小徑管氣孔和氧化皮在射線數字圖像上的評定

李加雷 鄭學良

（東方菱日鍋爐有限公司 嘉興 314001)

在國內電站鍋爐、壓力容器及管道等特種設備小徑管的連接,大部分都是采用焊接技術。對小徑管對接焊縫的內部質量檢測多采用射線照相檢測技術。底片上氣孔缺陷的識別與定性相對比較簡單,容易分析。底片上氧化皮（渣皮）的識別與定性就相對比較模糊,比較難以分辨。本文主要對氣孔和氧化皮（渣皮）進行分析,從中可以得到更多的信息。同時有助于提高射線檢測人員的評片技能,以及進一步提升焊接人員的焊接工作水平。

1 氣孔產生原因、機理及成像特點

根據NB/T 47013.1—2015《承壓設備無損檢測 第1 部分：通用要求》的一般要求和定義,氣孔（Porosity）即熔化的金屬在凝固時,其中的氣體未能逸出而殘留下來所形成的空穴。其氣體可能是從外界被熔池吸收的,也可能是在焊接冶金過程中反應產生的[1]。

常溫下氣體在固態金屬中的溶解度僅為高溫液態金屬中氣體溶解度的幾十分之一至幾百分之一。在熔池金屬的凝固過程中,會有大量的氣體從金屬中逸出。當金屬凝固速率超過氣體逸出速率時,就形成氣孔。

由于母材或填充金屬上有鐵銹、油污等,焊條或焊劑在未干燥前氣孔量會增加,因為銹、油污及焊條藥皮、焊劑中的水分在高溫下分解為氣體,導致高溫金屬中的氣體含量增加。焊縫線能量過低,熔池冷卻速度高,不利于氣體逸出。焊縫金屬脫氧不足也會增加氣孔[2]。

在焊接過程中,冶金反應產生大量的CO 氣體,這些氣體不溶于金屬,從熔池中出來時就不會形成氣孔。當熔池開始結晶時,由于鐵碳合金的溶質濃度偏析,熔池中FeO 和C 的濃度局部增加,促進以下反應發生：

FeO+C →CO+Fe

由于該反應是一個吸熱過程,會加速結晶并增加熔池的粘度,因此不利于CO 的去除,導致CO 氣體殘留在焊縫中形成氣孔[3]。

1.1 氣孔的分類

根據形狀,可分為圓形、橢圓形和條形。按深度,可分為內部氣孔和表面氣孔。根據其分布（或數量）,可分為單孔、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,大多數為圓形或橢圓形黑斑,外形較規則,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,輪廓規則清晰,見圖1（a）。密集氣孔的形狀類似于單個氣孔,其分布集中呈現簇狀,又叫簇狀氣孔,見圖1（b）。在圖像上,密集氣孔分布在一小段焊縫區域內。多數是球形的,也可以有其他形狀,氣體的形狀與焊接條件密切相關[4]。

圖1 氣孔

1.3 氣孔數字射線成像的特點

在數字射線照相中,圖像處理軟件可以使用灰度值從多個角度判斷和分析缺陷。數字射線圖像既有正片觀察,也有負片觀察,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,調整到眼睛容易觀察的灰度值范圍,以達到準確評估的目的。

同時在數字射線檢測中,測量氣孔缺陷的大小時,必須要對評定軟件進行壞點校正、幾何校正及系統校正,才能準確評定氣孔的大小。在氣孔評定中,依據NB/T 47013.2—2015《承壓設備無損檢測 第2 部分：射線檢測》進行評定評級[5]。

在圖像處理軟件中焊接焊縫的無氣孔部位（如圖2 所示）,灰度曲線是非常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,灰度值小,反之就高。同時,在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出現向上的凸起,如圖3 中箭頭所示。

圖3 分散氣孔部位及其灰度曲線

參考圖2，把測試點放在無氣孔部位,測定焊接焊縫基準灰度值曲線是比較平滑、向下凹的曲線。

從圖4 可以看出,測定的密集氣孔灰度曲線上有多個反向凸點,說明氣孔由多個氣孔組成。氣孔部位的灰度差由反向凸起高低來確定。

圖4 圓形氣孔部位及其灰度曲線

參考圖2,把測試點放在無氣孔部位,測定焊接焊縫無氣孔部位灰度值曲線是比較平滑、向下凹的曲線。

由圖5 可知,測定的氣孔灰度曲線在起點有明顯的凸起,以下為平滑的曲線。說明氣孔灰度值比較大,比母材高。從灰度曲線可以看出,它位于焊縫的邊緣。

圖5 氣孔部位及其灰度曲線

參考圖2,把測試點放在無氣孔部位,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。

由圖6 可知,測定的氣孔灰度曲線有多個山峰狀凸起,峰頂和峰底的灰度相差比較大。說明氣孔灰度值比較大,比母材高。鏈狀氣孔貫穿所測定的部位。

圖6 密集氣孔部位及其灰度曲線

參考圖2,把測試點放在無氣孔部位,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。

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。在灰度曲線上的平滑過渡表明氣孔相對均勻。從灰度曲線上可以看出,它位于焊接焊縫中間。

