核電PTR儲罐下封頭帶墊板對接焊縫射線檢測底片的黑線影像

王俊龍，張 洋，楊建龍，劉子淇

(核工業工程研究設計有限公司,北京 101300)

某核電站反應堆換料水池和乏燃料水池冷卻和處理系統(PTR儲罐)下封頭發生泄漏事件，因此后續對該堆型核電的PTR儲罐焊接工藝進行了改進，將焊接工藝由搭接焊改成帶墊板的對接焊工藝，并新增了射線檢測。變更前只需進行100%滲透檢測(PT)和100%泄漏檢測(LT)，變更后檢測方法增加了100%射線檢測(RT)。PTR儲罐下封頭位置受限，為滿足射線檢測條件，設計增加了矩形檢測通道，其規格為12 000 mm×200 mm×100 mm(長×寬×高)，因此，PTR儲罐下封頭對接焊采用帶墊板的焊接工藝(見圖1)。PTR儲罐下封頭材料為鎳基合金不銹鋼，其厚度為6 mm，矩形探傷通道壁厚為6 mm。射線檢測時，發現底片中容易出現黑線形狀的異常影像，筆者對該現象展開了研究。

圖1 帶墊板的對接焊縫結構示意

1 底片黑線影像特征

射線檢測時大量的底片中會出現兩種黑線影像(見圖2)，圖2(a)中，一種黑線影像位于距離焊縫中心線兩側1 mm范圍內(有時也只出現在焊縫中心線單側)，該影像有時酷似線狀、條狀缺陷的影像，且平行于焊縫，還伴有羽毛狀條紋，出現條狀黑線影像的焊縫中心黑度低于焊縫其他部位的[1]；圖2(b)中，另一種黑線影像位于焊縫坡口根部邊緣附近，一般會出現在整條焊縫的兩端，由于焊縫背面帶墊板，無法對照其外觀進行核實。

圖2 射線檢測底片中出現的黑線影像

2 黑線影像分析

2.1 宏觀金相檢驗

在鄰近焊縫中心線位置的黑線和坡口根部邊緣附近位置的黑線處各截取了一個試樣，同時也在沒有黑線顯示的位置截取了一個試樣，對3個試樣進行宏觀金相檢驗(見圖3)。結果表明，圖3(a)，3(b)，3(c)中均未發現焊接缺陷，僅在圖3(c)中發現墊板與PTR底板貼合不緊密，存在一定的間隙，且PTR底板坡口位置向內傾斜并帶有一定的幅度[見圖3(c)中紅圈位置]。初步分析可知，造成底板向內彎曲變形的原因有兩種：① 焊接熱輸入不均勻造成的收縮變形；② 底板被剪板機剪切時造成的變形。由于PTR底板局部有彎曲的部分,無法與墊板貼合緊密，就會形成一定的空間；射線檢測時，由于空氣的密度和鋼的密度不同，透過完好工件的透射線強度與透過帶有空氣工件的透射線強度不一致，所以在底片上形成了黑線影像[2]。

圖3 試樣的宏觀金相檢驗結果(15×)

通過宏觀金相分析可知，圖3(b)中位于焊縫中心1 mm以內的黑線，不是由焊接缺陷造成的影像，同時薄壁不銹鋼焊縫容易產生衍射現象，因此，初步判斷此種黑線可能是衍射影像，后續將通過相關試驗進一步驗證其是否為衍射影像。從圖3的宏觀金相檢驗結果中并未發現焊接缺陷，僅發現了PTR底板與墊板貼合不緊密形成的間隙，由此可見，該間隙是產生黑線的根本原因。該黑線影像不具備根部未熔合的底片影像特征，不在根部焊趾線上，靠近母材側沒有明顯鈍邊加工痕跡的影像，靠近焊縫中心側也不呈曲齒狀，黑度也不減小。根部未熔合影像一般在焊縫根部焊趾線上，靠近母材側有明顯的鈍邊加工痕跡的影像，靠近焊縫中心側呈曲齒狀，且黑度減小[1]。

2.2 微觀金相檢驗

對上述3個解剖試樣進行顯微金相分析，放大倍數為200倍，3個試樣墊板間隙的金相檢驗結果如圖4所示。結果表明，3個試樣中也未發現微觀焊接缺陷，在沒有黑線顯示區域和焊縫中心線位置附近有黑線區域，PTR板與墊板間隙很小，幾乎可以忽略不計[見圖4(a)，4(b)]；而坡口根部邊緣位置附近黑線顯示區域底板與墊板之間的間隙非常大[見圖4(c)]，在宏觀金相檢驗時(放大倍數為15倍)就已經能清晰地分辨。由此可知，小的間隙沒有在底片上產生黑線影像，較大的間隙會在底片上形成黑線影像，通過解剖試驗也證實坡口根部邊緣位置附近產生的黑線影像不是根部未熔合，只是由工件結構異?；蛘叩装迮c墊板貼合不緊密產生的間隙所導致的。

圖4 3個試樣墊板間隙的金相檢驗結果(200×)

3 衍射影像辨識與去除

通過宏觀和顯微金相分析，驗證了焊縫坡口根部邊緣位置附近射線檢測影像中黑線產生的原因，但并未發現焊縫中心黑線產生的原因，考慮焊縫中心區域的黑線顯示為衍射影像。衍射影像常位于焊縫中心線兩側，且距離焊縫中心線一般不超過1 mm，該影像有時似線狀、條狀缺陷影像，且平行于焊縫，還伴有羽毛狀條紋，出現條狀黑線影像的焊縫中心黑度低于焊縫其他部位。

與真實的焊接缺陷影像相比，衍射影像有以下幾個特點：① 圖像比較虛；② 影像輪廓線并不是很清晰；③ 焊縫中心會出現亮度區；④ 距離焊縫中心線不超過1 mm；⑤ 條狀黑線與焊縫縱向平行或羽毛狀與焊縫波紋平行[2]。另外，還可通過試驗來確定黑線影像是否為衍射影像，衍射影像可以通過改變X射線入射角度和管電壓的方法來消除，而改變X射線入射角度和管電壓對真實的焊接缺陷影響不大[3]。

筆者改變了X射線入射角度并進行試驗，X射線入射角度為90°時，黑線影像顯示清晰；X射線入射角度為80°時，黑線影像顯示模糊；X射線入射角度為70°時，黑線影像消失。改變X射線管電壓并進行試驗，管電壓為120 kV時，黑線影像顯示清晰；管電壓為150 kV時，黑線影像顯示模糊；管電壓為180 kV時，黑線影像消失。試驗結果表明，衍射影像可通過改變X射線入射角度和管電壓來消除。

4 結語

綜上所述，對不銹鋼薄板帶墊板的對接焊焊縫，采用X射線透照時，底片上不僅會出現宏觀的焊接缺陷影像，還會出現因PTR底板與墊板貼合不緊密產生的間隙影像和晶體的衍射影像。衍射影像可以通過改變X射線入射角度和改變電壓的方法來消除，焊接缺陷則不能。對于焊接缺陷影像、衍射影像和PTR底板與墊板間隙影像的判定，評片人員可以通過對工件材料、焊接工藝、透照條件等因素進行綜合分析,進而給出正確的評判結果。