小徑管手工氬弧焊氣孔和氧化皮射線圖像特征

李加雷* 鄭學良

（東方菱日鍋爐有限公司）

0 引言

小直徑管常通過焊接連接。目前,互相連接的小直徑管對接焊縫的質量檢測多采用射線檢測技術。氣孔缺陷在底片上的識別與定性是相對比較簡單的。對于氧化皮（渣皮）在底片上的識別與定性相對比較含糊，難以分辨。對于氣孔和氧化皮（渣皮）進行分析，從中可以得到更多的信息。有助于射線檢測和焊接工作進一步提升。

1 氣孔產生的原因和機理

根據(jù)NB/T 47013.1—2015《承壓設備無損檢測 第1 部分：通用要求》一般要求術語和定義，氣孔熔池的金屬在凝固時，其中的氣體未能逸出而殘留下來所形成的空穴。其氣體可能是熔池從外界吸收的，也可能是焊接冶金過程中反應生產的。

1.1 氣孔的分類

氣孔根據(jù)形狀可分為圓形、橢圓形和條形等；根據(jù)深度可分為內部氣孔和表面氣孔；根據(jù)分布情況（或數(shù)量），可分為單一氣孔、密集氣孔和分散氣孔等。

1.2 氣孔射線成像的特點

氣孔部分充滿氣體，通過氣孔的射線幾乎不會形成材料衰減。在射線圖像中，大多數(shù)為圓形或橢圓形黑斑，外形較規(guī)則，中心黑度大，邊界黑度小，輪廓清晰可見。單個氣孔邊緣較淺而平滑地過渡，輪廓規(guī)則清晰，如圖1 a）所示。密集氣孔的形狀類似于單個氣孔，其分布集中呈現(xiàn)簇裝，又叫簇狀氣孔，如圖1 b）所示。在圖像上，密集氣孔分布在一小段焊縫區(qū)域內，大多是球形的，也有其他形狀，氣體的形狀與焊接條件密切相關。

圖1 氣孔成像

1.3 數(shù)字射線氣孔成像的特點

在數(shù)字射線中，操作人員可以使用圖像處理軟件，通過灰度值進行判斷和分析等，以多個角度來分析缺陷。而數(shù)字射線圖像有正片觀察和負片觀察，圖像的合格標準主要包括灰度值、對比度和信噪比。在評定圖像時，可以調整圖像的窗寬和窗位，調整到容易觀察的灰度值范圍，確保氣孔可以被正確評定。

同時，在數(shù)字射線中，測量氣孔缺陷的大小時，必須要對評定軟件進行壞點校正，幾何校正及系統(tǒng)校正，才能準確的評定氣孔的大小。在氣孔評定中，依據(jù)NB/T 47013.2—2015 標準進行評定評級。

在圖像處理軟件中觀察焊接焊縫的無氣孔部位灰度曲線（如圖2 所示），其為平滑且向下凹的曲線，因焊接焊縫高于母材灰度曲線就往下，灰度值較小，反之就高。同時，評定圖像上的影像是黑色圓點，輪廓比較圓滑。

圖2 無氣孔部位及其灰度曲線

在有氣孔的焊接焊縫中，灰度曲線發(fā)生了明顯變化，不如無氣孔部位趨勢，使原來平滑的向下凹的曲線上出現(xiàn)向的凸起，如圖3 箭頭處所示。

圖3 氣孔部位及其灰度曲線

根據(jù)圖4 可知，測定的焊接焊縫基準灰度值曲線是比較平滑，向下凹的曲線。

圖4 氣孔部位及其灰度曲線

由圖5 可知，測定的氣孔灰度曲線中有多個山峰狀的凸起，峰頂和峰底的灰度相差比較大，說明氣孔的黑度值比較大，比母材高，鏈狀氣孔貫穿所測定的部位。

圖5 氣孔部位及其灰度曲線

根據(jù)圖6 可知，測定的焊接焊縫基準灰度值曲線是比較平滑，向下凹的曲線。

圖6 無氣孔部位及其灰度曲線

從圖7 可以看出，測定的氣孔灰度曲線有向上的凸起在峰底的起伏比較平緩，單一氣孔的灰度相差不大。灰度曲線上的平滑過渡表明氣孔相對均勻。從灰度曲線可以看出，其位于焊接焊縫中間。

圖7 氣孔部位及其灰度曲線

2 氧化皮產生原因

手工氬弧焊表面的氧化皮是金屬在高溫水氣中發(fā)生氧化后形成的。在570 ℃以下，生成的氧化膜由Fe2O3和Fe3O4組成，氧化皮質脆，且無延伸性。金屬的化學性質越活潑，溫度越高，金屬的氧化速率越快。隨著氧化時間延長，形成的氧化鐵皮厚度變大。

