管系環(huán)焊縫射線檢測透照次數(shù)計(jì)算

郭大洲 張標(biāo) 董雪 彭綠高 徐文濤

摘? ? 要：本文討論了ASME V和CB/T3558兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)條款，并根據(jù)工件規(guī)格及X射線機(jī)曝光曲線，計(jì)算出管系環(huán)向?qū)雍缚p符合ASME V標(biāo)準(zhǔn)要求的一次透照長度，為現(xiàn)場實(shí)際操作提供參考，提高射線檢測工作效率。

關(guān)鍵詞：黑度范圍；有效長度；環(huán)縫檢測

中圖分類號：U671.8? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Calculation of Penetrate Times for Piping

Weld Radiographic Testing

GUO Dazhou，? ZHANG Biao，? DONG Xue，? PENG Lvgao，? XU Wentao

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， LTD.， Guangzhou 511462 ）

Abstract： This paper discusses about the relevant clauses of ASME V and CB/T3558， and use workpiece specifications and X-ray exposure curve to calculate the effective length of circumferential butt weld in accordance with ASME V standard. This parameter can provide reference for the actual operation. The calculation of the maximum effective length can improve the efficiency of X-ray detection.

Key words： film density range; effective length; circumferential weld test

1? ? ?前言

我司承建的某海洋石油鉆井平臺，沖樁管系有大量的環(huán)向?qū)咏宇^環(huán)焊縫需要進(jìn)行100%射線照相檢測。該系統(tǒng)管系焊縫采用氬弧焊，焊縫余高約2 mm，按照產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格書相關(guān)條款要求，管系焊縫的射線檢測需滿足美國ASME鍋爐及壓力容器 V無損檢測的相關(guān)要求。

ASME V規(guī)范要求通過計(jì)算，確定一次透照長度。本文討論ASME V規(guī)范計(jì)算管系對接焊縫確定一次透照有效長度的方法，以及對該標(biāo)準(zhǔn)此項(xiàng)要求的理解。

2? ? 透照方法和一次透照長度

在管系焊縫射線照相檢測工作中，首先需要確定透照方法。選擇透照方法，需要考慮透照靈敏度、缺陷檢出特點(diǎn)、透照厚度差、橫向裂紋檢出角、一次透照長度、操作方便性、檢測對象及探傷設(shè)備的具體情況。其中，采用單壁透照方法效果最佳，但由于管系直徑較小，很多焊縫無法在管子內(nèi)壁進(jìn)行膠片布置，故一般采用雙壁透照。按照標(biāo)準(zhǔn)要求，一般直徑100 mm以下的管系，環(huán)向?qū)雍缚p采用雙壁雙影法，100 mm以上的管系采用雙壁單影法，最好使用單壁透照。根據(jù)我公司產(chǎn)品特點(diǎn)，以規(guī)格為直徑114 mm、壁厚10 mm的管子居多，且無法在管內(nèi)布置膠片，所以主要采用雙壁單影法進(jìn)行透照。

其次，需要確定一次透照長度才能確定檢測次數(shù)。一次透照長度是指焊縫射線檢測照片一次透照的有效檢驗(yàn)長度[1]，對照相質(zhì)量和工作效率同時(shí)產(chǎn)生影響。顯然，一次透照長度大可以提高檢測效率，但在大多數(shù)情況下，透照厚度比和橫向裂紋檢出角隨著透照長度的增大而增大，這對射線照相質(zhì)量是不利的。

按照ASME V規(guī)范要求及實(shí)際情況，我們確定使用雙壁單影法進(jìn)行透照。在確定透照次數(shù)時(shí)，根據(jù)ASME V規(guī)范射線檢測的要求，如果孔型像質(zhì)計(jì)的本體黑度或線型像質(zhì)計(jì)的黑度在規(guī)定的范圍內(nèi)，被檢區(qū)的任一處黑度變化與他們相比超出的-15%～30%時(shí)，則每個(gè)超差區(qū)域或幾個(gè)超差區(qū)域應(yīng)另加一個(gè)像質(zhì)計(jì)并重新拍片[2]，所以一次透照長度需要根據(jù)上述要求確定。

