换热管与管板焊接接头射线检测缺陷尺寸修正方法

张 鹰，张向英，杜 荣，刘 泉，何 谞，余建永

（甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，甘肃 兰州 730070）

棒阳极射线和微焦点γ源检测技术是换热管-管板焊接接头射线检测常用的2种方法［1］。其中，棒阳极射线检测技术具有检测灵敏度高、现场适应性好及操作简单等优点，近年来在国内得到了快速应用［2］。甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司在应用向后射线检测方法检测换热管-管板焊接接头时发现，焊缝影像大小与焦距、换热管伸出长度、坡口深度以及缺陷在焊缝中的位置等因素有关，存在底片影像产生畸变和放大、影响缺陷评定可靠性的问题。为此，相关技术人员进行了针对性方法改进研究，形成了一种基于补偿块的换热管-管板焊接接头射线检测缺陷尺寸的修正方法。文中以1台余热锅炉换热管与管板焊接接头的射线检测为例，介绍补偿块的设计、模拟缺陷的制作、放大系数的确定以及缺陷的修正评价等关键内容。

1 棒阳极X射线检测存在问题及解决方案分析

1.1 存在问题

射线的曝光参数包括管电压、曝光量、焦距及透射角度等，其中焦距和管径共同决定焊缝投影区域，焦点尺寸、焦距和焊缝到胶片的距离会对缺陷的影像尺寸产生不同程度的影响。国内换热管-管板焊接接头大多采用强度焊加贴胀的焊接结构，强度焊结构的换热管管头伸出管板2～8 mm，甚至更多以获得较大焊缝尺寸，形成的坡口较深，熔敷金属厚［3］。射线检测时，管头伸出长度决定了胶片与焊缝的距离，对射线照相灵敏度和缺陷影像质量均会产生不利影响。

与常规射线检测相比，棒阳极射线检测焦距减小，底片影像的畸变和放大作用更明显。对缺陷进行的解剖测量表明，这种放大作用可使缺陷影像尺寸比缺陷实际尺寸增大1～2倍。对于气孔等非危害性缺陷，这个放大因素直接关系到焊缝是否返修。因此在缺陷评定时，缺陷的畸变放大因素也应作为一个重要的衡量因素予以考虑［4］。

1.2 解决方案

制定一种确定管头焊缝射线检测影像放大系数方法。此方法利用补偿块加载模拟缺陷，以模拟缺陷作为人工模拟缺陷的参比，获取影像放大系数，即在补偿块上加工模拟缺陷并进行透照，将补偿块上的模拟缺陷与底片缺陷影像的尺寸、黑度、深度进行对比［5］，找出缺陷放大规律，在缺陷评定时进行修正，提高缺陷评价准确率。

2 余热锅炉换热管与管板焊接接头的射线检测

2.1 换热管-管板焊接结构

余热锅炉换热管材质20G，规格φ38 mm×5 mm。管板材质 Q345R，厚度 26 mm。管孔深度 7 mm，管孔直径φ52 mm。换热管伸出长度3 mm，角焊缝焊角高度2 mm。余热锅炉换热管管孔结构见图1。换热管与管板焊接节点见图2［6］。

图1 余热锅炉换热管管孔结构示图

图2 换热管与管板焊接节点示图

2.2 补偿块制作

补偿块是换热管-管板焊接接头射线检测技术应用中不可或缺的工装之一，其作用是减小角焊缝射线检测的透照厚度差，降低散射比，阻挡边蚀，使底片上检测区域的黑度相对均匀［7-8］。补偿块的材质一般与换热管材质同种类，也可使用原子序数比管材低的材料制作。补偿块的结构和形状对照相灵敏度有较大影响，既要保证射线源对中，还需保证足够的照射量［9-10］。补偿块的设计选用与换热管直径、壁厚、角焊缝的型式、坡口深度、焦距等因素有关。采用10钢棒制作余热锅炉棒阳极X射线检测所需补偿块，结构见图3。

图3 补偿块结构示图

2.3 对比试块设计

在垂直于补偿块外圆周面加工几组不同尺寸及不同深度的孔型模拟缺陷。对焊缝进行射线透照时，模拟缺陷影像与焊缝影像会同时投影到底片上。模拟缺陷位置及尺寸的选取需考虑换热管的壁厚、角焊缝的坡口深度及缺陷的验收标准等因素。

