影响射线照相法检测精度的因素分析

雷 钧

(山西省机电设计研究院有限公司，山西 太原 030009)

0 引言

射线检测是工业无损检测的一个重要专业门类，其最主要的应用是探测试件内部的宏观几何缺陷(探伤)。按照不同特征如使用的射线种类、记录的器材、工艺和技术特点等可将射线检测分为射线照相检测法、射线实时成像法、射线层折检测法。其中射线照相法是指用X射线或γ射线穿透试件，以胶片作为记录信息器材的无损检测方法，该方法是一种应用最广泛的最基本的射线检测方法。射线照相法在锅炉、压力容器的制造检验和在用检验中得到了广泛的应用,其检测对象为各种熔化焊接方法(电弧焊、气体保护焊、电渣焊、气焊等)的对接接头，也能检查铸钢件,在特殊情况下也可用于检测角焊缝或其他一些特殊结构试件;一般不适宜于钢板、钢管、锻件的检测,也较少用于钎焊、摩擦焊等焊接方法的接头检测。

射线照相法用底片作为记录介质,可以直接得到缺陷的直观图像，通过观察底片能够比较准确地判断出缺陷的性质、数量、尺寸和位置，且可以长期保存。射线照相法很容易检出那些形成局部厚度差的缺陷,对气孔和夹渣类缺陷具有很高的检出率,对于裂纹类缺陷由于受到透照角度的影响，从而检出率不是很高；不能检出垂直照射方向的薄层缺陷，例如钢板的分层。射线照相法所能检出的缺陷高度尺寸与透照厚度有关，可以达到透照厚度的1%，甚至更小,所能检出的长度和宽度尺寸分别为毫米数量级和亚毫米数量级，甚至更小。

射线照相法几乎适用于所有的材料，在钢、钛、铜、铝等金属材料上使用均能得到良好的检测效果，该方法对试件的形状、表面粗糙度没有严格要求,材料晶粒度对其不产生影响。但影响射线照相法检测精度的因素很多,本文结合多年的实际工作经验对此进行详细分析。

1 射线照相法的检测原理

X射线和γ射线都是波长极短的电磁波，从现代物理学波粒二象性的观点看，也可将其视为一种能量极高的光子束流。X射线和γ射线通过物质时其强度逐渐减弱，射线强度的衰弱可表示为：

I=I0e-μT.

(1)

其中：I为通过物体后的射线强度；I0为未通过物体前的射线强度；μ为物质的衰减系数；T为物体的厚度。

物质的衰减系数随射线的种类和线质的变化而变化，也随穿透物质的种类和密度而变化。对X射线和γ射线来说，若穿透物质相同，则波长越短μ就越小；若波长相同，则穿透物质的原子序数越小μ就越小，物质密度越小μ也越小。显然，μ值越小，即意味着射线穿透该物质越容易。

射线还有一个重要性质，就是能使胶片感光。当X射线或γ射线照射胶片时，与普通光线一样，能使胶片乳剂层中的卤化银产生潜象中心，经过显影和定影后就黑化，接收射线越多的部位黑化程度越高，这个作用叫做射线的照相作用。因为X射线或γ射线使卤化银感光作用比普通光线小得多，所以必须使用特殊的胶片，这种胶片的两面都涂敷了较厚的乳胶。此外，还使用一种能加强感光作用的增感屏，其通常由铅箔做成。

了解了射线穿过物质的衰减作用和照相作用后，就不难理解射线照相法的检测原理了，材料中如有缺陷存在会影响射线的吸收，使透过的射线强度发生变化，用胶片可测量出这一变化。如图1所示，厚度为T的物体中有厚度为ΔT的缺陷时，射线穿透无缺陷部位时射线强度为I,曝光得到的底片黑度为D；而射线穿透有缺陷部位时射线强度为I+ΔI(ΔI为射线穿透有缺陷部位的强度)，曝光得到的底片黑度为D+ΔD(ΔD为射线照相对比度)。将曝过光的胶片在暗室中经过显影、定影、水洗和干燥，再将底片放在观片灯上观察，根据底片上的黑度变化所形成的图像就可判断出有无缺陷，以及缺陷的种类、数量、大小等，这就是射线照相法的原理。

图1 射线照相法检测原理

2 影响射线照相法检测精度的因素

影响射线照相法检测精度的因素有很多，主要包括：照相的操作、照相规范的确定、像质计(透度计)的应用、底片的评定。

2.1 照相的操作

照相的操作步骤如下：首先把被检的物体安放在离X射线装置或γ射线装置50 cm到1 m的位置处，将胶片盒紧贴在被检物体的背后，让射线照射适当的时间(几分钟至几十分钟)进行曝光；然后将曝光后的胶片在暗室中进行显影、定影、水洗和干燥；随后将干燥的底片放在观片灯的显示屏上观察,根据底片的黑度和图像来判断存在缺陷的种类、大小和数量；最后按通行的标准对缺陷进行评定和分级。