ASME V規(guī)范對一次透照長度的要求，與常規(guī)船舶所使用的《CB/T3558-2011船舶鋼焊縫射線檢測工藝和質(zhì)量分級》的要求不同，后者對雙壁單影法是通過對透照厚度比K值提出限制要求，依次來計(jì)算管系焊縫一次透照長度，兩標(biāo)準(zhǔn)的要求差異較大。

3? ? CB/T3558-2011標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法

按照CB/T3558-2011標(biāo)準(zhǔn)的B級檢測要求，以直徑114 mm、壁厚10 mm的管對接焊縫為例，射線源在外雙壁單影透照的布置圖，見圖1所示。

圖1中：S表示射線源；D表示管外徑； O表示管中心；F表示焦距；OE表示管內(nèi)徑 OA；OB表示管外徑；∠α表示射線束與OA相交后形成的圓心角；∠β表示射線束與OA相交后形成的外角；∠θ表示射線束的擴(kuò)散角。

3.1? ?透照厚度比K

根據(jù)CB/T3558-2011標(biāo)準(zhǔn)，要求B級檢測對于管徑大于100 mm～400 mm的環(huán)向焊接接頭透照厚度比K≤1.2 [3]；對焊縫橫向缺陷檢測有更高的要求，可以適當(dāng)減少K值，減少K值會導(dǎo)致透照次數(shù)N增加，故需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

3.2? 透照次數(shù)N

已知：管外徑D =114 mm、管壁厚 T = 10 mm、AE=12、 AO=R=57、EO=r=47、焦距 F=700 mm，計(jì)算透照次數(shù)N和一次透照有效長度L：

在⊿AOS中，根據(jù)正弦定理可得：

在⊿EOA中，根據(jù)余弦定理可得：

將β 和 θ值代入公式（2）中，得到

∠α=∠β+∠θ=34.1°

將∠α 值代公式（1）中，得到

由上述計(jì)算可知，為確保全檢測需要進(jìn)行6次透照，一次透照有效長度為

4? ? ASME V規(guī)范計(jì)算方法

引起管焊縫底片黑度變化的原因，主要是管子工件透照截面上不同位置的透照厚度不同，黑度最大的位置為射線束與工件垂直的位置，在底片上由中心向兩側(cè)黑度逐漸下降，按標(biāo)準(zhǔn)要求，單片黑度必須達(dá)到1.8～4.0。

假設(shè)：透照區(qū)黑度最小值為Dmin、像質(zhì)計(jì)可見絲號所在位置黑度為DIQI、允許的最大黑度值為Dmax，其在管子的截面上對應(yīng)的位置分別是A、O、B點(diǎn)，見表1和圖2所示。

圖2中：A、O、B點(diǎn)，表示射線束與管外徑的焦點(diǎn)；

B點(diǎn)位置因透照厚度最小，為工件中對應(yīng)底片黑度值最大的位置；從B點(diǎn)向兩側(cè)黑度開始下降，假定B點(diǎn)在底片上的黑度為3.0，那么A點(diǎn)在底片上的黑度需要達(dá)到1.96以上才能滿足要求。

在所設(shè)點(diǎn)的黑度區(qū)間通過計(jì)算得到AB點(diǎn)的長度乘以2，就可計(jì)算出一次透照長度，從而計(jì)算出需要拍片的次數(shù)；計(jì)算出OB值，就可確定像質(zhì)計(jì)擺放的位置。

4.1 A、O點(diǎn)黑度值對應(yīng)透照厚度計(jì)算

4.1.1曝光曲線修正

已知B點(diǎn)黑度值Dmax=2.75、透照厚度TB=22 mm，先使用X射線機(jī)曝光曲線（見圖3），實(shí)際焦距為700 mm，膠片與曝光曲線相同為銳珂AA400型膠片，通過查找膠片說明書和特性曲線，可知膠片為非增感型膠片，在特性曲線直線部分的反差系數(shù)（梯度值）為4.7。

