核心提示：大口径供热管焊缝的X射线探伤 安徽华夏高科技开发有限责任公司 周劲华 摘要：根据大口径供热焊管焊缝的现场X射线探伤特点，通过理论分析，提出了现场X射线检测大口径供热焊管环焊缝质量的探伤方法。探伤结果表明，该工艺方法效果好，简单实用，能有效地控制供热管线中的焊缝质量，并能提高现场探伤的效率。 1、前言...
大口径供热管焊缝的X射线探伤 安徽华夏高科技开发有限责任公司 周劲华
摘要：根据大口径供热焊管焊缝的现场X射线探伤特点，通过理论分析，提出了现场X射线检测大口径供热焊管环焊缝质量的探伤方法。探伤结果表明，该工艺方法效果好，简单实用，能有效地控制供热管线中的焊缝质量，并能提高现场探伤的效率。
1、前言
随着我国城市建设迅猛发展的需要，集中供热采暖成为解决城市环境污染，提高供热效率的重要手段。随着供热面积的不断增大，集中供热的输汽管管径也不断增大，且供热管道在压力为0.8Mpa、温度为200℃的过热蒸汽的条件下运行每年约5个月，这就对大口径供热管道的焊接质量提出了更高的要求，并且引起有关部门的高度重视，寻求权威部门用科学的有效的无损检测方法来控制质量，以确保大口径供热焊管在数年内安全可靠运行。受市热力公司委托，我们对长达几十公里的大口径供热管道环焊缝进行X射线探伤，被检测供热焊管尺寸规格有φ426×8mm,φ620×8mm,φ720×8mm三种规格，材质为20＃钢，焊接接头全部采用手工氩电联焊，单面焊双面成型，焊缝照相质量分级要求用AB级，焊缝合格级别按GB3323 - 2005标准II级以上(含II级)验收。
2、技术参数确定的理论依据
2. 1、 X射线辐射强度分布
定向X射线机X射线管的阳极靶一般与管轴线垂直方向成20°的倾斜角，X射线形成约40°圆锥角向外辐射。一般认为，连续X射线强度空间分布的最大值与电子束方向垂直。但实际情况并不如此，连续X射线相对强
度的分布在整个幅射场内是不均匀的，造
近阴极侧的射线强度比阳极侧的射线强度
偏高，真正最大强度在＋12°时产生。其强
度和均匀度见图1所示。
在实际射线照相工作中，总是要求一
次透照较大范围，而且必须有一定大小的
适当均匀的透照范围。对大口径供热焊管
环焊缝的X射线照相，根据GB3323-2005 图1 x射线强度与分布的关系图
标准规定，“外径大于100mm的管子对接焊缝可采用双壁单投影分段透照”，所以只能采取多次曝光。射线探伤要求达到一定抽查比例，环焊缝为100％,需要获得紧靠胶片侧环焊缝的有用影像。由于射线束是以一定角度(如40°)向外辐射，射线束的倾斜照射将导致实际透照厚度的变化，在每次透照中，实际是透照一定范围的厚度。由于射线源幅射场空间分布的不均匀性、射线源有效焦点尺寸在不同方位上的变化、对透照物体不同部分射线源与胶片间距离的变化等都会使得在一张射线照片上不同部分具有不同的曝光量，射线照相灵敏度也可能不同。
在对φ426×8mm,φ630×8mm,φ720×8mm大口径供热焊管环焊缝射线透照时，应充分考虑这种因素，采取措施以保证射线照相底片的质量。
2.2、双壁单投影透照灵敏度
射线照相工艺通常是根据灵敏度来选定的。射线照相底片的灵敏度即底片上沿射线穿透方向上发现最小缺陷的能力是评定射线照相质量的主要指标。国内通常用金属丝型像质计，其材质是与试件相同的金属丝。在一定的射线照相条件下，影响灵敏度的因素主要有对比度、清晰度、黑度。其中对比度定义为底片上两相邻部位的黑度差ΔD。对比度与散射比n、衰减系数μ、总的不清晰度U等因素相关。
对于同种材料而言，μ值随射线能量的增加而减少，因供热焊管材质为20＃钢，双壁透照要高于相应单壁透照采用的射线能量，在其它条件不变时，射线能量的增加，衰减系数μ将减小。大口径供热管焊缝采用双壁单投影透照时，X射线机固定，有效焦点不变，焦距和焊管母材厚度一定，则几何不清晰度Ug值不变；Ui与胶片、增感屏类型(金属)、显影条件等不变，U则随射线能量的增大而增大。在双壁透照时，因射线能量提高仅Ui增加，导致U值增大。另外，GD是胶片本身的
特性，当底片黑度变化较小时，可以认
为不变。所以，在双壁透照时，μ的减
小及U的增大有使胶片对比度γ增大的
趋势(与单壁透照相比)。
散射比n即散射线强度与直接透射
线强度之比。如不能将散射线降至最低
程度，将会降低底片的对比度，图象质
量也相应下降，这就极大地降低了射线
照相的质量，尤其对小缺陷的检测影响 图2：有效能量和散射比的关系
更大，所以散射线的屏蔽显得非常重要。