圖7 單氣孔部位及其灰度曲線

2 氧化皮產生原因及成像特點

手工氬弧焊表面的氧化皮是金屬在高溫水氣中發生氧化的結果。在570 ℃以下,生成的氧化膜是由Fe2O3和Fe3O4組成。

氧化皮質脆,無延伸性。金屬的化學性質越活潑,溫度越高,金屬的氧化速度越快。隨著氧化時間的延長,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,大部分氧化皮是在焊道附近形成,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,邊界顯示明暗環色的圓球,明暗環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。觀察氧化皮的邊界和中間區域的灰度,當氧化皮中間區域的灰度比母材區域的灰度高的情況下,可按圓形缺陷進行評定；當氧化皮中間區域的灰度變化沒有比母材區域的灰度低的情況下,可以認為合格。氧化皮底片上圖像顯示見圖8。

圖8 氧化皮底片上圖像顯示

在評定氧化皮時,應觀察氧化皮的邊界和中間區域的灰度。

2.2 氧化皮數字射線成像的特點

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,在峰底的起伏比較平緩,單一氧化皮的灰度相差不大。在灰度曲線上平滑過渡,可以看到氧化皮是比較均勻的。從灰度曲線上可以看出,它位于焊接焊縫中間,與焊接的灰度值基本一致。

圖10 氧化皮部位及其灰度曲線

參考圖9,把測試點放在無氧化皮部位,測定焊縫基準灰度值曲線是比較平滑、向下凹的曲線。

從圖11 可以看出,測定的氧化皮灰度曲線無波浪的鋸齒形狀,在峰底起伏基本上一致,多個氧化皮的灰度相差不大。在灰度曲線上平滑過渡,可以看到氧化皮是比較均勻的。從灰度曲線上可以看出,它位于焊接焊縫的中間,與焊縫的灰度值基本一致。

圖11 密集氧化皮部位及其灰度曲線

參考圖9,把測試點放在無氧化皮部位,測定焊縫基準灰度值曲線是比較平滑、向下凹的曲線。

從圖12 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。說明氧化皮黑度值比較大,比母材高。當中間區域的灰度顯示比母材區域的灰度高（薄）的情況下,可以根據氧化皮的尺寸,按圓形缺陷進行評定[6]。

圖12 偽氧化皮部位及其灰度曲線

3 分析

通過以上圖像及信息分析,對氣孔和氧化皮（渣皮)有了新的認識,從而可以更好地從圖像中分辨氣孔和氧化皮,避免一些誤區,進而提高工作效率。

在對底片的評定中,一般都是以底片的黑度來區別。氣孔在底片上的影像是黑色圓點,也會是黑線（線性氣孔)或其他不規則的形狀,它的輪廓比較圓滑清晰。氧化皮在底片上的影像顯示為中間淡黑色,周邊為白色。在底片評定中一般都是根據底片黑度和經驗值來判別,特別是在評定氧化皮時會按照圓形缺陷來評定。

在評定數字射線圖像中的氣孔和氧化皮（渣皮）時,可以使用灰度值和灰度曲線。從氣孔和曲線的灰度值上可以看出,數值變化相對比較大,曲線上會出現一個或多個波峰。氧化皮（渣皮)的灰度值和曲線上的數值沒有顯著變化,曲線也相對光滑。當氧化皮的灰度值超過基準母材的灰度值時,會按照圓形缺陷來處理；如果對材料、工藝無特殊要求,則未超過基準母材灰度值的氧化皮可以視為合格。

4 結論

1）評定氣孔和氧化皮圖像的關鍵是正確識別,不同檢測者在圖像影像中觀察的灰度值變化也是不同的,存在顯著差異。因此,圖像的判別需要檢測者的實際經驗和技能。檢測者的技術水平、能力提升和技能培訓可以更好地確保電站鍋爐的安全運行。

2）氣孔和氧化皮的圖像評定應根據產品的結構設計及使用情況,合理選擇驗收標準；圖像評定的正確性是以合格的圖像質量為基礎,應符合NB/T 47013.11—2015《承壓設備無損檢測 第11 部分：X射線數字成像檢測》的要求[7]。評定氣孔和氧化皮數字射線圖像不是越嚴越好,主要是根據產品的設計和使用,選用適宜的評定和驗收標準。