2.2 照相规范的确定

要得到一张清晰的高质量的射线照相底片，必须确定照相规范，使小缺陷能够在底片上尽可能明显地辨别出来，即照相要达到髙灵敏度。为得到高的缺陷检出率，照相规范的确定应遵循以下几点原则：

2.2.1 透照方式的选择

按射线源、工件和胶片之间的相互位置关系，透照方式分为纵缝透照法、环缝外透法、环缝内透法、双壁单影法和双壁双影法五种，如图2所示。其中环缝外透法和环缝内透法是最常用的透照方法,双壁双影法只适用于Φ100 mm以下管子的对接环焊缝,除了管道和无法进入内部的小直径容器只能采用双壁双影法透照外，大多数容器壳体的焊缝照相都釆用双壁单影法透照，透照时既可以将射线源放在外面而胶片贴在内壁,称为外透法,也可以将射线源放在里面而胶片贴在外面，称为内透法,内透法按射线源在不在圆心,又分为中心法和偏心法。外透法的优点是操作比较方便，内透法的优点是透照厚度差小，在满足透照厚度比K值的情况下，一次透照长度较大。选择透照方式时，应综合考虑各方面的因素，包括透照灵敏度、缺陷检出的特点、透照厚度差和横向裂纹检出角、一次透照长度、操作方便性、试件及设备的具体情况。

图2 焊缝透照方式示意图

2.2.2K值的控制

物体的厚度T与射线透照厚度T′的比值称为透照厚度比，用K值表示，即:

K=T′/T.

(2)

焊缝透照厚度比示意图如图3所示。标准NB/T47013.2—2015《承压设备无损检测第2部分:射线检测》规定：锅炉压力容器、压力管道焊缝射线照相，纵缝的K值不得大于1.03,环缝的K值不得大于1.1。限制K值，也就间接控制了横向裂纹检出角θ(θ=arc cos(I/K))，使之不致过大,过大的θ有可能导致横向裂纹漏检。采用射线源在内的透照方式，其选用的θ比射线源在外方式小得多，尤其是射线源在中心的内透法，K值取1、θ取0是最佳透照方式。

图3 焊缝透照厚度比示意图

2.2.3 射线源的选择

选择射线源的首要因素是射线源发出的射线对被检物体具有足够的穿透力。对X射线来说，穿透力取决于管电压，管电压越高则射线的质越硬，在物体中的衰减系数越小，穿透力越大。对γ射线来说，穿透力取决于放射源的种类,由于放射性同位素发出的射线能量不可改变,用高能量射线透照厚度较小的物体时会出现灵敏度下降的情况,因此需要规定透照厚度的上限和下限。

选择射线源时，还需注意X射线和γ射线的照相灵敏度差异，实验表明：在钢板的厚度≤40 mm情况下，用Irl92γ射线透照所得射线底片的对比度不如X射线底片，以25 mm厚钢板为例,前者的对比度大约比后者要低40%。对比度自然影响到了像质计的灵敏度,因此，40 mm以下厚钢板用Irl92γ射线透照所得像质计灵敏度不如X射线所得像质计灵敏度，但对40 mm以上厚钢板，则两者的像质计灵敏度值大致相同。

除了穿透力和灵敏度外，X射线和γ射线的其他特点也是需要考虑的因素。

2.2.4 透照距离的选择

射线源到胶片的距离称为焦距F，其对射线照相灵敏度的影响主要表现在几何不清晰度Ug上，由Ug=dfT′/(F-T′)(其中,df为射线源的直径)可知,F越大，Ug越小，底片上的影像越清晰。从减小Ug这一点上来看，选择较小的df可得到与增大F相同的效果，因此在实际的透照中选择F的同时需要考虑df。

焦距F的选择有时还与试件的几何形状以及透照方式有关，如为了得到较大的一次透照长度和较小的横向裂纹检出角，在采用双壁单影法透照环缝时往往选择较小的F；而采用环缝中心内透法时，F就是筒体的外半径。

实际透照时一般不采用设备的最小焦距值，所用的F比最小焦距值要大得多，这是因为透照场的大小与焦距相关，焦距增大后匀强透照场范围增大，这样可以得到较大的有效透照长度，同时影像清晰度也得到进一步提高。但是由于射线强度I与焦距F的平方成反比，因此不能把焦距选得过大，不然透照时射线强度不够。焦距应在满足几何清晰度要求的前提下合理选择，一般焦距选择在600 mm～800 mm之间最为合适。

2.2.5 曝光量的选择

射线强度I与曝光时间t的乘积称为曝光量E，即：

E=It.