对于一定厚度的母材，其实际穿透能量和散射比IS/ID之间的关系如图2所示。供热焊管的焊缝使用的管电压在300kV以下，在此范围内随着射线能量增高，透照厚度不变时，IS/ID逐渐增大，结果是对比度△D下降，金属丝半径r有增大趋势。需说明的是在用双壁单影透照时，随着两壁间距离增加，也就是管径增大，IS/ID有所下降。
以上分析可知，一般双壁透照较相应单壁透照可识别最细金属丝半径r增大，即灵敏度变低.为使几何不清晰度保持最小值，胶片与管外壁贴得越紧越好。而为获得最大对比度，降低固有不清晰度，减少散射线的影响，管电压应在保持一定穿透力的前提下，尽可能低一些。
3、焊缝射线照相工艺设计
3.1、拍片前的工艺参数优化选择
大口径供热管X射线探伤执行GB3323－2005标准，为使该射线照相质量有所提高就要求工艺合理。在现场进行探伤要获得一张优质的射线底片，取决于射线照相规范参数的合理确定。射线透照参数包括以下的内容：焦距、管电压、管电流、胶片、增感屏、散乱射线的屏蔽、暗室处理等。大口径供热焊管焊缝现场X射线探伤，我们认为其中要经常变动的参数是焦距、管电压、机头的布置摆放、暗室处理。
供热焊管X射线双壁单影法的示意
图如图3所示，对比几何图形分析可知
参数L1、L2、L3 K、θ的变化关系：
K＝T’/ T 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。(1)
式中T一母材厚度mm
T’－射线束斜向透照最大厚度
θ =cos－1k－1 。。。。。。。。。。。。。。。。。(2)
式中θ一横向裂纹检出角
η=sin-1[（D/2F-D）sinθ] 。。。。。。(3)
式中η－射线源半幅射角
D一被透照工件外径
F一焦距
图3：X射线透照示意图
α = θ + η 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。(4)
式中α－A＾B所对半圆心角
N =1800/α 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。(5)
式中N －满足K的100%透照时最少曝光次数
L3 = πD/N 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。(6)
式中L3－为一次透照长度 π－圆周率
要满足几何条件要求，主要考虑K、θ值与焦距F。从以上公式看出，当透照距离L减小时，焦距F减小，若设定透照长度L3不变，则K、θ增大;若K、θ不变，则L3必需缩短。L1增大时，焦距F增大;若L3不变，K、θ减小。可以说调整焦距F能改变L1、L3、N值，影响像质计数值W和检测效率；若曝光量减少，管电压控制在标准规定的范围内，又同时考虑K、θ，我们确定L3为247mm，即胶片长度是300mm，这时，焦距F的选择就很重要，在满足K、θ值的条件下可选小些。但是对大口径供热焊管环焊缝透照，厚度不大时，提高裂纹类缺陷的检出率，为了增大底片清晰度，也能提高一次透照长度L3和检测效率。因焦距随着管径的变化而变化，可以把焦距当作管径再加上某一个数的结果，这个数也就是阳极靶至窗口的距离，然后再加射线源一侧焊管表面至窗口的距离.一般情况下，应尽量减小距离，以增大拍片的有效长度，减少拍片数量。需注意的是焦距增加的不能太大，因焦距太大，就要提高射线能量，即管电压，或增加曝光量，实际探伤中管电流的选用一般是选最大并是一定值，增加曝光量等于增加曝光时间，这徉对检测效率有影响，也会一定程度上增加散乱射线和增加底片灰雾度。
分析可知，同一种材料吸收系数μ并不是不变的，不是一个常数，λ减小，吸收系数μ值减小，即透射线强度比减小，底片对比度下降，而底片对比度是胶片对比度γ和工件对比度(主因对比度)μΔd/1+n的综合结果；λ减小，ΔD下降，管电压降低，μ值增大；若△X大，则△D增大。为获得最大主因衬度，减少散射线影响，理论上讲选择管电压的原则是，在能穿透工件情况下，尽量采用较低管电压。
3.2、现场透照布置
实际上，在射线照相检验中，缺陷的可检性与几何条件关系最密切的是裂纹类缺陷。大口径供热焊管焊缝的现场探伤，环境条件比较苛刻，供热焊管管线布置是直埋式铺设，供热管与沟槽之间的距离约有400mm。为符合GB3323－2005标准9.3款规定，以AB级射线照相法透照环缝时，其K值不得大于1.1，若底片两端有大于此值的，均不能作为有效检测部分。为提高检测效率，射线透照布置显得很重要，为此，我们认为大口径供热焊管现场X射线探伤的透照布置应符合以下条件：
(1)对缺陷的最大检出率；
(2)影像对比度较高；
(3)提高检测效率。
