压力容器无损检测射线检测技术.pdf

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1、压力容器检测专 题 论 坛压力容器无损检测 射线检测技术()李 衍(无锡华光锅炉股份有限公司,无锡 214028)摘 要:概述压力容器焊缝射线检测几何布置、透照技术、参数选择、条件组配、像质评价及缺陷评定的特点和要点。强调焊缝射线检测有效性与可靠性的基础及实验途径,也指出其局限性。最后列举了容器射线检测中的一些误区。关键词:射线检验;压力容器;焊接接头;参数控制;影像质量;可靠性中图分类号:TG115.28 文献标识码:A 文章编号:100026656(2004)0220082207NONDESTRUCTIVE INSPECTION OF PRESSURE VESSELS:RADIOGRAPH

2、IC TECHNIQUELI Yan(Wuxi Huaguang Boiler Co.,Ltd,Wuxi 214028,China)Abstract:The characteristics and main points of radiographic examination techniques for pressure vessels areoutlined,covering geometric arrangement,exposure technology,parameter selection,condition assembly,image qualityevaluation and

3、 defect interpretation.The fundamentals of effectiveness and reliability of radiographic testing(RT)and theways to realize weld examination are emphasized.Also,the limitations of the technique are discussed.Finally,the pitfallsin radiographic inspection of pressure vessels are presented.Keywords:Rad

4、iographic inspection;Pressure vessel;Weldedjoint;Parameter control;Image quality;Reliability 压力容器的射线照相检测对象主要是材质、壁厚、形状和尺寸不同的容器和管子的对接接头、对接焊缝和其它形式接头,T形和角接接头则需特殊的透照技术。为保证压力容器的制造质量和安全使用,在制造阶段就要根据容器的结构特点,选用适当的射线设备、器材、几何布置和曝光条件,对被检焊缝进行透照检查。为保证检测结果的有效性和可靠性,通常要对射线透照工艺和透照质量进行适当控制。只有自身质量符合要求的射线底片,才有条件按标准对焊接质量进

5、行评定和验收。以下介绍压力容器焊缝射线检测(RT)的一般特点和技术要求,突出对透照基本参数的考虑、分析与应对举措。列举压力容器射线检测中的常见误区,为正确贯彻相关标准,与国际接轨提供借鉴。1 设备器材收稿日期:2004201207现代工业射线照相检验设备器材的三要素是射线源、胶片和金属增感屏。1.1X射线机压力容器检验用X射线机(变压器加速电子)最高管电压可为450kV,可透照厚度 80mm则需用兆伏级X射线机(目前国内采用的多为微波加速电子的4MeV直线加速器,也有的采用9MeV直线加速器,透照钢厚度最大约300mm)。为获得高质量的射线底片,所用X射线能量必须适合于试件厚度和材质。容器纵向

6、焊缝一般用最大辐射角约40 的定向X射线机照射,而环向焊缝则根据容器直径、壁厚及可接近性,使用360 25 辐射范围的圆锥靶周向X射线机透检,以提高工作效率,缩短检验周期。对直径不大、长度很大的管道,常采用携带周向射线管的电驱动管内爬行器并配以管外源定位器进行现场检验。对壁厚 100mm的容器环焊缝,目前国内几28第26卷第2期2 0 0 4年2月无损检测NDTVol.26No.2Feb.2 0 0 4 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.乎都只用60Co源作周向曝光。一种可按容器直径和壁厚大

7、小任意更换射线管头的周向辐射式直线加速器(如美国Shongberg公司制的MINAC 4/6型),国内尚未见采用。X射线机的重要技术参数1,如焦点形状、尺寸、位置及照射率常数(离管靶1m处每分钟照射量),应由设备制造厂提供,并标在机壳铭牌上。它们是制定曝光规范、确定防护设计的基本依据。1.2 射线源国内容器射线照相常用同位素源主要有192Ir,60Co,75Se和169Yb四种,其主要特性参数见表1。其中75Se和169Yb要靠引进。75Se具有半衰期长、操作安全、设定的辐射防护禁区较小及所得影像质量较高等优点,用它透检1040mm厚钢,性能明显优于192Ir。169Yb(源尺寸0.6mm)适