在评定允许存在的圆形缺陷直径范围内，模拟缺陷的直径可任意选取。以密封焊为例，依据标准选择的密封焊可为φ1 mm的圆形缺陷。余热锅炉换热管与管板焊接接头结构为强度焊，用户要求的单个圆形缺陷验收条件为直径2.5 mm。模拟缺陷的长度以不覆盖焊缝影像为准，一般不超过换热管壁厚。模拟缺陷深度可与焊缝根部齐平，也可选在焊缝高度 （不包括角焊缝焊角高度）1/4、1/2或其他可能出现缺陷的深度范围内，本次在焊缝高度 1/4、1/2处各加工直径分别为 1 mm、2.5 mm的2个圆形模拟缺陷，见图4。

图4 补偿块模拟缺陷示图

2.4 射线检测

采用棒阳极X射线机进行透照，焦点尺寸0.5 mm×0.5 mm，焦距38 mm。底片采用管头射线检测专用真空包装胶片［11］，胶片类型 FOMA-R4，前后增感屏厚度0.03 mm，胶片尺寸120 mm×100 mm，中心打孔处用黑色胶带封住避光［12］。曝光前在胶片上砸打钢印标记，将补偿器套在阳极棒上一并插入换热管中［13］，曝光管电压110 kV，管电流0.4 mA，曝光时间2.5 min。采用自动洗片机洗片，检测灵敏度可满足验收要求的规定。

2.5 影像放大系数确定

换热管与管板焊接接头成像理论图见图5。图5中，D1为换热管内壁影像，D2为补偿器端部影像，D3为焊脚端部影像，D4为焊缝根部影像，D5为焊缝焊趾影像，F为透照焦距，φ为换热管直径，φ1为焊趾直径，T为换热管壁厚，L为管头伸出长度，H为坡口深度，K为焊角高度。

图5 换热管与管板焊接接头成像理论图

按照图5所示的成像理论，模拟缺陷的影像出现在D3焊角端部影像以内，不会对焊缝影像评价产生干扰。为了验证补偿器模拟缺陷与焊缝中缺陷的真实放大倍数是否一致，在焊缝上模拟加工了1组同直径、同深度的人工模拟缺陷［11］，分别对补偿块及焊缝中的模拟缺陷进行射线检测，补偿器及模拟缺陷透照底片见图6。

图6 补偿器及模拟缺陷透照底片

焊缝模拟缺陷试件及底片见图7。对模拟缺陷及相应缺陷影像进行测量，算出缺陷影像放大倍数，检测数据见表1。表1中，深度为模拟缺陷的深度，φ为模拟缺陷的直径，S1为补偿块模拟缺陷影像尺寸，S2为焊缝模拟缺陷影像尺寸。

表1 模拟缺陷影像测量结果及对比

图7 焊缝模拟缺陷试件及其射线检测透照底片

从表1可以看出，补偿器上模拟缺陷影像放大系数S1：φ介于1.31～1.44，焊缝上模拟缺陷影像放大系数S2：φ介于1.40～1.49。对比该组数据，补偿块模拟缺陷影像与相应位置焊缝模拟缺陷影像放大系数基本一致，可取补偿器影像放大倍数平均值作为实际透照时产生的缺陷影像放大系数。在实际管头焊缝射线检测底片评定时，对于圆形类非危害性缺陷，用该平均值对焊缝中的缺陷影像尺寸进行修正，从而对缺陷做出合理评价。

2.6 对比试块应用作用

余热锅炉换热管-管板焊接接头的棒阳极X射线检测实践证明，应用带模拟缺陷的补偿块对管头角焊缝射线检测有多方面的积极作用，①用模拟缺陷对比试块，测出了射线检测换热管与管板焊接接头缺陷影像放大系数。②对于换热管与管板焊接接头中的非危害性缺陷，在底片评定时，可考虑影像放大系数，减少非必要返修。③应用该技术可对强度焊角焊缝的检测验收标准进行完善，进一步提高缺陷评定与质量验收标准的严谨性。

3 结语

对强度焊管头角焊缝的射线检测，现在还没有国家标准和规范可以遵循［14］，缺陷的种类和大小与角焊缝的强度以及泄漏方面的关系暂时还无定论［15］，在检测过程中遇到的问题只能通过试验进行验证。通过设计制作换热管与管板焊接接头射线检测专用试块，确定影像放大系数，减小了由于焊接接头结构引起缺陷影像畸变给缺陷尺寸测定带来的不确定性，为准确评定焊接接头质量等级提供了重要依据。