某空分冷箱鋁鎂合金壓力管道的DR檢測

李婧琳 黃煥東 王 杜 錢盛杰 沈正祥

（寧波市特種設備檢驗研究院 寧波 315000）

鋁鎂合金壓力管道廣泛應用于我國沿海地區(qū)的化工廠空分冷箱內，其材質為LF2/LF2－M。而空分設備的安全運行時間取決于壓力管道對接焊縫的焊接質量。在其制造過程中，常規(guī)目視檢查和表面檢測無法查出焊縫內部缺陷，給空分冷箱的安全使用埋下了隱患。目前，壓力管道焊縫內部缺陷檢測主要使用X射線檢測技術，其中數字射線檢測技術DR（Digital Radiography）能在曝光量較低的條件下，直接獲取優(yōu)質的檢測圖像［1］，且兼具較高的安全性和工作效率，目前得到了越來越廣泛的應用。NB/T 47013.11—2015《承壓設備無損檢測 第11部分：X射線數字成像檢測》中，并未明確給出針對對接焊縫檢測的技術要求［2－3］。在實際檢測中，如何保證設備合理使用、確保檢驗工作進展順利，如何處理鋁鎂合金焊縫與常規(guī)碳鋼焊縫在檢測時的射線檢測工藝參數不同等問題相關研究卻很少。

1 數字射線DR檢測技術介紹

近年來，DR成像檢測成了一種比較成熟的數字成像技術，采用X射線對數字成像板進行曝光，通過采集轉換為數字信號轉化到計算機中，數字信號被計算機重建為可視影像，實現在顯示器上顯示、觀察和評定［3－4］。X射線具有穿透性和衰減性，當X射線通過數字探測器時，就能直接獲取被顯示和記錄的數字圖像，DR檢測原理示意如圖1所示［5］。檢測時，X射線透照過被檢物體后，其強度發(fā)生變化，數字探測器將接收到的衰減射線光子轉換為電子，電路讀取電子后進行數字化處理，然后將信號數據發(fā)送至計算機系統(tǒng)形成可顯示、存儲和分析處理的圖像，從而實現圖像的數字化［6］。

圖1 DR檢測原理示意圖

DR成像技術的核心部分是平板探測器，非晶硅平板探測器是目前市場上應用最為廣泛的探測器之一，如圖2所示，它主要由熒光材料碘化銫（CsI）或硫氧化釓（Gd2O2S）等作為閃爍涂層與非晶硅半導體陣列組成，其工作過程是閃爍體涂層將X射線能量轉換成可見光，然后經非晶硅半導體陣列將可見光轉換成電信號［7］。

圖2 平板探測器工作原理示意圖

由上述DR檢測成像原理可知，DR成像與傳統(tǒng)膠片成像在圖像形成上的原理基本一致，區(qū)別在于接受輻射信號的受體不同以及后續(xù)處理信號的方式不同；DR技術在維持了獲取高質量圖像的基礎上，實現了檢測數據的數字化，因此更有利于檢測結果的分析、處理和保存。

2 實驗過程

2.1 檢測對象特點分析

DR檢測對象為某空分冷箱內59條鋁鎂合金材質的壓力管道共計186道對接接頭，采用氬弧焊焊接成形。壓力管道材質為LF2、LF2－M、H112等，管道公稱直徑范圍為50～630 mm，壁厚為3～14 mm。相對于鋼質管道而言，鋁鎂合金的吸收系數較小，同等條件下所需的透照能量較小。對鋁鎂合金管與奧氏體不銹鋼管焊接接頭進行射線透照時，DR檢測可以克服常規(guī)膠片照相透照寬容度小的缺點，實現較高的檢測靈敏度［8］。此外受空分冷箱內作業(yè)空間的限制，有時焦距無法滿足標準要求，需要調整透照參數以實現較好的缺陷檢出率。

2.2 檢測設備器材

X射線機型號為SMART EV0225DS，見圖3，可用于內徑大于12 mm的各種管材，其最大管電壓為225 kV，管電流為4 mA，有效焦點尺寸為2 mm×2 mm。

圖3 SMART EV0225DS X射線機及數字探測器

數字探測器為VDR－RX型面陣列探測器，探測器尺寸為222 mm×222 mm，像素尺寸為127 μm。

2.3 檢測工藝設置

檢測技術等級為AB級，根據管道直徑不同透照方式為雙壁雙影或雙壁單影。根據現場透照區(qū)情況，選擇合適的透照工藝參數以達到靈敏度、分辨率和歸一化信噪比均能滿足NB/T 47013.11—2015標準要求，本項目中的管道公稱直徑范圍為50～630 mm，壁厚為3～14 mm。經現場工藝條件的設置，采用如下的工藝參數即可滿足上述管道的檢測：管電壓范圍為45～75 kV，管電流為0.20～0.25 mA，曝光時間為0.5～1.2 s，焦距為300～760 mm。