8、于现场薄壁小径管的检测,但其成本较高。表1 容器射线照相常用同位素源2源半衰期d射线照射率常数Cm2/kghBq(Rhm/Ci)主能谱keV适用钢厚度mm60Co5.31)9.410-15(1.35)1170,133050150192Ir74.43.310-15(0.48)320,310,300,470208075Se1181.310-15(0.186)137,2651040169Yb310.8710-15(0.125)63,110,177,198215 注:1)该值单位为a(年)。1.3 射线胶片按ISO 116991:1998标准3,工业射线胶片系统(包括增感屏和冲洗条件)分T1T4四类。

9、容器RT常用T3类胶片。为改善影像质量,遇到以下三种情况选用胶片需“升级”(即用T2或T1类),即 射线照相。兆伏级X射线照相。透检抗拉强度b540MPa的高强钢材料4。胶 片 系 统 主 要 按 最 小 梯 度(G2.0)min和(G4.0)min、最大噪声(D2.0)max以及最小梯噪比(G/D2.0)min三项特性指标分类。胶片特性参数由胶片制造厂提供。1.4 增感屏大多数情况下,增感屏都用薄铅箔,借此可使曝光时间减少 0。金属增感屏还起到滤波作用,可吸收散射线,提高影像对比度。对60Co和兆伏级X射线,最新标准规定用较厚的铜屏或不锈钢屏4,可获得质量较优的射线底片。1.5 其它器具应有

10、亮度足够的观片灯,以能观察最高黑度为3.54.0的底片。用于测量底片黑度的透射式光密度计(黑度计)应与观片灯并用。黑度计和校正阶梯黑度片应定期校验,黑度测量误差要求 0.05。作为测量射线照相影像质量的重要器具 像质计,其用法和要求见5.2节。2 透照布置按射线源、工件和胶片的排列位置和射线照射方向,有源外片内、源内片外、双壁单影和双壁双影等透照方式。一般选定透照布置的原则是 获得标准要求的影像质量。提高透照效率,缩短检测周期。通常透照的容器焊缝,就几何形状大致有三种情况(图1),壁厚和焦距相同情况下所得影像质量(黑度和灵敏度)按图1ac由低而高变化。另外,在检测区厚度相同的情况下,有附加厚度

11、的透照质量会比无附加厚度的低(如容器环焊缝双壁单影的透照灵敏度会降为单壁透照灵敏度的一半)。(a)凸面焊缝(b)平面焊缝(c)凹面焊缝图1 容器焊缝三种典型的几何形状对容器制造中可能出现的三种封头,即椭圆封头、锥形封头和管板封头,为检出封头冲压成形时在拼接焊缝中产生的危害性缺陷,对关键部位(直边圆弧过渡区或折边部分),应按图2所示确定射线照射方向和贴片方式(并适当拉长焦距),而不是像通常那样,只将胶片从直边延伸出去5。(a)椭圆封头(b)锥形封头(带折边)(c)管板封头图2 三种封头拼接焊缝的射线照射方向和贴片布置3 透照距离透照距离指射线源至工件表面距离L1,通常要满足两个要求6,与像质等级

12、相应的许用几何不清晰度 Ug。与像质等级相应的透照厚度比K(射线束边缘斜向穿透的最大厚度T 与中心穿透壁38李 衍:压力容器无损检测 射线检测技术()1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.厚T之比)及可用一次透照长度L3。如压力容器一般采用AB级像质,应使透照距离最小值L1min10dfL2/32(df为焦点尺寸,L2为工件表面至胶片距离),此时相应的 Ug0.1L1/32。又如AB级纵缝K1.03,此时L3L2/2。选用射源内透法透照凹面焊缝时,应优先考虑满足Ug要求;选用射源外透法透照凸面焊