(3)

曝光量是射线透照工艺中的一项重要参数，曝光量的大小应能保证足够的底片黑度。在透照时，如果其他各项条件(试件及尺寸、射线源或管电压、胶片和增感屏、焦距等)已确定，则底片黑度与曝光量有很好的对应关系，因此可以通过改变曝光量来控制底片黑度。

曝光量不只影响底片黑度，也影响底片的对比度、颗粒度以及信噪比，从而影响底片上记录的最小细节尺寸。为保证底片的质量，曝光量应不低于某一最小值，推荐使用的曝光量如下：高灵敏度选择30 mA·min，中等灵敏度选择20 mA·min，一般灵敏度选择15 mA·min。

2.2.6 胶片和增感屏的选择及底片黑度的控制

通常照相时是将厚度为0.03 mm～0.2 mm的铅箔增感屏与非增感型胶片一起使用，铅箔吸收射线而放出二次电子，这种电子易使胶片感光，因此使用铅箔时感光度可提高2倍～5倍。而且由于铅箔吸收散乱射线，能使散射比n减小，从而提高底片的对比度。

非增感型胶片有多种，低感光度的胶片有较大的胶片梯度G，而且粒度细，其底片对比度也大。底片黑度D一般规定为1.5～4.0，黑度D值增大，胶片梯度G值也增大，因此，一般来说，应使底片黑度D大些，但黑度大于4.0观片灯有时就不容易看清了，所以底片黑度也不宜太大。为此，除了选择质量好的细颗粒胶片外，还要取得好的射线照相对比度和清晰度。

(1) 射线照相对比度是指射线底片上有缺陷部分与无缺陷部分的黑度差，用ΔD表示，即：

ΔD=D1-D2=0.434μGΔT/(1+n).

(4)

其中：D1为底片上有缺陷部分黑度；D2为底片上无缺陷部分黑度。

从式(4)可以看出：如果所选择的透照规范μ值和G值大，n值小，则得到的缺陷图像对比度就高。

(2) 射线照相清晰度是指底片上图像的清晰程度，它主要由两部分组成，即固有不清晰度Ui和几何不清晰度Ug。Ui与射线能量有关，能量越高，Ui越大。Ug的产生是因为射线源具有一定尺寸，不是一个点，因此在缺陷的图像周围就会产生半影，当缺陷横向尺寸远小于焦点时，缺陷图像就会淹没于半影中，缺陷就难以看清了。缺陷的最大半影尺寸称为缺陷的几何不清晰度Ug，表示为：

(5)

其中:b为工件表面到胶片的距离。

从式(5)可以看出：焦距F越大，半影越小；df越小，半影越小；b越小，半影越小。即工件越薄，胶片贴得越紧,清晰度越好，射线源越小，焦距越大，清晰度越好。

2.3 像质计(透度计)的应用

为了评定底片的灵敏度，需要采用像质计，像质计是用来检查透照技术和胶片处理质量的，衡量该质量的数值称为像质指数，它等于底片上能识别出的最细钢丝线的编号。标准NB/T47013.2—2015《承压设备无损检测第2部分:射线检测》规定：使用粗细不同的几根金属丝等距离排列做成的线型像质计，用底片上必须显示的最小钢丝直径与相应的像质指数来表示照相的灵敏度。所谓射线照相的灵敏度是射线照相能发现最小缺陷的能力，其分为绝对灵敏度和相对灵敏度。绝对灵敏度是指射线透照某工件时能发现最小缺陷的尺寸，相对灵敏度是指透照方向上所能发现缺陷的最小厚度尺寸ΔT与该处的穿透厚度T′的百分比。目前标准规定的像质指数换算成相对灵敏度其值大约在1%～2%之间。

2.4 底片评定

底片评定是射线照相的最后一道工序，也是最重要的一道工序。通过观片灯观察底片，首先应评定底片本身质量是否合格，在底片合格的前提下，再对底片上的缺陷进行定性、定量和定位，对照标准评出工件质量等级，写出探伤报告。

对底片的质量要求包括：

(1) 底片的黑度应在规定范围内，影像清晰，反差适中，灵敏度符合标准要求，即能识别规定的像质指数。现行的射线检测标准中，底片黑度下限一般规定为1.5～2.0,上限一般为4.0～4.5。

(2) 标记齐全，摆放正确。必须摆放的标记有设备号、焊缝号、底片号、中心标记和边缘标记等，标记应距焊缝边缘5 mm。

(3) 评定区内无影响评定的伪缺陷，即划伤、水迹、折痕、压痕、静电感光、显影斑纹、霉点等。

3 结语

射线照相法在锅炉、压力容器的制造检验和在用检验中得到了广泛的应用,其用底片作为记录介质,由于底片上记录的信息十分丰富，通过观察底片能够比较准确地判断出缺陷的性质、数量、尺寸和位置，且底片可以长期保存，具有可追溯性，从而射线照相法成为各种无损检测方法中记录最真实、最直观、最全面、可追溯性最好的检测方法。但射线对人体有伤害,检测人员需要采取防护措施。