CIVA軟件仿真平臺在射線檢驗中的應(yīng)用

魏 鵬，嚴(yán) 宇，張東輝，楊會敏，劉麗麗，張曉峰

（核工業(yè)工程研究設(shè)計有限公司，北京 101300）

目前，國外無損檢驗?zāi)M和仿真研究一方面集中在以解析方法為主的開發(fā)工業(yè)應(yīng)用軟件系統(tǒng)，目的是進行檢測工藝及可行性、可靠性分析，以降低檢測成本，提高效率；另一方面是采用數(shù)字方法進行模擬和仿真，針對現(xiàn)代工業(yè)廣泛應(yīng)用的各向異性材料和對特殊結(jié)構(gòu)件進行檢測研究，提高檢測精度，拓寬無損檢測的應(yīng)用范圍。CIVA 軟件是應(yīng)用于無損檢驗的專業(yè)仿真平臺，它由仿真、成像和分析模塊組成，主要用于超聲、射線和渦流仿真。國內(nèi)多家無損檢驗機構(gòu)都引進了CIVA 無損檢驗仿真平臺，主要針對超聲波檢驗進行了相關(guān)研究工作。CIVA 無損檢驗仿真平臺因其豐富的內(nèi)容和強大的性能在無損檢驗領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其仿真結(jié)果很好地在實際檢測中得到了驗證，與實際情況接近程度很高，可以很好地指導(dǎo)工藝的開發(fā)。

在核電站安裝、役前和在役檢查中，射線檢驗是判定焊口是否合格的重要檢測手段，若通過計算機仿真技術(shù)對檢測工藝進行模擬驗證和優(yōu)化，可以避免由于工藝參數(shù)設(shè)置等原因造成的重復(fù)探傷，為現(xiàn)場安裝其他工種作業(yè)爭取更多的時間，另一方面，也節(jié)約了檢驗材料、人力和輻射防護成本。筆者對板對接和管對接焊縫的射線檢驗過程進行仿真，研究射線源、透照方式、曝光次數(shù)等因素對底片的影響，研究CIVA 仿真平臺在射線檢驗中的應(yīng)用。

1 試驗對象及CIVA建模仿真

1.1 板對接焊縫

選用厚度為12 mm 和16 mm 的對接焊縫試板，使用γ射線源（Ir192）、X 射線源兩種射線源分別對板對接焊縫進行射線檢驗過程模擬仿真，如圖1所示，在保證底片黑度相近的前提下，觀察和分析射線源對底片影像的影響。

圖1 板對接焊縫射線檢驗仿真

1.2 管對接焊縫

選用規(guī)格為φ406.4mm×4.78mm 的管對接焊縫，采用γ射線源（Ir192），分別對管對接焊縫中心曝光、單壁透照、雙壁單影射線檢驗過程進行模擬仿真，圖2所示，研究透照方式對底片質(zhì)量的影響。

選用規(guī)格為φ273 mm×25.4 mm 的管對接焊縫，在該焊縫中插入兩處缺陷，采用γ 射線源（Ir192）、雙壁單影法，對管對接焊縫射線檢驗過程進行模擬仿真，研究曝光次數(shù)對底片質(zhì)量的影響。

2 CIVA仿真結(jié)果及分析

2.1 射線源對底片影像影響

表1是采用γ和X 射線源對厚度為12mm 和16mm的平板對接焊縫進行射線仿真的透照參數(shù)，圖3和圖4分別是相應(yīng)的射線仿真后的底片影像，結(jié)合表1和圖3、4可以看出，采用X 射線透照時，透照時間短，底片影像具有較高的對比度和清晰度。分析認(rèn)為，選擇射線源的首要因素是射線源所發(fā)出的射線對被檢試件具有足夠的穿透能力，γ射線源可穿透的最大厚度可達(dá)100mm，250kV的X射線源可穿透的最大厚度達(dá)25mm，可以滿足試驗要求；γ射線源比X射線源有效能量大，線質(zhì)較硬，衰減系數(shù)較小，導(dǎo)致底片的對比度降低；底片的固有不清晰度和顆粒度取決于射線能量，隨射線源能量增大而增大，導(dǎo)致射線照相靈敏度下降。另外，選擇γ射線源首先考慮其穿透厚度范圍，γ射線透照厚度規(guī)定了上下限，這是由于放射性同位素發(fā)出的射線能量不可改變，而用高能量射線透照薄工件時會出現(xiàn)靈敏度下降的情況［1］。

對于40mm 以下的鋼板，用γ射線源透照所得射線底片的對比度不如X射線底片，用γ射線源透照所得像質(zhì)計靈敏度不如X射線所得像質(zhì)計靈敏度［2］。因此，射線源的選擇對射線檢驗工藝有很大影響，在保證射線穿透力和底片黑度值允許范圍的前提下，選擇能量較低的射線進行射線照相，那么X射線優(yōu)先選擇［3－4］。

圖2 管對接焊縫射線檢驗方式模擬仿真

表1 平板對接焊縫透照參數(shù)