13、缝时,应优先考虑满足K值和L3要求。为提高焊缝中裂纹类面状缺陷的检出灵敏度,透照距离的选定还应同时考虑由射线能量引起的不清晰度影响,即需四步定L17。由TA2T定电压值(TA为透照区最大穿透厚度)。由电压值定固有不清晰度Ui,Ui=0.001 3V0.79(V为管电压)。由Ui定Ug(Ug=Ui)。再由Ug定L1(L1=dfL2 Ug+L2)。4 曝光条件射线检验时,利用预先通过一系列曝光试验作出的曝光曲线图选定曝光条件最方便。根据曝光曲线图可求出在一定透照器材、几何条件和暗室处理条件下,使底片获得一定黑度和像质计灵敏度所需要的X射线管电压、管电流(对源则为源种类和活度)和曝光时间。4.1 射

14、线能量对 150kV X射线,由于吸收系数变化很快,管电压选择较严格。对200400kV,只有管电压变化较大(3040kV)时,灵敏度才有明显区别;而在高能区域,电压值对灵敏度的影响不很重要。对厚度T 50mm的金属,所需管电压可用下式粗略表示V=+T(1)式中 ,相关于管电压的常数如对钢,当5mm T50mm时,=80,=5。上式相关条件还有胶片T2类,曝光量20mAmin,焦距700mm,黑度1.8。式(1)是对均匀厚度而言的。当被检厚度变化较大时,射线能量的选择就要考虑厚度宽容度,即根据使用胶片的曝光宽容度选定一次曝光可以覆盖一定厚度范围的管电压(其射线线质可用射线照相半值层H表示)8。

15、如图3所示,可对曝光曲线与胶片特性曲线的数据作综合考虑,所用管电压应满足下式要求9(a)有较大厚度差的试件(b)曝光曲线(c)胶片特性曲线图3 厚度宽容度与胶片曝光宽容度的相关性 D=1.8=T2T1=10lgE(2)或2TH=10lgE(3)式中 T=T2-T1对给定的源来说,RT标准都规定了可检的厚度范围(表1),其厚度上限受可得源强限制,下限则受灵敏度降落值限制。4.2 曝光量曝光量E是射线强度I与照射时间t的乘积。对X射线,E=it(i为管电流);对射线,E=At(A为活度)。可利用射线吸收律、衰变律、互易律、平方反比率、曝光曲线以及胶片特性曲线,对射线照相过程中因基本参数(如距离、胶

16、片、黑度及源活度等)引起的变化进行曝光修正。如下给出了曝光修正的简捷方法,即系数修正法10E2=E1FDfA(4)式中 E2 新曝光量E1 原曝光量F,D 焦距和黑度的修正系数48李 衍:压力容器无损检测 射线检测技术()1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.F=F2F12D=10lgEf,A 胶片和源活度的修正系数f=10lgEA=2tt1/2t 经历时间t1/2 半衰期5 像质评定5.1 技术等级压力容器对接接头一般要求采用AB级技术进行透检。对重要设备、结构、特殊材料和特殊焊接工艺制作的焊

17、接接头,可要求采用B级透检。不同等级的技术,要求选用相应的胶片系统和相应的技术参数(透照距离、K值),以达到相应的像质水平(像质计灵敏度、底片黑度)。5.2 像质计及灵敏度评价原则上用置于射源侧试件表面的金属丝像质计评价影像质量。金属丝灵敏度相关于厚度灵敏度和不清晰度11,关系如下=M2+M22+MU1/2(5)式中 底片上可见最小丝径,mmM=0.83xx 射线透照方向上可检出的最小厚度差(即厚度灵敏度或对比灵敏度绝对值)U 总不清晰度U=(U2g+U2i)1/2裂纹灵敏度与像质计丝灵敏度的相关性如下dW=0.821+U(6)式中 d,W 裂纹自身高和开口宽借助于式(5)和(6),可对不同射

