管道環(huán)焊縫數(shù)字射線成像檢測最少透照次數(shù)的確定

劉長山

(四川迪派銳科技有限公司，綿陽 621000)

國內現(xiàn)行的數(shù)字射線成像檢測常用標準主要有GB/T 3323.2-2019,NB/T 47013.11-2015,SY/T 4109.5-2013等，選擇管道環(huán)焊縫數(shù)字射線成像的最少透照次數(shù)時幾乎都是參照膠片射線檢測標準，但是直接引用會存在很大的局限性，主要是因為平板探測器呈剛性，無法像膠片一樣緊貼焊縫，且出于對平板探測器安全的考慮，其需要與焊縫表面保持一定距離，這樣存在的幾何放大效應遠遠大于膠片檢測的，因此必須要考慮進行搭接，以避免漏檢的情況發(fā)生，此外平板探測器有效成像長度很有限，常用的大面積平板探測器有效成像長度約為300 mm，這就進一步影響了透照次數(shù)。管道環(huán)焊縫射線檢測的主要透照方式為雙壁單影透照和中心內透照兩種，從理論或標準角度考慮，兩種方式最少透照次數(shù)所涉及的控制指標主要有幾何不清晰度、橫向裂紋檢出角、幾何放大倍數(shù)比、平板探測器的有效成像長度以及X射線機輻射場范圍等，筆者依據標準SY/T 4109.5-2013分別對兩種透照方式影響透照次數(shù)的控制指標進行逐條分析。

1 雙壁單影透照方式最少透照次數(shù)的計算

利用數(shù)字射線成像技術對環(huán)焊縫進行雙壁單影透照的透照布置如圖1所示。

圖1 雙壁單影透照布置示意

1.1 滿足幾何不清晰度的最少透照次數(shù)N1

圖1中，線段AC≈GI，則

(1)

(2)

根據標準SY/T 4109.5-2013要求有

1≥10d·2·T-1/3

(3)

則解出滿足幾何不清晰度的最少透照次數(shù)

N1=π/α

(4)

1.2 滿足K值(控制橫向裂紋檢出角)的最少透照次數(shù)N2

可以采用公式計算[1]或直接查標準附錄的最少透照次數(shù)圖來確定最少透照次數(shù)N2。因為計算公式和標準附錄的最少透照次數(shù)圖均以膠片射線照相檢測為基礎，計算焦距F時未考慮h，所以計算數(shù)字射線成像檢測的最少透照次數(shù)時，需要將F-h作為公式中或查圖縱坐標中的F值，代入計算公式求出N2。

1.3 滿足幾何放大倍數(shù)比的最少透照次數(shù)N3

標準SY/T 4109.5-2013，GB/T 3323.2-2019均規(guī)定了最大幾何放大倍數(shù)Mmax與最小幾何放大倍數(shù)Mmin之比應不大于1.25，即

Mmax=F/1

(5)

Mmin=F/(φo+H)

(6)

Mmax/Mmin≤1.25

(7)

因此

N3=π/α

(8)

1.4 滿足探測器有效成像長度的最少透照次數(shù)4

SY/T 4109.5-2013及NB/T 47013.11-2015標準均規(guī)定分段透照時，兩邊相鄰搭接長度ΔL不小于10 mm，根據幾何關系

(9)

(10)

(11)

N4=π/α

(12)

式中:l為圖1中D點到M點的距離；N4為最大長度對應的最小透照次數(shù)。

1.5 輻射場范圍對最少透照次數(shù)的影響

雙壁單影透照一般使用定向X射線機，按靶面角度(定向X射線機固有的半輻射角)為20°計算，則有效輻照場長度為2Ftan 20°≈0.73F，對于常規(guī)透照，其遠大于有效評定長度Leff，因此除小徑管平移法雙壁雙影橢圓成像外，可以不考慮輻射場的影響。

1.6 小結

綜上，N1，N2，N3，4向上取最小整數(shù)值，然后選擇4個數(shù)值中最大值作為雙壁單影透照最終的最少透照次數(shù)N，并可得半圓心角α=π/N；一次透照長度L3=πφo/N。由于探測器與探測器側管道外壁存在一定距離(h)，且探測器為剛性平面，因此探測器采集的數(shù)字圖像上有效評定長度Leff要大于L3，可根據幾何關系求出Leff，即

