管子－管板角焊缝射线照相技术的进展

强天鹏，龚成刚，周齐明，周 茜，郝思文

（1.江苏省特种设备安全监督检验研究院，南京 210036；2.江苏中特创业设备检测有限公司，南京 210014）

管子－管板角接焊接接头是列管式换热器或反应器设备的薄弱环节，其厚度仅1～2mm。如果焊缝中存在气孔或其它缺陷，即使缺陷很小，也会在设备使用不久后因为腐蚀而在缺陷部位发生泄漏（图1）。应用管子－管板角接接头焊缝射线照相技术可以有效解决管子－管板角接焊接接头的泄漏问题。实践表明，该项技术的实施可使换热器泄漏概率大幅度降低。根据德国BASF公司的统计数据，失效概率可从18%大幅度下降到3%，如图2所示。

1 小焦点192Ir源γ射线探伤机的应用

20世纪70年代末，德国BASF公司开发出专门用于管子－管板角焊缝射线检测的小焦点192Ir源γ射线探伤机。国内于2003年引进管子－管板角焊缝射线照相技术和专用192Ir源γ射线机＋胶片系统，并在扬子－巴斯夫工程项目的设备制造检测中应用。

管子－管板角接焊接接头形状特殊，结构复杂，一般射线检测技术无法实施照相。为解决这一技术难题，专用γ射线探伤机设计了一个装有小焦点（φ0.5mm×1mm）192Ir放射源（图3）的棒，将其伸入管内，采取“向后透照”的方式进行曝光，同时设计了特殊工装和特殊工艺，成功地获得了角焊缝图像。与超声检测相比，管子－管板角焊缝射线照相具有灵敏度高、可靠性好和检测效率高等优点。

图1 导致管子－管板角焊缝泄漏的气孔

图2 管子－管板角焊缝射线 照 相降低换热器失效的概率统计

图3 管子－管板角焊缝射线照相专用γ射线机

2 管子－管板角焊缝射线照相技术与工艺试验

在引进德国的192Ir源γ射线＋胶片系统技术和设备后，为进一步掌握管子－管板角焊缝射线照相技术与工艺，江苏省特检院和江苏中特创业公司进行了多项试验，内容包括：

（1）曝光参数试验：即不同焦点尺寸源、不同种类胶片、不同焦距以及不同曝光时间对成像质量和灵敏度的影响。

（2）适配器试验：即不同形状、不同厚度、不同材质（镍、钛、锆）适配器的效果和应用范围。

试验得到了一些结论，包括：

（1）源焦点尺寸减小能显著提高缺陷检出率。

（2）不同类别的胶片对照相灵敏度有显著影响；管子－管板角焊缝拍片应采用T2类或更高级别的胶片。

（3）带铅箔增感屏的真空包装胶片质量明显优于散装胶片 。

（4）所用焦距应适当。焦距过短缺陷影像变形大，焦距过长灵敏度降低。焦距选择与管径有关，一般30～50mm。

（5）对管子－管板焊接接头进行拍片时，必须使用适配器（补偿块）。补偿块形状和厚度必须适当。

（6）补偿块材质的原子序数应等于或低于管子材质的原子序数。

3 棒阳极X射线机的应用

为了避免放射源管理和运输的麻烦，同时进一步提高检测质量和效率，德国一家公司在20世纪90年代开发了一种管子－管板角焊缝射线照相专用棒阳极X射线机（图4）。其主要参数如下：焦点尺寸0.5mm；辐射角度135°×360°；棒直径6mm，长度不小于37mm；管电压130kV，管电流2mA。

棒阳极X射线机＋胶片系统有以下优点：

（1）避免了放射性同位源的输送带来的风险和麻烦。

（2）减少现场检测人员受到的辐射剂量。

（3）更快的检测速度（曝光时间20～40s）。

（4）更高的成像质量。其对钢中的气孔缺陷灵敏度小于φ0.5mm，而192Ir源γ射线检测对钢中的气孔缺陷的检测灵敏度一般只能达到1mm。

棒阳极X射线机＋胶片技术成功解决了Ti材换热器管子－管板角焊缝照相灵敏度不够的难题。由于钛原子序数（22）低于铁（26），用192Ir源γ射线对钛材管子－管板角焊缝照相灵敏度极低，直径大于1mm的气孔也可能漏检，使检测失去意义。用棒阳极X射线机发出的低能X射线取代192Ir源γ射线，可以有效检出φ0.5mm的气孔（图5）。

4 计算机射线照相（CR）技术的应用

计算机射线照相（CR）是一种新型工业数字射线检测技术，其原理是：先使用成像板（IP）代替胶片记录检测物理量；然后使用激光扫描仪代替暗室处理，把检测物理量转变为数字信号；最后通过计算机将数字信号转变为数字图像。

江苏省特检院和江苏中特创业公司首先提出把CR技术应用于管子－管板角焊缝射线照相的方案并完成了试验。试验结果表明，CR技术应用于管子－管板角焊缝射线照相具有明显的优势和良好的应用前景（图6）。棒阳极X射线机＋CR系统具有以下优点：

（1）能获得高灵敏度的检测图像。

（2）数字图像的保存、调用和传输方便。

（3）以成像板取代胶片，可节省费用。

（4）无需暗室处理，无污染废液。

5 数字平板探测器（DR）技术的应用

数字平板探测器（DR）是另一种新型工业数字射线检测技术。其原理是使用平板阵列探测器代替胶片记录检测物理量，并直接将其转变为数字信号，再通过计算机将数字信号转变为数字图像，如图6（b）所示。

图7 棒阳极X射线机＋DR专用检测仪

德国一家公司研发的管子－管板角焊缝射线照相专用的棒阳极＋DR检测仪器系统，由四个CdTe－CMOS数字平板拼接而成，棒阳极管被放置在仪器的中央位置（图7）。每一个平板尺寸为25mm×25mm，像素尺寸为100μm。该系统的优点是：① 不使用放射源和胶片，减少了辐射管理的麻烦和环境污染。②与其它方法相比，缺陷检出能力更强、灵敏度更高。③ 与其它系统相比，检测速度更快、曝光时间更短，而且能即时显示检测结果。④ 数字图像的保存、调用和传输方便。

该系统的不足之处是图像由四个平板拼接而成，中心孔呈方形，不仅视觉感觉稍差，而且焊缝区有拼缝穿过，有可能影响缺陷检出。

图8所示是三种检测系统，即192Ir＋胶片、棒阳极X射线＋胶片、棒阳极X射线＋DR的检测灵敏件。将仿真系统分为探头参数设置、缺陷参数设置及仿真成像三大模块。在探头参数模块，可仿真显示相控阵探头的声场声压分布及其指向性特性，通过人机界面改变各探头相关参数，观察声场声压及指向性变化，可分析研究各参数对声场的影响。在仿真成像模块，利用field II，建立相控阵探头声场与缺陷相互作用的模型和缺陷回波的计算模型；仿真缺陷试块的相控阵超声成像检测过程，并通过对回波信号包络提取、对数压缩、DSC变换等一系列信号处理过程将缺陷图像还原出来。

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