如前所述，定向X射线机X射线管辐射出的X射线其幅射强度和均匀性是不一样的。现场检测大口径供热焊管其管子是固定不动的。考虑到射线对面状缺陷的检出率，以及选择射线强度较均匀的照射场，关键是平移距离和机头倾斜角度，使焊缝落在X射线的照射场之内，以获得黑度均匀的底片.根据供热焊管管线排列和位置的实际情况，探伤前提出双壁单影法(射源，胶片均在管子外侧)的机头摆放位置的两种方法供参考：
(1)利用半幅射角进行透照；
(2)机头倾斜+平行移动距离；
在用半幅射角检测环焊缝，X射线管平移的距离应满足：
X ≤(L1+L2) +tg20°=0.36 (L1+L2)
式中X—平移距离
L1—射源焦点至工件表面的距离
L2一一工件表面至胶片距离
对某一具体口径的焊管而言，采用射线幅射角法透照环焊缝时选择透照布置参数主要是确定机头的平移距离X。采用此法在现场探伤中有方便之处，但采用一段时间后发现用此法透照焊缝，得到的射线照相底片黑度不均匀，有时底片两端部40mm- 50mm范围内黑度差约有0.6左右，这与射线强度的不均匀性有关，为了利用阴极侧射束，而频繁搬动射线机，还要增加曝光时间，使底片质量、探伤效率降低.要使被探焊缝处在射线强度均匀的射线场中，并能满足对面状缺陷的检出率，得到一张质量好的底片，采用机头倾斜加平移距离容易实现上述要求，具体操作是机头一端保持不变，而把另一端垫高(可做一斜楔块)，实际上机头一端倾斜是焦点为圆心，逆时针或顺时针方向抬高机头一端，根据焊缝宽度情况，使阴极侧射线束对准被检焊缝被检部位，根据图1分析，阴极侧射束角度在10°～13°时，强度在104％～105％之间，在这个角度范围内，射线束强度较大而且均匀，经计算使机头角度调整在70°～10°范围之内，能够满足探伤的要求。
3.3、具体透照举例
L1= 50mm; L2 = 630mm；机头倾斜7°~10°。
透照条件:
机型：XXG-2505；焊缝宽度b=12~15mm；焊缝余高=2mm；增感屏：铅箔0.03mm；暗盒背面衬1～1. 5mm铅板；电压=180-190kV；电流=5mA；曝光时间=3min；胶片：AGFA-T7型；显影时间4~8分。透照方式为双壁单影法，K取1.1，焦距680mm；按下式计算公式进行：
θ = cos－1k－1 = 24.62°
η = sin-1[（D/2F-D）sinθ]
= sin-1[630/（2×680－630）×sin24.62°
= sin-1 (0. 863×0.416) = 21.0°
α = θ + η = 24.62° + 21° = 45.62°
N＝180/α = 180/45.62° =3.9≈4（次）
A＾B＝Leff＝πD/3.9 = 507mm
一次透照长度L3 =πD/N = 3.14×630/4 = 494mm
一次透照长度L3小于底片有效评定长度Leff符合标准有关要求。
贴片：要使焊缝影像在底片上处于中心位置，并且黑度均匀，最好的方法是先量出(或计算出)被探焊管的周长，并取其周长的1/2处为贴胶片的中心位置，周长的1/2处另一端点作为射线定位中心，使射束中心对准此点进行双壁单影透照，因此我们将该管8等分（使用300×80mm胶片）；其它标记按GB3323-2005标准摆放，胶片暗袋后衬1～1. 5mm厚铅皮，并用乳胶带使其和暗袋固定在工件外壁上。
4、结果与讨论
经过理论上可行性探讨，采用机头倾斜未平移方法;对大口径供热焊管环焊缝进行现场Y射线探伤，很圆满地完成市政质检站委托的检测任务，为整个工程验收提供了可靠依据。检测φ720×8mm,φ630×8mm,φ426×8mm三种规格供热焊管的环焊缝，焊管管线总长达数十公里，共拍片近40000余张。从实际探伤和理论作对比可以得出以下结论：
4.1、理论上指出Y射线管发生的X射线是连续X射线，各种波长都有，其中软射线的衰减系数比硬射线衰减系数要大得多，实际探伤表明，射线源侧管壁的存在且厚度不大时可近似起滤板作用，而且管径越大，在厚度不变时，射源侧管壁越接近X射线机窗口理想位置滤波作用越大，灵敏度提高趋势也越大。需指出的是，我们在透照不同直径焊管时，在从曝光曲线上所选择的管电压基础上再增加8~12kV电压，从底片上看并不影响最佳底片对比度，甚至缺陷影象的细节更清晰。采用机头倾斜并平移一定距离，能保证检出面状缺陷，并对大口径供热焊管的环焊缝现场的X射线探伤有较高的检测效率。
4.2、通过对大口径供热焊管环焊缝的现场X射线探伤实践感到，在一定程度上用象质指数不能真正地反映出实际照相灵敏度，更不是控制照相质量唯一指标，合理的透照工艺才能保证照相质量。