哈氏合金C－276與16Mn異種合金對接焊縫射線檢測

潘杰軍，潘 敏

（1.江蘇省溧陽市云龍設備制造有限公司，溧陽 213311；2.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院常州分院，常州 213016）

哈氏合金C－276是一種含鎢的鎳－鉻－鉬合金，因其較高的強度、優異的耐腐蝕性，而廣泛應用于石油化工、造紙、環保等工業領域等苛刻的腐蝕環境中。制作壓力容器零部件時，經常采用哈氏合金與低合金鋼連接的異種鋼對接焊接接頭形式。由于兩種材質對X 射線衰減特性差異較大，導致射線檢測時透照曝光參數選擇出現問題。

1 射線衰減特性分析［1］

X 射線在穿透物質時，與物質產生相互作用而強度減弱，部分射線方向發生改變。在常規工業X射線使用的能量范圍（100～350kV）內，射線通過物質時強度衰減遵循指數規律。

射線的衰減情況不僅取決于輻射自身的性質，還與吸收物質的性質和厚度有關。當射線通過單位厚度物質時，與物質相互作用的概率用線衰減系數μ來表示。線衰減系數μ與射線能量、物質的原子序數和密度有關。

影響X 射線衰減系數的因素較多，為簡化不同物質衰減系數的比較，將線衰減系數μ除以物質密度ρ的結果用質量衰減系數μm來表示，這樣便于比較對于不同物質衰減系數與原子序數及射線能量的關系。

當使用相同能量的X 射線，穿透相同厚度的不同物質時，穿透物質的X 射線強度就僅取決于不同物質的原子序數。物質的質量衰減系數與物質原子序數存在式（2）所示的關系。

式中：I為穿透物質后的射線強度；I0為穿透物質前的射線強度；μ為線衰減系數；e為自然對數的底；T為穿透物質的厚度；μm為質量衰減系數；Z為物質原子序數；k為常數；n為質量衰減系數與原子序數的相關性常數，介于2.45～2.7之間。

某類壓力容器，公稱直徑DN 不小于250 mm的哈氏合金筒體與低合金鋼鍛件對接焊縫，要求進行100%射線檢測并Ⅱ級合格。哈氏合金材料牌號為C－276［2］，低合金鋼鍛件牌號為16MnⅢ［3］，焊材為ERNiCrMo－4，焊接方法為手工氬弧焊。兩種金屬材料、焊接材料以及焊接后形成的焊接接頭的三個部位（C－276母材、焊縫金屬、低合金母材）的化學成分不同，各化學元素的原子序數不同。焊接接頭不同部位對X 射線的衰減系數產生的影響不同。

根據所含元素的質量百分含量及相應的原子序數，由式（3）計算工件不同部位的平均原子序數。C－276的平均原子序數為1＝31.1，16MnⅢ的平均原子序數為2＝25.9，焊縫金屬的平均原子序數為3＝30.5。計算結果說明焊縫金屬與C－276的平均原子序數差異較小，因此對X 射線的衰減作用差異也較小。

（注：非金屬元素對X 射線衰減作用遠小于金屬元素，且含量很少，計算平均原子序數時，忽略非金屬元素對平均原子序數的影響。）

由于物質對X 射線的衰減作用，遵循射線強度指數衰減規律。射線透照檢測時，要想在相同射線能量和強度的前提下獲得黑度相同的底片，必須使得到達膠片的射線強度相同。

由式（1）可知，兩種不同的物質和不同的厚度，必須有μm1T1＝μm2T2。可以推導出哈氏合金對16Mn的射線透照等效系數Ψ＝T2／T1＝μm1／μm2＝1.54～1.61。如果考慮散射線的影響及不同厚度對散射比的影響，Ψ值可能還要更大。

2 透照等效系數測定結果與分析

試驗對象1：C－276板材，厚度分別為8，10，14和18mm。

試驗對象2：鋼板超聲波檢測用階梯試塊，材質為20號鋼，階梯厚度分別為12，15，19，24，30，36和42mm（試驗選用15／19，19／24，24／30和30／36mm 4組厚度組合）。（注：選用此階梯試塊原因，①化學成分與16Mn鍛件的化學成分相近，平均原子序數之間誤差很小，對射線的衰減特性差異小；②階梯厚度有試驗所用哈氏合金厚度的不足1.5倍到2倍以上，可以覆蓋理論分析獲得的射線透照等效系數的可能范圍。）

按JB／T 4730.2－2005標準AB級射線檢測技術等級中關于曝光量的規定，選擇焦距為700mm，曝光量為15mA·min。根據上述不同材料對X 射線衰減特性的分析，選擇與C－276板材兩倍厚度相鄰的兩個臺階厚度（注：見鋼板超聲波檢測用階梯試塊），在相應X 射線機的曝光曲線上，選擇合適的管電壓進行透照曝光，如表1所示。