由于曝光曲線制作的黑度為D0=2.5，根據(jù)曝光曲線，電壓在180 kV時(shí)透照厚度TB 對應(yīng)的曝光量EB=16.5 mA?min；若使黑度提升至Dmax=3，則需要對曝光量進(jìn)行修正，修正后的曝光量為E修，膠片特性曲線黑度1.5～4.0部分近似為直線部分，則可得到：

D=GLgE+C? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

D0=GLgEB+C? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （8）

Dmax=GLgE修+C? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （9）

E修=1.28E0=21.08 mA·min

所以電壓為180 kV時(shí)，曝光量為E修=21.08 mA·min，工件上B點(diǎn)黑度達(dá)到3.0。

4.1.2 A、O點(diǎn)對應(yīng)透照厚度計(jì)算

在曝光曲線上，假設(shè)已知工件上A點(diǎn)厚度TA達(dá)到黑度2.5需要的曝光量為EA，假設(shè)AA400類型的膠片特性曲線上黑度2.5對應(yīng)的曝光量為H2.5，使用電壓200 kV、曝光量E修=19.78 m A?min對工件A點(diǎn)位置進(jìn)行透照，那么相對于透照厚度TA位置黑度達(dá)到2.5的曝光量是E修/EA倍。

因特性曲線上的曝光量H和實(shí)際曝光量E之間存在一定的倍數(shù)關(guān)系：

同一電壓下，一般認(rèn)為上試中的k為常數(shù)，所以透照厚度T_A位置膠片實(shí)際接受到的曝光量為：

HA=H2.5×E修/ EA? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （11）

因膠片特性曲線黑度值與曝光量在一定范圍是線性關(guān)系，將 D=GLgH+C 相關(guān)參數(shù)代入可得：

查曝光曲線可知，在200 kV電壓下，EA對應(yīng)的TA位置透照厚度值為26.09 mm。也就是說，當(dāng)電壓200 kV、焦距700 mm時(shí)，曝光量為21.08? mA·min。進(jìn)行透照時(shí)，會得到工件B點(diǎn)（透照厚度TB=22 mm）在底片上對應(yīng)的黑度為3，工件A點(diǎn)（透照厚度TA=26.09 mm）對應(yīng)的黑度為1.96。

利用上述相同的方式，計(jì)算出像質(zhì)計(jì)擺放位置對應(yīng)的透照厚度TO=24.66 mm。

4.2? ?AB、OB長度計(jì)算

由上面的計(jì)算知道透照厚度TA=26.09 mm，該工件直徑為D=114 mm、板厚T=10 mm、焊縫余高2 mm，需要計(jì)算AB的長度確定一次透照有效長度L。

圖中F表示射線源； D表示管中心；H、A表示射線束與管外徑的焦點(diǎn)；C、G表示射線束與管外徑的焦點(diǎn)；E表示為官中心與射線束垂直點(diǎn)。

如圖4所示：HD=AD=57 mm，GD=DC=47 mm，?HDA、?GDC是等腰三角形，?HDG、?CDA是全等三角形，因此可以得到：

因 CD=47 mm，DA=57 mm，通過余弦定理可以得到：

CD2=CA2+AD2-2CA×AD×cos∠CAD

cos∠CAD=0.863

∠CAD=∠FAD=30.37°

在三角形?FAD，已知FD=700-DB=643 mm，通過正弦定理可以得到：

4.3? ?驗(yàn)證及應(yīng)用

4.3.1 驗(yàn)證情況

按照以上計(jì)算，對現(xiàn)場焊縫進(jìn)行透照，通過測量：A點(diǎn)焊縫黑度為2.31，B 點(diǎn)黑度為3.21，0點(diǎn)黑度為2.52，可以滿足標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