2.1 氧化皮射線成像的特點

在手工氬弧焊焊接接頭中，大部分氧化皮都在焊道附近形成，一般為凸起的圓點且表面比較光滑的金屬。氧化皮缺陷在圖像上顯示為中間淡黑色，周邊為白色的圓形圖像。

穿過氧化皮的射線幾乎不會形成材料衰減。在射線圖像上，大部分為圓形或橢圓形暗色斑點，中心黑度大，邊界顯示明暗環(huán)色的圓球，明暗環(huán)色的圓球的亮度基本上與焊縫本體相似；氧化皮大部分情況是在小焊道上形成，大部分為凸起但表面光滑的圓點狀金屬物。在評定氧化皮時，應觀察氧化皮的邊界和中間區(qū)域的灰度。觀察氧化皮的邊界和中間區(qū)域的灰度，當氧化皮的中間區(qū)域的灰度比母材區(qū)域的灰度要高(薄)的情況下，可按圓形缺陷進行評定；當氧化皮中間區(qū)域的灰度比母材區(qū)域灰度低（高）的情況下，可以認定為合格（如圖8 所示）。

圖8 氧化皮底片圖像顯示

2.2 數(shù)字射線氧化皮成像的特點

從圖9 可以看出，測量焊接焊縫基準灰度值曲線是比較平滑，向下凹的曲線。

圖9 無氧化皮部位及其灰度曲線

由圖10 可知，所測定的氧化皮灰度曲線為波浪的鋸齒形狀，且峰底的起伏比較平緩，單一氧化皮的灰度相差不大。灰度曲線上平滑過渡，可見氧化皮是比較均勻的。從灰度曲線可以看出，其位于焊接焊縫中間，與焊接焊縫的灰度值基本一致。

圖10 氧化皮部位及其灰度曲線

從圖11 可知，測定焊接焊縫基準灰度值的曲線是比較平滑，向下凹的曲線。

圖11 無氧化皮部位及其灰度曲線

從圖12 可以看出，測定的氧皮灰度曲線無波浪的鋸齒形狀，在峰底起伏基本一致，多個氧化皮的灰度相差不大。灰度曲線上平滑過渡，可以看到氧化皮是比較均勻的。從灰度曲線可以看出，其位于焊接焊縫的中間，與焊接焊縫的灰度值基本一致。

圖12 氧化皮部位及其灰度曲線

從圖13 可知，測定焊接焊縫基準灰度值曲線是比較平滑，向下凹的曲線。

圖13 氧化皮部位及其灰度曲線

從圖14 可以看出，所測定的氧化皮灰度曲線在起點處有明顯的凸起，以下仍然是平滑的曲線。說明氣孔黑度值比較大，比母材高。當中間區(qū)域的灰度顯示比母材區(qū)域相比灰度要高（薄）情況下，可以根據(jù)氧化皮的尺寸，按圓形缺陷進行評定。

圖14 氧化皮部位及其灰度曲線

3 分析

通過系統(tǒng)了解，對于分析氣孔和氧化皮(渣皮)有了新的認識，從而能更好地從圖像中分析并評定氣孔和氧化皮，避免誤判，提高工作效率。

在底片的評定過程中，一般都是以底片的黑度來區(qū)分。氣孔在底片上的影像是黑色圓點，有時是黑線(線性氣孔)或其他不規(guī)則的形狀，其輪廓通常比較圓滑清晰。氧化皮在底片上的影像顯示為中間淡黑色，周邊為白色的。在底片評定中一般都是根據(jù)底片黑度和經驗值來判別，特別是在評定氧化皮時會按照氣孔來評定。

在數(shù)字圖像中評定氣孔和氧化皮（渣皮）時，可以借助灰度值和灰度曲線。從氣孔的灰度值和曲線上可以看到數(shù)值變化比較大，曲線上會出現(xiàn)一個或多個峰值波峰。氧化皮(渣皮)的灰度值和曲線上的數(shù)值沒有什么變化，曲線也比較光滑。氧化皮的灰度值超過母材時，可按照圓形缺陷來處理；未超過母材灰度值的氧化皮，材質、工藝等無特殊要求的，可以按合格處理。

4 結語

（1）氣孔和氧化皮圖像的評定的重點是正確識別，不同的檢測者觀察到的圖像和影像的灰度值各不相同，差異較大，從圖像和影像得到的判別結果也有較大差別。因此，對圖像的判別需要依靠檢測者的實際經驗和技能。檢測者技術、水平、能力提升后，可以更好地保證電站鍋爐安全運行。

（2）氣孔和氧化皮的檢測圖像應根據(jù)產品的驗收標準；檢測圖像評定結構的正確性，都是建立在合格的圖像質量的基礎上，圖像質量應符合NB/T 47013.11—2015 標準要求。氣孔和氧化皮圖像的評定不是越嚴越好，主要是根據(jù)產品的設計和使用情況，選用適宜的評定和標準驗收。