影響射線照相法檢測精度的因素分析

雷 鈞

(山西省機電設計研究院有限公司，山西 太原 030009)

0 引言

射線檢測是工業無損檢測的一個重要專業門類，其最主要的應用是探測試件內部的宏觀幾何缺陷(探傷)。按照不同特征如使用的射線種類、記錄的器材、工藝和技術特點等可將射線檢測分為射線照相檢測法、射線實時成像法、射線層折檢測法。其中射線照相法是指用X射線或γ射線穿透試件，以膠片作為記錄信息器材的無損檢測方法，該方法是一種應用最廣泛的最基本的射線檢測方法。射線照相法在鍋爐、壓力容器的制造檢驗和在用檢驗中得到了廣泛的應用,其檢測對象為各種熔化焊接方法(電弧焊、氣體保護焊、電渣焊、氣焊等)的對接接頭，也能檢查鑄鋼件,在特殊情況下也可用于檢測角焊縫或其他一些特殊結構試件;一般不適宜于鋼板、鋼管、鍛件的檢測,也較少用于釬焊、摩擦焊等焊接方法的接頭檢測。

射線照相法用底片作為記錄介質,可以直接得到缺陷的直觀圖像，通過觀察底片能夠比較準確地判斷出缺陷的性質、數量、尺寸和位置，且可以長期保存。射線照相法很容易檢出那些形成局部厚度差的缺陷,對氣孔和夾渣類缺陷具有很高的檢出率,對于裂紋類缺陷由于受到透照角度的影響，從而檢出率不是很高；不能檢出垂直照射方向的薄層缺陷，例如鋼板的分層。射線照相法所能檢出的缺陷高度尺寸與透照厚度有關，可以達到透照厚度的1%，甚至更小,所能檢出的長度和寬度尺寸分別為毫米數量級和亞毫米數量級，甚至更小。

射線照相法幾乎適用于所有的材料，在鋼、鈦、銅、鋁等金屬材料上使用均能得到良好的檢測效果，該方法對試件的形狀、表面粗糙度沒有嚴格要求,材料晶粒度對其不產生影響。但影響射線照相法檢測精度的因素很多,本文結合多年的實際工作經驗對此進行詳細分析。

1 射線照相法的檢測原理

X射線和γ射線都是波長極短的電磁波，從現代物理學波粒二象性的觀點看，也可將其視為一種能量極高的光子束流。X射線和γ射線通過物質時其強度逐漸減弱，射線強度的衰弱可表示為：

I=I0e-μT.

(1)

其中：I為通過物體后的射線強度；I0為未通過物體前的射線強度；μ為物質的衰減系數；T為物體的厚度。

物質的衰減系數隨射線的種類和線質的變化而變化，也隨穿透物質的種類和密度而變化。對X射線和γ射線來說，若穿透物質相同，則波長越短μ就越小；若波長相同，則穿透物質的原子序數越小μ就越小，物質密度越小μ也越小。顯然，μ值越小，即意味著射線穿透該物質越容易。

射線還有一個重要性質，就是能使膠片感光。當X射線或γ射線照射膠片時，與普通光線一樣，能使膠片乳劑層中的鹵化銀產生潛象中心，經過顯影和定影后就黑化，接收射線越多的部位黑化程度越高，這個作用叫做射線的照相作用。因為X射線或γ射線使鹵化銀感光作用比普通光線小得多，所以必須使用特殊的膠片，這種膠片的兩面都涂敷了較厚的乳膠。此外，還使用一種能加強感光作用的增感屏，其通常由鉛箔做成。

了解了射線穿過物質的衰減作用和照相作用后，就不難理解射線照相法的檢測原理了，材料中如有缺陷存在會影響射線的吸收，使透過的射線強度發生變化，用膠片可測量出這一變化。如圖1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時射線強度為I,曝光得到的底片黑度為D；而射線穿透有缺陷部位時射線強度為I+ΔI(ΔI為射線穿透有缺陷部位的強度)，曝光得到的底片黑度為D+ΔD(ΔD為射線照相對比度)。將曝過光的膠片在暗室中經過顯影、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判斷出有無缺陷，以及缺陷的種類、數量、大小等，這就是射線照相法的原理。

圖1 射線照相法檢測原理

2 影響射線照相法檢測精度的因素

影響射線照相法檢測精度的因素有很多，主要包括：照相的操作、照相規范的確定、像質計(透度計)的應用、底片的評定。

2.1 照相的操作

照相的操作步驟如下：首先把被檢的物體安放在離X射線裝置或γ射線裝置50 cm到1 m的位置處，將膠片盒緊貼在被檢物體的背后，讓射線照射適當的時間(幾分鐘至幾十分鐘)進行曝光；然后將曝光后的膠片在暗室中進行顯影、定影、水洗和干燥；隨后將干燥的底片放在觀片燈的顯示屏上觀察,根據底片的黑度和圖像來判斷存在缺陷的種類、大小和數量；最后按通行的標準對缺陷進行評定和分級。