圖3 T 為12mm 厚平板對接焊縫射線透照影像對比

圖4 T 為16mm 厚平板對接焊縫射線透照影像對比

2.2 透照方式對底片質(zhì)量的影響

表2 和圖5 是采用γ 射線源對規(guī)格為φ406.4mm×4.78 mm 的管對接焊縫進行中心透照、雙壁單影和單壁透照的透照參數(shù)和底片影像。從表2可知，在γ射線源活度相同，保證黑度在允許范圍的前提下，三種透照方式的曝光次數(shù)、焦距和曝光時間依次增加，其中中心透照的優(yōu)勢更加明顯，可通過一次曝光實現(xiàn)4張膠片同時透照，且時間非常短，可有效提高工作效率。結(jié)合表2和圖5可知，中心透照和雙壁單影的底片黑度變化范圍較單壁透照小很多，有利于滿足標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范中要求的黑度允許范圍。原因分析為：當(dāng)中心透照時，透照厚度均一，透照厚度差最小，同時焦距最小，透照厚度為單壁，因此底片黑度比較均勻，變化范圍小，透照時間短；雙壁單影透照時，雖然射線源相當(dāng)于在管件圓弧面以內(nèi)，但由于焦距較中心透照增加一倍，射線需穿過兩倍壁厚才能到達(dá)膠片，且透照厚度存在厚度差，因此曝光次數(shù)、曝光時間和底片黑度范圍會相應(yīng)增加；源在外單壁透照時，由于透照厚度差較大，同時為了能夠最大程度的減少曝光次數(shù)，提高工作效率，需增大焦距，因此曝光時間增加，底片黑度變化范圍較大。所以在對管道環(huán)焊縫進行射線檢驗時，在滿足幾何不清晰度的前提下，可根據(jù)條件依次選擇中心透照、雙壁單影和單壁透照，可通過CIVA仿真平臺進行模擬仿真，以優(yōu)化射線檢驗工藝。

表2 管對接焊縫透照參數(shù)

圖5 不同透照方式透照參數(shù)及底片影像

2.3 曝光次數(shù)對底片的影響

針對規(guī)格為φ273mm×25.4 mm 的管道對接焊縫，采用雙壁單影透照方式，對其射線檢驗過程進行CIVA 模擬仿真，仿真過程為在焊縫中插入兩處缺陷，具體位置及尺寸如圖6和表3所示。根據(jù)缺陷在底片中顯示的位置，在其他透照參數(shù)相近的條件下，分別曝光4、5、6、7、8次，仿真缺陷物理模型及缺陷在底片中的顯示如圖6和圖7所示，曝光次數(shù)對底片中缺陷顯示的影響如圖8所示。從表3中可以看出，按照RCC－M 1級焊縫驗收標(biāo)準(zhǔn)［5］，曝光4次時，底片缺陷顯示合格，當(dāng)曝光5、6、7、8次時，底片缺陷顯示不合格。由表3和圖7可以得出，當(dāng)缺陷顯示在底片有效評定區(qū)域邊緣位置時，對處在不同深度的相鄰兩缺陷在底片上成像的間距有較大的影響，隨著曝光次數(shù)的增加，一次透照長度減小，兩缺陷間距減小，且缺陷間距變化率減小，曲線逐漸變緩。因此，曝光5、6、7、8次時，由于缺陷間距減小，缺陷間距小于較小缺陷長度的6倍，將缺陷一和缺陷二視為一個缺陷，并加上兩缺陷的間距，因此判定為不合格。因此，可應(yīng)用CIVA 仿真平臺優(yōu)化射線檢驗的曝光次數(shù)。

圖6 仿真缺陷物理模型

圖7 缺陷在底片中的顯示

圖8 曝光次數(shù)對底片中缺陷顯示的影響

表3 射線檢驗CIVA仿真結(jié)果數(shù)據(jù)表 mm

3 結(jié)語

通過CIVA 仿真平臺研究放射源、透照方式、曝光次數(shù)等參量對射線檢驗底片影像的影響，可知CIVA 仿真平臺可以有效再現(xiàn)射線檢驗過程，仿真結(jié)果與實際情況接近程度很高，可以很好地應(yīng)用于射線檢測工藝的優(yōu)化和開發(fā)，同時在提高公司無損檢驗技術(shù)水平、提升檢測質(zhì)量及檢測效率、改善檢驗人員工作環(huán)境、縮短射線檢驗工期等方面也將會有很好的應(yīng)用價值。

［1］強天鵬.射線檢驗：第2版［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2007.

［2］JB／T4730.2－2005《承壓設(shè)備無損檢驗 第2 部分：射線檢驗》［S］.

［3］李衍，鄭世才.焊縫射線照相檢驗［J］.無損檢驗，2004，26（4）：202－212.

［4］李家偉.無損檢驗手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

［5］RCC－M（2000＋2002補遺）《壓水堆核電站核島機械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則》［S］.