18、线照相标准和工艺规程,就其参数规定值,计算出可得的射线探伤灵敏度,从而给出定量评价。依据欧标EN 1435:1997修订的JB 4730报批稿4规定,射线照相底片上应显示的最小金属丝直径要根据焊缝计算厚度(即材料公称厚度)选定,并须在焊缝热影响区读出。对不同的透照方式(单壁单影、双壁单影和双壁双影),分别列表规定了像质计灵敏度的选用值。对外径De100mm小径管的椭圆成像透照还规定,用普通的等比丝像质计(丝径公比为10-0.10.8)时,丝长应与焊缝长度方向平行,且丝的影像不得叠加在焊缝影像上。这些规定与国内传统做法不同,值得注意。5.3 黑度范围黑度D是射线照相影像质量的基础,定义为D=lg

19、L0L(7)式中 L0 照射光强L 透射光强RT标准对射线底片有最小黑度的规定,这是因为胶片梯度与黑度有关,即梯度大,意味着厚度差较小的细节或缺陷在底片上易于识别,或者说有更多的小细节可被发现。最小有效黑度是指可获得最小有效梯度的黑度。当用穿透力强而主因对比度低的射线透照时,胶片梯度放大主因对比度的能力就显得格外重要9。按JB 4730报批稿规定,底片黑度已从原来的1.2(X射线)和1.5(射线)升至1.8(X射线)和210(射线)。底片可用最高黑度取决于观片灯可用亮度。按标准规定,观察黑度为3.5和4.0的底片,要求观片灯照射光强分别为L10D3.5=9.934 610410104lxL10

20、D4.0=31.415 610431.5104lx 黑度范围也相关于胶片曝光宽容度和厚度宽容度(式(3)。按被检焊缝截面厚度均匀性和变异性的特点,对黑度范围规定值的建议9见表2。表2 对射线照相黑度范围规定值的建议对接焊缝接头形式质量等级黑度范围对接焊缝接头形式质量等级黑度范围对接接头AB级1.84.0T形接头W11.34.0B级2.04.0W21.54.0应注意的是,对底片黑度中所包含的灰雾黑度(化学灰雾、曝光灰雾和散射灰雾等),应采取适当工艺措施,从器材、能量、几何布置、屏蔽和冲洗(配方、温度、时间和活度)等方面全面控制,使灰雾黑度降到最低,使影像质量最佳化,确保缺陷检出灵敏度。6 标记标

21、识为使透照部位随时可追踪,每张射线底片上都应有识别和定位标记。定位标记包括一个中心标记和两个边界标记。缺陷定位以中心标记而非边界标记为基准,可减小缺陷定位误差,避免返修差错。58李 衍:压力容器无损检测 射线检测技术()1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.标识内容(产品号、焊缝号和部位号等)、标记位置和方向要求在底片、试件和记录上达到一致。7 暗室处理通常,对高质量的射线照相,所使用的胶片显影液要与胶片类型和牌号相匹配,以获得所需高梯度GD值。但并非所有X射线显影液都能使各种牌号的胶片得到同样

22、好的效果。显影液须保持适当的工作温度,并需定时补充。应使用标准化的胶片搅动程序。自动洗片机能克服这方面的弊病。容器制造业中,射线检测现代化的一个重要方面就是“双化”技术,即环缝曝光周向化和洗片自动化。而自动洗片机要获得优异、一致和稳定的冲洗效果,关键在于机、片、液、人、法五大要素,即机器、胶片、药液要相互匹配,操作者要勤于清洁管理12。8 缺陷评定只有影像质量(黑度、像质计灵敏度)符合标识要求,无妨碍评定的各种伪缺陷存在,且标记、标识齐全的射线底片,才能按验收标准进行焊接质量评定。另外,观片灯和观片环境适于评定也很重要。受压容器焊缝一般不允许有任何裂纹、未熔合和未焊透存在。缺陷评定程序为 定性

23、(内部缺陷大致分五类)。定位(主要是沿焊缝长度方向的位置,以中心标记所指位置为零点)。定量(对条形缺陷测长,对圆形缺陷划区计数)。定级(分四级,级最高,级最低,合格级别以法规为准)。9 可靠性和局限性13,14焊缝射线照相能否检出裂纹类平面状缺陷,取决于诸多透照工艺参数(如胶片、管电压、焦距、曝光量和照射方向等)和像质参数(黑度、不清晰度和像质计灵敏度),也取决于裂纹的自身参数,如开口宽W、自身高d及其对射线束的倾角。裂纹灵敏度公式很好地表达了其间的关系dW=x(dsin+Wcos+U)(8)式中 裂纹形状系数=0.67(WUi)裂纹的最大可检角max则为max=sin-11.5Wx-Ud(9