2.2 照相規范的確定

要得到一張清晰的高質量的射線照相底片，必須確定照相規范，使小缺陷能夠在底片上盡可能明顯地辨別出來，即照相要達到髙靈敏度。為得到高的缺陷檢出率，照相規范的確定應遵循以下幾點原則：

2.2.1 透照方式的選擇

按射線源、工件和膠片之間的相互位置關系，透照方式分為縱縫透照法、環縫外透法、環縫內透法、雙壁單影法和雙壁雙影法五種，如圖2所示。其中環縫外透法和環縫內透法是最常用的透照方法,雙壁雙影法只適用于Φ100 mm以下管子的對接環焊縫,除了管道和無法進入內部的小直徑容器只能采用雙壁雙影法透照外，大多數容器殼體的焊縫照相都釆用雙壁單影法透照，透照時既可以將射線源放在外面而膠片貼在內壁,稱為外透法,也可以將射線源放在里面而膠片貼在外面，稱為內透法,內透法按射線源在不在圓心,又分為中心法和偏心法。外透法的優點是操作比較方便，內透法的優點是透照厚度差小，在滿足透照厚度比K值的情況下，一次透照長度較大。選擇透照方式時，應綜合考慮各方面的因素，包括透照靈敏度、缺陷檢出的特點、透照厚度差和橫向裂紋檢出角、一次透照長度、操作方便性、試件及設備的具體情況。

圖2 焊縫透照方式示意圖

2.2.2K值的控制

物體的厚度T與射線透照厚度T′的比值稱為透照厚度比，用K值表示，即:

K=T′/T.

(2)

焊縫透照厚度比示意圖如圖3所示。標準NB/T47013.2—2015《承壓設備無損檢測第2部分:射線檢測》規定：鍋爐壓力容器、壓力管道焊縫射線照相，縱縫的K值不得大于1.03,環縫的K值不得大于1.1。限制K值，也就間接控制了橫向裂紋檢出角θ(θ=arc cos(I/K))，使之不致過大,過大的θ有可能導致橫向裂紋漏檢。采用射線源在內的透照方式，其選用的θ比射線源在外方式小得多，尤其是射線源在中心的內透法，K值取1、θ取0是最佳透照方式。

圖3 焊縫透照厚度比示意圖

2.2.3 射線源的選擇

選擇射線源的首要因素是射線源發出的射線對被檢物體具有足夠的穿透力。對X射線來說，穿透力取決于管電壓，管電壓越高則射線的質越硬，在物體中的衰減系數越小，穿透力越大。對γ射線來說，穿透力取決于放射源的種類,由于放射性同位素發出的射線能量不可改變,用高能量射線透照厚度較小的物體時會出現靈敏度下降的情況,因此需要規定透照厚度的上限和下限。

選擇射線源時，還需注意X射線和γ射線的照相靈敏度差異，實驗表明：在鋼板的厚度≤40 mm情況下，用Irl92γ射線透照所得射線底片的對比度不如X射線底片，以25 mm厚鋼板為例,前者的對比度大約比后者要低40%。對比度自然影響到了像質計的靈敏度,因此，40 mm以下厚鋼板用Irl92γ射線透照所得像質計靈敏度不如X射線所得像質計靈敏度，但對40 mm以上厚鋼板，則兩者的像質計靈敏度值大致相同。

除了穿透力和靈敏度外，X射線和γ射線的其他特點也是需要考慮的因素。

2.2.4 透照距離的選擇

射線源到膠片的距離稱為焦距F，其對射線照相靈敏度的影響主要表現在幾何不清晰度Ug上，由Ug=dfT′/(F-T′)(其中,df為射線源的直徑)可知,F越大，Ug越小，底片上的影像越清晰。從減小Ug這一點上來看，選擇較小的df可得到與增大F相同的效果，因此在實際的透照中選擇F的同時需要考慮df。

焦距F的選擇有時還與試件的幾何形狀以及透照方式有關，如為了得到較大的一次透照長度和較小的橫向裂紋檢出角，在采用雙壁單影法透照環縫時往往選擇較小的F；而采用環縫中心內透法時，F就是筒體的外半徑。

實際透照時一般不采用設備的最小焦距值，所用的F比最小焦距值要大得多，這是因為透照場的大小與焦距相關，焦距增大后勻強透照場范圍增大，這樣可以得到較大的有效透照長度，同時影像清晰度也得到進一步提高。但是由于射線強度I與焦距F的平方成反比，因此不能把焦距選得過大，不然透照時射線強度不夠。焦距應在滿足幾何清晰度要求的前提下合理選擇，一般焦距選擇在600 mm～800 mm之間最為合適。

2.2.5 曝光量的選擇

射線強度I與曝光時間t的乘積稱為曝光量E，即：

E=It.

