于射線能量大小。在X射線管電壓為100～400 kV時，表達常規膠片Ui膠片的經驗公式為

Ui膠片=0.001 3V0.79

(5)

式中：V為管電壓，kV。

在RT技術中，不同透照厚度允許的X射線最高透照管電壓(鋼)[7]如圖2所示。

圖2 不同透照厚度允許的X射線最高透照管電壓(鋼)

綜上表明，在研究計算DRT與RT在不清晰度指標的等效性時，兩者的Ug相同，僅需要根據允許通過的最高透照射線能量計算常規膠片的Ui膠片，而DRT的Ui數字受探測器本身像素尺寸限定，可通過式(6)簡單計算。最終根據式(2)的計算結果討論DRT與RT相應檢測標準的等效性。

Ui數字≈2P

(6)

式中：P為探測器有效像素尺寸。

1.3 歸一化信噪比SNRn

在文獻[4]中，常規膠片RT技術定義“信噪比”為底片黑度與該黑度下的顆粒度之比，正相關于梯度與噪聲的比。可按梯度數據計算信噪比，關系式為

(7)

式中：G2為黑度D=2.0的梯度；σD為射線膠片顆粒度，顆粒度規定值如表2所示。

表2 工業射線膠片系統的主要特性指標

根據文獻[4]要求，AB級技術等級應采用C5或更高類別的射線膠片(C1為最高類別)，黑度D應不小于2.0。常規膠片RT的AB級技術等級歸一化信噪比SNRn應大于62.50(2.0/0.032)。

文獻[3]規定鋼材料DRT的SNRn最低要求，如表3所示。

表3 DRT的SNRn最低要求(鋼)

1.4 檢測技術標準等效性評定

匯總文獻[3]和文獻[4]的AB級技術等級數據，如表4所示。

表4 AB級技術等級數據對比

由表4可知：關于檢測圖像的3個方面質量指標，文獻[3]規定的要求均達到文獻[4]的要求，即DRT的AB級技術等級要求滿足常規膠片RT的AB級技術等級要求。

2 檢測等效性試驗

2.1 試驗參數

常規膠片RT與DRT的試驗參數如下：

(1)常規膠片RT試驗參數

型號：AGFA C7；射線源焦點尺寸：1.000 mm；焦距：800.000 mm；曝光時間：3 s；管電流：5 mA；3種不同厚度試板管電壓：250 kV (18.000 mm)、260 kV (20.000 mm)、265 kV (22.000 mm)。

(2)DRT試驗參數

探測器像素尺寸：100.00 μm；射線源焦點尺寸：1.000 mm；曝光時間：3 s；管電流：3 mA；平均次數：5次；3種不同厚度試板管電壓：175 kV (18.000 mm)、190 kV (20.000 mm)、200 kV (22.000 mm)。

2.2 試驗結果

等效性試驗試板由專業NDT試板加工廠加工和制作，共36個，試板超聲波檢測(Ultrasonic Testing，UT)出廠報告共有99個人工缺陷，含夾渣32個、氣孔9個、裂紋24個、未熔合34個。部分試驗結果對比如表5所示。

表5 部分試驗結果對比

在常規膠片RT試驗結果中，黑度最小為2.1，線型像質計靈敏度為W12，滿足文獻[4]AB級技術等級要求。

在DRT試驗結果中，SNRn最小為124.32；雙線型像質計靈敏度最小為D9；線型像質計靈敏度最小為W13，滿足文獻[3]AB級技術等級要求。

2.3 試驗數據對比分析

相對于試板出廠UT報告，DRT結果未檢出2個未熔合缺陷，常規膠片RT結果未檢出1個未熔合缺陷。以43號試板的未熔合缺陷為例，RT檢出，而DRT未檢出，如圖3和圖4所示。未熔合缺陷屬于面積型缺陷，由于透照角度的影響較大，因此RT相對于UT對未熔合類缺陷的檢出率有所降低。其他類試板缺陷DRT均可檢出。與常規膠片RT結果相比，DRT結果的缺陷測量長度平均相差2.600 mm，缺陷性質判別相同。

圖3 43號試板DRT試驗結果

圖4 43號試板常規膠片RT試驗結果

3 結 論

(1)通過對比度指標、不清晰度指標和SNRn指標對比，文獻[3]AB級技術等級要求均達到文獻[4]AB級技術等級要求，即針對鋼材料平對接焊縫，采用7.000～32.000 mm的母材，文獻[3]AB級技術等級與文獻[4]AB級技術等級具有相同的缺陷檢測能力。

(2)按文獻[3]AB級技術等級要求實施DRT，按文獻[4]AB級技術等級要求實施常規膠片RT，通過試驗驗證，兩者具有相同的缺陷檢測能力。