24、)当需提高裂纹检出灵敏度时,RT标准要求射线照相技术要升级,即从AB级升为B级。此时,对射线胶片、能量和焦距要作优化考虑,对像质计灵敏度和不清晰度指标也要优化选定。文献指出,W 38mm的容器,对接接头采用RT的,每条焊缝还应附加局部超声检测(UT)。ASME 2235:2000锅炉压力容器规范案例 规定,对压力容器和动力锅炉可用超声衍射时差(TOFD)法进行焊缝检验。这些说明,由于RT固有灵敏度的限制,必要时(特别是板厚较大时)要采用其它无损检测技术对被检焊缝进行综合评价。10 典型误区容器RT往往会遇到一些误区,可能是操作不当引起的,也可能是理念模糊造成的。走出误区,有助于在容器检测上发挥

25、RT的最大技术优势,有助于RT国际接轨。以下列举数例。10.1 交叉部位15容器纵环焊缝交叉部位是容器组装、焊接的薄弱环节,易产生裂纹类危害性缺陷。透照筒节纵焊缝时,筒节端部不作散射屏蔽,以致出现散射“边蚀”现象,再加上收弧部位可能出现弧坑或余高较低,交界处面状缺陷在射线底片上就可能湮没在散射灰雾或高黑度阴影中,或呈若明若暗、似是而非的模糊显示。评片人员有可能判为合格。待筒节与筒节或筒节与封头组装后,再透照环焊缝,因此时交界处于透照区中心,离射线管焦点距离最近,加上纵缝原来余高较低,故此处射线照射量很大,底片黑度也很高。而评片人员则认为纵缝早已合格,只将视线集中在环缝影像上,结果使交界处存在的

26、隐患漏评。因此应注意,纵缝透照对位适中。纵缝端部散射屏蔽适当。交界处焊缝及热影响区黑度控制。标记避让(所有标记影像不得叠加在交界处焊缝影像上)。无论全检或抽检,纵环缝交界处两片应对照判读,综合评定。10.2 透照方式将平靶周向X射线机(射束中心线偏角12.5)用于容器环焊缝周向曝光,焊缝中根部未焊透和裂纹类纵向面状缺陷易漏检。应尽量用圆锥靶周向X射线机,否则应作RT工艺评定试验,验证其可靠性。对外径约200450mm的管环缝,尽管有贴片68李 衍:压力容器无损检测 射线检测技术()1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All righ

27、ts reserved.通道,但仍可用双壁单影法透照,意在提高工效。可殊不知双壁透照所得灵敏度往往比单壁透照灵敏度降低一半。因此从探伤灵敏度考虑,只要有贴片通道,应尽量采用单壁法透照。10.3 源和高能X射线用源(如192Ir,60Co等)和兆伏级X射线透照时,所采用的射线胶片与中、薄板焊缝透照时相同,但影像颗粒性和梯度噪声比因高能光子受到的损害无以改善,影响底片上可检出的最小细节尺寸。因此应按标准要求进行器材“升级”。10.4 像质计的选用与摆放位置16用双壁单影和双壁双影法透照时,像质计灵敏度按射线穿透的材料总厚度(即两个壁厚加一个余高),而不按检验区厚度(即单壁材料公称厚度)选定,此举不

28、妥。因为射线穿透的总厚度只是射线能量或管电压的选定依据,而单壁厚度(即满足强度计算要求的“焊缝计算厚度”)才是缺陷评定的基准厚度。影像质量(用像质计指示值表示)的评定与相关于焊接质量和安全评价的缺陷评定,应构筑在相同的基础(即单壁厚度)上。双壁单影中的源侧壁厚是片侧壁厚(检验区壁厚)的附加厚度,因而选作影像质量评定基准的像质计灵敏度时,就不应将附加厚度计入检验区厚度(图4)。同理,对带垫板的单面焊缝,垫板厚度又是新的附加厚度,同样不得计入检验区厚度。在小径管双壁双影透照中,不管是源侧或片侧焊缝,缺陷评定仍以单壁厚度为准,两焊缝中总有一个壁厚是检验区的附加厚度,像质计的选定仍应按单壁检验区厚度为