表1 X射線曝光曲線中透照厚度所對應管電壓

為避免散射射線對膠片曝光的影響，透照時需要采取防散射射線措施：①膠片背面使用鉛板防護。②C－276板材試樣尺寸大于膠片尺寸。③階梯試塊尺寸小于膠片，露出試塊的膠片部分用鉛板遮擋防護。④防止邊蝕散射影響，階梯試塊臺階面朝上，平面與膠片接觸，減少臺階處散射射線對膠片感光的影響。

所得膠片經暗室處理后，以測得的C－276底片黑度為基準，測量階梯試塊底片上不同階梯厚度部位的黑度。如果有相同黑度的階梯，則取此厚度為等效厚度。如果沒有相同黑度值的階梯厚度，則測量階梯試塊底片上一個比C－276板材底片黑度高的值和一個比C－276板材底片黑度低的值，通過插值法求得相同黑度的等效厚度值，如表2所示。

表2 等效厚度試驗數據（厚度／黑度）

試驗結果表明，在試驗厚度范圍內，哈氏合金與低合金鋼16Mn的射線透照等效系數Ψ接近2，且隨著厚度的增加，Ψ值逐漸減小。隨著工件厚度的增加，所用的射線能量增加，工件對X 射線的衰減系數減小，散射比減小，最終導致兩種材料的射線透照等效系數隨厚度的增加而減小，如表3所示。

表3 等效厚度

3 實際應用結果及分析

由于結構上的連續性，兩種不同材料焊接時，常加工成等厚度對接形式如圖1所示。以厚度10mm 的工件為例，C－276材料與16Mn材料厚度相同，由于射線透照等效系數Ψ等于2，透照10mm 的C－276工件需要相當于20 mm 厚 的16Mn工件的透照條件，該工件等同于10與20mm 的同種16Mn材料對接，厚度差遠超常規射線檢測質量控制范圍所允許的厚度差（透照厚度比Ks不大于1.4）。該工件的透照應采取大厚度比工件透照時相應技術措施。

圖1 工件結構

大厚度比工件透照可采取的措施：提高管電壓、雙膠片法和補償法等。

提高管電壓法：選擇管電壓首先要考慮不能超過標準JB／T 4730.2－2005關于不同透照厚度允許的X 射線最高管電壓的規定，其次考慮厚度寬容度的要求。對于圖1的工件，透照厚度為20mm 且厚度差較大時，允許的最高管電壓為330kV。要將工件不同厚度的兩部分的黑度D 均控制在標準JB／T 4730.2－2005規定的2.0～4.0的范圍內；根據膠片特性曲線如圖2 所示，可知，D1＝4.0 與D2＝2.0對應的曝光量比值為2；查閱所用射線機的曝光曲線如圖3所示可知，透照厚度相差一倍的兩工件所得黑度相同且滿足標準要求所需曝光量的比值最小為4，遠超標準黑度控制的曝光量比值2。由此可見，提高管電壓的方法不能使用。

異速雙膠片技術，由于找到在有效黑度范圍內曝光量有足夠多重疊的兩種膠片較困難。而同速比膠片技術，要將底片黑度D控制在1.3～4.0范圍內，查膠片特性曲線可知兩黑度對應的曝光量比值為3.2，還是小于所用射線機透照大厚度比工件所能提供的曝光量比值4。由此可見，雙膠片技術也不能使用。

采用厚度補償技術。根據圖1中工件的實際厚度為10mm，由于材質衰減系數差異原因，導致兩種等厚度異種材質工件有相當于10mm 的厚度差；考慮焊接方法及焊接余高等因素，制作了如圖4所示的厚度補償塊。厚度補償塊不同厚度過渡部位用砂輪機修磨圓滑，然后彎制成與工件曲率相近的弧形后緊貼工件放置進行厚度補償。此時焊接接頭不同部位有效透照范圍的透照厚度比Ks控制在了1.4以內。透照所得底片有效評定區的黑度控制在2.3～3.5的范圍內，符合標準JB／T 4730.2－2005的規定。

圖4 厚度補償塊示意圖

4 結論

通過對哈氏合金（C－176）與16Mn兩種材料對X 射線衰減特性的分析，初步得出兩種材料射線透照等效系數Ψ＝1.54～1.61，綜合考慮散射線的影響及不同厚度對散射比的影響，Ψ 值可能還要更大。

根據兩種材料的射線透照等效系數，選擇合適的透照條件，對兩種材料的射線透照等效系數進行了試驗。試驗結果表明兩種材料，在試驗的厚度范圍和射線能量范圍內的透照等效系數接近于2，且隨著工件厚度的增加而減小。

實際工件屬于大厚度比試件，射線透照檢測采取厚度補償技術特殊措施。根據射線透照等效系數，制作合適的厚度補償塊用于實際工件的射線透照檢測，射線底片黑度得到很好的控制，全部符合標準的規定，保證檢測結果的可靠性。

［1］ 強天鵬.射線檢測［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2007（4）：18－20，120.

［2］ 2010ASME Boiler and Pressure Vessels Code SectionⅡ：Materials［S］.

［3］ NB／T 47008－2010 承壓設備用碳素鋼和合金鋼鍛件［S］.