Leff=Fφisinα/1

(13)

現(xiàn)以雙壁單影透照φ813 mm×22 mm(外徑×公稱厚度)管道環(huán)焊縫為例計算平板探測器滿足SY/T 4109.5-2013標準的最少透照次數(shù)N及有效評定長度Leff。對于典型的管道環(huán)焊縫雙壁單影透照數(shù)字射線自動檢測系統(tǒng)，d為3 mm，H為250 mm，h為25 mm，L為305 mm，k為1.1。

根據1.11.4節(jié)分別求得N1=7，N2=5，N3=4，4=10，因此最少透照次數(shù)為10次，對應的α=18°，有效評定長度Leff=268.27 mm，每邊的搭接長度ΔL=18.37 mm。使用SOLIDWORKS軟件進行構圖驗算，當N=10時，α=17.99°，k=1.02，1=1 020.84 mm，2=67.16 mm，有效評定長度Leff=261.91 mm，每邊的搭接長度ΔL=21.54 mm，可見誤差并不大，且文章中計算的ΔL比真實ΔL小，更加有利于缺陷的檢出。

由N1,N2,N3,4可知，按不同條件演算出的最少透照次數(shù)差距很大，原因在于管徑曲率的影響和探測器有效成像長度的限制。對于直徑較大管道(φo≥508 mm;常用厚度)，實際應用可以直接計算N2，4，然后取最大值作為最少透照次數(shù)，一般可以滿足標準要求。

2 中心內透照方式最少透照次數(shù)的計算

利用平板探測器對環(huán)焊縫進行中心內透照的透照布置如圖2所示。

圖2 中心內透照布置示意

2.1 滿足幾何不清晰度的最少透照次數(shù)N5

圖2中，CD≈2，則

(14)

(15)

根據標準SY/T 4109.5-2013有

1≥10d·2·T-1/3

(16)

則滿足幾何不清晰度的最少透照次數(shù)

N5=π/α

(17)

CD為圖中C點到D點的距離。

2.2 滿足幾何不清晰度的最少透照次數(shù)N6

計算原理與上節(jié)相同，則有

Mmax=F/1

(18)

(19)

Mmax/Mmin≤1.25

(20)

N6=π/α

(21)

2.3 滿足探測器有效成像長度的最少透照次數(shù)N7

計算原理與上節(jié)相同，則有

(22)

N7=π/α

(23)

2.4 小結

綜上，N5，N6，N7向上取最小整數(shù)值，然后選擇3個數(shù)值中的最大值作為中心內透照最終的最少透照次數(shù)N，并可得半圓心角α=π/N及一次透照長度L3=π·φo/N。然后根據幾何關系求出Leff，即

Leff=F·φi·sinα/1

(24)

現(xiàn)以中心內透照φ1 422 mm×25 mm(外徑×壁厚)管道環(huán)焊縫為例計算平板探測器滿足SY/T 4109.5-2013標準的最少透照次數(shù)及有效評定長度。對于典型的管道環(huán)焊縫中心內透照數(shù)字射線自動檢測系統(tǒng)，d為3 mm，h為25 mm，L為305 mm。

根據2.12.3節(jié)分別求得N5=16，N6=6，N7=17，因此最少透照次數(shù)取17，對應的α=10.59°，有效評定長度Leff=275.60 mm，每邊的搭接長度ΔL=14.70 mm。同樣使用SOLIDWORKS軟件進行構圖驗算，當N=17時，α=10.58°，1=674.33 mm，2=61.67 mm，有效評定長度Leff=275.02 mm，每邊的搭接長度ΔL=14.99 mm，可見誤差并不大。

3 結語

標準SY/T 4109-2013附錄G中確定最少透照次數(shù)的公式綜合考慮了幾何不清晰度和探測器固有不清晰度，但是由于涉及隱函數(shù)較多，求解很復雜，此外圖像不清晰度(分辨率)可以使用補償原則進行補償，也可以使用雙線型像質計直接測定，因此并未考慮此方法。筆者所用方法借助EXCEL軟件或者數(shù)學軟件構建關系，可以方便、快捷地確定管道環(huán)焊縫的最少透照次數(shù)，比直接參照射線膠片照相檢測相關標準來確定最少透照次數(shù)更加嚴謹，可為從事環(huán)焊縫數(shù)字射線成像檢測的人員提供參考。