(3)

曝光量是射線透照工藝中的一項重要參數，曝光量的大小應能保證足夠的底片黑度。在透照時，如果其他各項條件(試件及尺寸、射線源或管電壓、膠片和增感屏、焦距等)已確定，則底片黑度與曝光量有很好的對應關系，因此可以通過改變曝光量來控制底片黑度。

曝光量不只影響底片黑度，也影響底片的對比度、顆粒度以及信噪比，從而影響底片上記錄的最小細節尺寸。為保證底片的質量，曝光量應不低于某一最小值，推薦使用的曝光量如下：高靈敏度選擇30 mA·min，中等靈敏度選擇20 mA·min，一般靈敏度選擇15 mA·min。

2.2.6 膠片和增感屏的選擇及底片黑度的控制

通常照相時是將厚度為0.03 mm～0.2 mm的鉛箔增感屏與非增感型膠片一起使用，鉛箔吸收射線而放出二次電子，這種電子易使膠片感光，因此使用鉛箔時感光度可提高2倍～5倍。而且由于鉛箔吸收散亂射線，能使散射比n減小，從而提高底片的對比度。

非增感型膠片有多種，低感光度的膠片有較大的膠片梯度G，而且粒度細，其底片對比度也大。底片黑度D一般規定為1.5～4.0，黑度D值增大，膠片梯度G值也增大，因此，一般來說，應使底片黑度D大些，但黑度大于4.0觀片燈有時就不容易看清了，所以底片黑度也不宜太大。為此，除了選擇質量好的細顆粒膠片外，還要取得好的射線照相對比度和清晰度。

(1) 射線照相對比度是指射線底片上有缺陷部分與無缺陷部分的黑度差，用ΔD表示，即：

ΔD=D1-D2=0.434μGΔT/(1+n).

(4)

其中：D1為底片上有缺陷部分黑度；D2為底片上無缺陷部分黑度。

從式(4)可以看出：如果所選擇的透照規范μ值和G值大，n值小，則得到的缺陷圖像對比度就高。

(2) 射線照相清晰度是指底片上圖像的清晰程度，它主要由兩部分組成，即固有不清晰度Ui和幾何不清晰度Ug。Ui與射線能量有關，能量越高，Ui越大。Ug的產生是因為射線源具有一定尺寸，不是一個點，因此在缺陷的圖像周圍就會產生半影，當缺陷橫向尺寸遠小于焦點時，缺陷圖像就會淹沒于半影中，缺陷就難以看清了。缺陷的最大半影尺寸稱為缺陷的幾何不清晰度Ug，表示為：

(5)

其中:b為工件表面到膠片的距離。

從式(5)可以看出：焦距F越大，半影越小；df越小，半影越小；b越小，半影越小。即工件越薄，膠片貼得越緊,清晰度越好，射線源越小，焦距越大，清晰度越好。

2.3 像質計(透度計)的應用

為了評定底片的靈敏度，需要采用像質計，像質計是用來檢查透照技術和膠片處理質量的，衡量該質量的數值稱為像質指數，它等于底片上能識別出的最細鋼絲線的編號。標準NB/T47013.2—2015《承壓設備無損檢測第2部分:射線檢測》規定：使用粗細不同的幾根金屬絲等距離排列做成的線型像質計，用底片上必須顯示的最小鋼絲直徑與相應的像質指數來表示照相的靈敏度。所謂射線照相的靈敏度是射線照相能發現最小缺陷的能力，其分為絕對靈敏度和相對靈敏度。絕對靈敏度是指射線透照某工件時能發現最小缺陷的尺寸，相對靈敏度是指透照方向上所能發現缺陷的最小厚度尺寸ΔT與該處的穿透厚度T′的百分比。目前標準規定的像質指數換算成相對靈敏度其值大約在1%～2%之間。

2.4 底片評定

底片評定是射線照相的最后一道工序，也是最重要的一道工序。通過觀片燈觀察底片，首先應評定底片本身質量是否合格，在底片合格的前提下，再對底片上的缺陷進行定性、定量和定位，對照標準評出工件質量等級，寫出探傷報告。

對底片的質量要求包括：

(1) 底片的黑度應在規定范圍內，影像清晰，反差適中，靈敏度符合標準要求，即能識別規定的像質指數。現行的射線檢測標準中，底片黑度下限一般規定為1.5～2.0,上限一般為4.0～4.5。

(2) 標記齊全，擺放正確。必須擺放的標記有設備號、焊縫號、底片號、中心標記和邊緣標記等，標記應距焊縫邊緣5 mm。

(3) 評定區內無影響評定的偽缺陷，即劃傷、水跡、折痕、壓痕、靜電感光、顯影斑紋、霉點等。

3 結語

射線照相法在鍋爐、壓力容器的制造檢驗和在用檢驗中得到了廣泛的應用,其用底片作為記錄介質,由于底片上記錄的信息十分豐富，通過觀察底片能夠比較準確地判斷出缺陷的性質、數量、尺寸和位置，且底片可以長期保存，具有可追溯性，從而射線照相法成為各種無損檢測方法中記錄最真實、最直觀、最全面、可追溯性最好的檢測方法。但射線對人體有傷害,檢測人員需要采取防護措施。