X射線探傷技術對埋弧焊管焊縫檢測中氣孔缺陷的判定方法

董　斌楊劍峰

（1.寶山鋼鐵股份有限公司鋼管條鋼事業部，上海201900；2.寶山鋼鐵股份有限公司制造部，上海201900）

埋弧焊管的焊接質量直接影響著油氣輸送管線的安全運行。埋弧焊管焊縫由于焊絲、焊劑以及焊接工藝等的影響，容易出現氣孔、夾渣等缺陷，從而影響焊管的焊接質量。按照API SPEC 5L和ISO 3183等標準[1-2]規定，應對焊縫進行X射線和超聲波等無損檢驗。筆者主要針對焊接常見氣孔缺陷的大小和深度兩方面的判斷方法進行了分析。

1　X射線探傷原理

1.1　X射線管

為獲得工業射線照相所需要的具有一定穿透力的射線能量，須向電子提供一定的加速電壓，有兩種方法:①用X射線管，在陰極燈絲（電子源）與陽極靶之間，直接施加高電壓；②用加速器，反復施加較小的加速電壓，直到電子轉向靶時達到預定的極高能量。本研究采用的設備是利用X射線管來施壓[3]。

通常，X射線管由密封、絕緣的高真空玻璃管或金屬陶瓷管構成，管殼靠堅固的金屬防護罩防止殼體損傷。管內有聚焦杯、陰極燈絲、陽極體和陽極靶。X射線管（玻璃真空管）結構如圖1所示[4]。

圖1　X射線管（玻璃真空管）結構示意圖

X射線管內的陰極由繞成螺旋形的鎢絲構成，鎢絲被作為金屬電極的聚焦杯圍住。聚焦杯起著靜電透鏡的作用，能控制燈絲發射的電子束形狀。焦點大小取決于聚焦杯的尺寸和相對于陰極燈絲的位置。陽極由具有高導熱性的電極——陽極體和鑲嵌在陽極體中的陽極靶組成。陽極靶常用高熔點的鎢或其他高原子序數材料制作。銅制陽極體在X射線管殼中有一銅制延伸體，通過多種布置將陽極靶面產生的熱量傳導散發出去。

陽極靶面與陰極燈絲相對，與X射線管軸有一傾角。這樣，陰極發射的電子束能量可在靶的較大面積內轉換成X射線光子能量，但從X射線束中心軸來觀察，靶的有效尺寸（即有效焦點尺寸）要比靶的實際尺寸小得多（如圖2所示）。借此，可從較小的焦點獲得較大的X射線輸出，而無靶材燒損危險[5]。

1.2　X射線照相原理

圖2　X射線管的有效焦點示意圖

材料中如有缺陷存在會影響射線的吸收，使透過射線強度發生變化，用膠片可測量出這一變化。射線照相法原理如圖3所示，厚度為T的物體中有厚度為ΔT的缺陷時，射線穿透無缺陷部位，透過射線強度為I，曝光得到的底片黑度為D，而射線穿透有缺陷部位，透過射線強度為I+ΔI，曝光得到的底片黑度應為D+ΔD，把曝過光的膠片在暗室中進行顯影、定影、水洗和干燥。再將底片放在觀片燈上觀察，根據底片上的黑度變化所形成的圖像，就可以判斷出有無缺陷，以及缺陷的種類、數量等。這就是射線照相法的原理[6]。

圖3　射線照相法原理

2　焊縫氣孔缺陷深度的定位

用相似三角形法對氣孔缺陷進行深度定位的原理為:射線源在平行于膠片平面的兩個位置分別曝光一次，根據缺陷影像在射線底片上的位移距離，有相似三角形關系即可計算出氣孔缺陷在工件中的深度和位置[7]。當缺陷靠近膠片側時，缺陷影像在底片上的位移距離較小；當缺陷遠離膠片側時，缺陷影像在底片上的位移距離較大。即缺陷影像在底片上的位移量正比于射線源到缺陷的距離。缺陷深度三角形定位的幾何原理如圖4所示。從圖4中可以得出,

式中:A為兩次曝光中焦點位移距離；B為射線底片上缺陷影像位移距離；C為焦點與缺陷距離（焦距）；D為缺陷與膠片距離；H為缺陷與工件底面距離；G為工件底面與膠片距離；F為焦點與膠片距離；T為工件厚度。

圖4　缺陷深度相似三角形定位法

已知或測出前3個參數（A，B和F），由相似三角形關系可算出第4個參數D，而后求得缺陷與工件底面距離H，由此可判斷缺陷的深度位置。該方法適用于膠片緊貼工件底面、焦距較大時的情況，寶鋼UOE現場的射線裝置就符合該情況。此外上述相似三角形關系不僅可計算氣孔的深度位置，還可以計算出其他缺陷的深度位置。

3　焊縫氣孔缺陷大小的判定

氣孔缺陷大小的判定方法為:

（1）先測量出像質計中相鄰兩根金屬絲的距離，本研究中測出為5 mm；

（2）再根據像質計在底片上的圖像（如圖5所示），測量底片上像質計中相鄰兩根金屬絲的距離，本研究中測出為6 mm。由此可得底片圖像與實際圖像的大小比例為1∶1.2；

圖5　像質計在底片上的圖像

（3）底片評審時，若發現氣孔缺陷存在，可按比例關系推算出氣孔在水平方向的長軸和短軸長度。圖6為焊縫氣孔缺陷實例，實測大小分別為2 mm，1.5 mm和1.2 mm，按1∶1.2推算氣孔實際大小分別為2.4 mm，1.8 mm和1.4 mm。

該判定方法結合項目標準，非常容易判定該氣孔缺陷大小是否超標。

圖6　焊縫氣孔檢測實例

4　結論

（1）通過相似三角形關系，可以比較準確地推算出氣孔缺陷在深度方向的位置，從而為埋弧焊的焊接工藝改進提供指導；

（2）可以根據實際圖像和底片圖像的比例，推算出氣孔在水平方向的長軸和短軸長度，結合項目標準，非常便于現場判定是否超標。

參考文獻：

［1］API Specification 5L(44 Edition):2007，Specification for Line Pipe［S］.

［2］GB/T 9711.2—2005/ISO 3183：1999， 石油天然氣工業輸送鋼管交貨技術條件第2部分:B級鋼管［S］.

［3］王曉雷.承壓類特種設備無損檢測相關知識［M］.2版.北京:中國勞動社會保障出版社，2007.

［4］鄭世才.射線檢測［M］.北京:機械工業出版社，2004.

［5］日本無損檢測學會.射線探傷［M］.北京:機械工業出版社，1988.

［6］MEES C E K（美），JAMES T H（美）.照相過程理論［M］.2版.陶宏，譯.北京:科學出版社，1986.

［7］屠耀元.射線檢測技術［M］.上海:世界圖書出版公司，1997.