29、准。在这方面,原国标GB 33231982和ASME规范的有关规定应是正确合理的。当然,双壁透照要达到同单壁透照一样的像质水平和检测灵敏度,其透照工艺应予优化。单壁透照时,不论是外透还是内透(即偏心法或中心法),若操作者图方便,将像质计放在胶片侧工件表面是违规的。虽然粗看像质计灵敏度是提高图4 带垫板环焊缝双壁单影透照示意图1.附加厚度(源侧壁厚)2.附加厚度(垫板厚度)了,但这是虚假的灵敏度,片侧像质计不能反映几何条件的变化对灵敏度的影响(如大焦点、短焦距一样能得到高的假灵敏度)。10.5 透照厚度比长期以来一直认为透照厚度比K是控制焊缝中横向裂纹检出角的关键参数,因而执行标准时往往“度度计

30、较”。实际上,高强度钢中才有较高的横裂产生几率。此时,按AB级透照环焊缝用K1.1(=24.62)可能还不够,还要升级,取K1.06(=19137)。由工业实践证明,即使裂纹照射角为0(此时K=1.0),射线照相也有检不出的窄裂纹(如W 0.01mm)。一般射线照相不清晰度U很少 0.1mm,若透照W=0.01mm的裂纹,由式(10)知,此时裂纹的影像对比度将降为原来的1/10,因而在底片上无从识别。C=C0WU(10)式中 C U0时的对比度C0 U=0时的对比度正确的理解是,K值是控制射线照相厚度宽容度,同时兼顾探伤灵敏度的一个重要参数,它相关于环焊缝100%透检时的最少摄片张数和一次透照

31、长度。应根据容器结构、材质和焊接工艺,合理选用。11 小结(1)射线照相用于压力容器焊接质量检验至今已有约四分之三世纪的历史。我国最近20a来,由于无损检测人员培训考核工作的积极开展,容器常规RT技术水平已大大提高,可以说相关RT标准已与国际标准接轨。(2)正确选用合适的射线设备、器材、透照布置、几何条件、射线能量、曝光条件及暗室处理条件,是确保容器RT技术可靠性的重要条件。能将各种条件有机组合、合理组配,实现技术优化,又是对RT人员的基本素质要求。(3)对大多数容器来说,RT灵敏度是决定影像质量的首要因素。灵敏度涉及到射线照相方向的最小可检厚度差(对比灵敏度x)、与照射方向相垂直的方向上可识

32、别面状缺陷的最小开口宽(相关于不清晰度U或分辨率)及底片上可记录的最小细节尺寸(相关于x,U或分辨率)。对容器上的某些结构件,除需保证达到最低灵敏度外,还要在透照工艺上更多地考虑满足厚度宽容度的问题。(4)容器日常RT中还存在一些技术误区,包78李 衍:压力容器无损检测 射线检测技术()1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.括像质计的选定依据、放法及评价,纵环焊缝交叉部位的透照操作和评片技能以及透照厚度比K的理解和控制等,需在实践中注意,以免造成检测失误。容器RT涉及到的数字射线照相以及一些结构

33、、形状较特殊部位的RT技术,将在下一专题展示。参考文献:1Halmshaw R.Industrial RadiologyM.London&NewJersey:Applied Science Publishers Ltd,1982.137.2 郑世才.无损检测手册 第3篇 射线检测 M.北京:机械工业出版社,2002.59.3ISO 116991:1998,无损检测 工业射线胶片 第1部分:工业射线胶片系统的分类S.4JB 4730(报批稿),锅炉、压力容器、压力管道无损检测 第2部分:射线检测S.5 李 衍.锅炉压力容器焊缝射线检测工艺特例简析J.中国锅炉压力容器安全,2002,18(1):5

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