鋁鎂合金壓力管道的透照方式分為雙壁單影和雙壁雙影2種。當雙壁單影透照時，像質計置于探測器一側，并將鉛字F放置在適當的位置做標記。當雙壁雙影透照時，像質計置于X射線機一側。鋁鎂合金壓力管道檢測時，像質計采用鋁基像質計，不能采用常用的鋼制像質計，單絲線型像質計應橫跨焊縫放置，并且細絲在外側，雙線型像質計放置在母材上，細絲朝外側擺放。同時，用試塊Ⅱ型對比試塊測量缺陷自身高度。實際布置見圖4。

圖4 像質計和對比試塊布置（雙壁雙影）

NB/T 47013.11—2015標準要求鋁及其合金采用AB級檢測時，歸一化信噪比SNRn大于100，可以通過測量信噪比SNRm按照式（1）進行計算。

式中：

P——探測器像素大小，μm；

SNRm——測量信噪比。

測量信噪比SNRm與曝光量成正比，當管電流一定時，曝光量正比于曝光時間，曝光量越大，曝光時間越長，因此適當的延長曝光時間，可提升信噪比。

射線機可發(fā)射激光模擬射線路徑，見圖5。進行傾斜透照成像時，影像的2個半圓間距控制在1個焊縫寬度左右。

圖5 激光模擬射線路徑

本文采用面陣列探測器，因此需要選擇合適的采集幀周期、增益和管電流來控制曝光量。筆者在實驗室的條件下完成2個模板的幀周期和增益（1s－0.5pf和1s－1pf），基本可滿足常規(guī)檢測。

X射線訓機完成后，設置好電壓、電流值及曝光時間，開始圖像初步采集。完成圖像初步采集后，檢查圖像灰度、歸一化信噪比、靈敏度、分辨率等參數是否均符合標準要求。通過調節(jié)管電壓、管電流、曝光時間、焦距等工藝參數，直至圖像的各項指標均達標后開始檢測。

2.4 檢測結果分析及焊接工藝改進建議

186道對接接頭DR結果評定為Ⅳ級的缺陷有73處，其中未焊透缺陷占Ⅳ級缺陷總數的70%以上，見圖6～圖8，其他的主要為條形和圓形氣孔缺陷，見圖9，有少量未熔合和深孔缺陷。

圖6 未焊透

圖7 未焊透

圖8 未焊透

圖9 氣孔

結合焊接工藝和材料性質，分析未焊透缺陷產生的可能原因如下：1）鋁合金的導熱系數較大，冷卻速度和熔池的一次結晶速度快，而鋁鎂合金管件的焊接質量很大程度上取決于焊件組質量和施焊位置。當組對間隙太小、鈍邊過大、坡口角度太小及錯邊量超標等問題出現時，很容易在立焊和仰焊位置形成根部未焊透［9］。2）空分管道大部分是彎頭，其厚度大于直管段的厚度，雖然經厚度過渡，但兩邊的單位體積仍然不同，導熱量和散熱量也有所差異，如果不注意調整焊松和焊絲位置的角度，極易產生單邊根部未焊透。3）焊件的焊前的表面處理也是直接影響焊接質量的因素之一，焊件表面氧化膜清除不徹底，存有油污等雜質，就會導致焊接電流小、電弧過長、速度過快，從而使得焊接的熔化溫度不夠，造成根部未焊透。

因此空分冷箱中鋁鎂合金壓力管道制定焊接工藝時應重點防范根部未焊透缺陷，根據鋁鎂合金材質的特性以及現場焊接中可能遇到的問題，采取適當提高焊接線能量、降低焊接速度、適當增大焊接坡口間隙、減小鈍邊高度、控制焊絲的角度等措施來保證焊縫金屬填主滿焊縫根部區(qū)域。

3 結論

通過對某企業(yè)空分冷箱內的壓力管道開展DR數字射線成像檢測，得到如下結論：

1）空分冷箱鋁鎂合金壓力管道對接接頭采用DR檢測可以獲得較好的檢測效果，圖像靈敏度高、對比度高、分辨率也能達到NB/T 47013.11—2015標準要求；

2）本次DR檢測發(fā)現鋁鎂合金壓力管道缺陷主要為未焊透缺陷，通過對焊接工藝和材料性質進行分析，給出了未焊透缺陷產生的可能原因，并給出了相應的焊接工藝改進建議。