4.3.2 存在誤差分析

由于按照本文所述的計(jì)算步驟較多，任意一個(gè)環(huán)節(jié)存在的誤差都會對結(jié)果產(chǎn)生影響，如工件的尺寸誤差、曝光曲線的誤差、人為測量的誤差、顯影條件的變化、透照布置的誤差等，都會造成實(shí)際底片與預(yù)估底片黑度存在誤差，另外散射線對底片的黑度也會造成一定的影響。

4.3.3 EXCEL計(jì)算器

為了更好的解決實(shí)際操作計(jì)算較為繁瑣的問題，將上述計(jì)算過程整理到EXCEL表格中，可以實(shí)現(xiàn)自動計(jì)算。

4.4 對黑度范圍的理解

4.4.1 控制黑度范圍實(shí)際上控制了一次透照范圍

在同一參數(shù)下，底片上黑度變化實(shí)際上是反映了工件透照厚度的變化，按照本文的工件規(guī)格，0.85DIQI位置對應(yīng)的透照厚度及1.3 DIQI位置對應(yīng)的透照厚度比值為1.205，與CB/T3558-2011對管系環(huán)焊縫透照厚度比的要求基本相近。

4.4.2 一次透照范圍與射線能量、膠片類型有關(guān)

對于同一工件，在焦距不變的情況，黑度范圍會隨著射線能力及膠片類型發(fā)生變化，在不考慮散射線的情況可以得到黑度差為ΔD=-0.434μGΔT。當(dāng)X射線機(jī)參數(shù)不變的情況，所需的黑度范圍一定時(shí)，膠片梯度增大，透照厚度減少，進(jìn)一步影響有效透照長度減少。但梯度高的底片可以提高對比度，對提高檢測靈敏度有所幫助，在選擇膠片類型時(shí)，應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)要求進(jìn)行。

當(dāng)膠片類型不變的情況，提高射線能量使射線衰減系數(shù)減少，可以增加黑度變化的范圍。但需要注意的是，管電壓過大會造成底片質(zhì)量下降，選擇管電壓參數(shù)應(yīng)不超過標(biāo)準(zhǔn)中允許的最高管電壓要求，以免造成底片清晰度下降，影響檢測結(jié)果。

暗室處理時(shí)間、溫度、活性、攪動，對梯度值也會生產(chǎn)一定的影響，不同的暗室處理?xiàng)l件會使同一工件在相同參數(shù)下得到底片黑度范圍不同，在實(shí)際工作中顯影條件應(yīng)按照藥液的說明書要求進(jìn)行，顯影時(shí)間控制在4～6 min、溫度控制在18～20 ℃為宜，顯影張數(shù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)注意更換顯影液。

4.4.3 像質(zhì)計(jì)IQI處的黑度對黑度范圍有一定影響

黑度有效范圍為0.85 D～1.3 DIQI，允許的最大黑度差為 0.45 DIQI 。可以看出，隨著DIQI增加允許的黑度范圍也增加，標(biāo)準(zhǔn)中允許最大的黑度值為4.0，最小黑度為1.8。黑度范圍計(jì)算，見表2。

如上所述，在其他條件不變的情況，當(dāng)Dmax=3.5時(shí)，一次透照長度為68 mm，所以適當(dāng)提高底片黑度，有利于擴(kuò)大檢測范圍。

在射線照相應(yīng)用范圍內(nèi)，非增感型膠片梯度G值隨黑度D的增大而增大，所以提高底片的黑度也可以提高對比度，進(jìn)而提高檢測的靈敏度。

隨著黑度范圍值的增加，透照厚度比也隨之變大，導(dǎo)致評定區(qū)邊緣位置的裂紋類缺陷檢出受到影響。

5? ? 小結(jié)

按CB/T358-2011標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算雙壁單影一次透照有效長度，是通過控制透照厚度比控制透照有效長度；查詢其它標(biāo)準(zhǔn)（如GB/T-3323或NB/T-47013），通過簡單計(jì)算可以得出透照次數(shù)，結(jié)合起來使用可方便現(xiàn)場檢測。在實(shí)際檢測工作中，需要在工件上放置搭接標(biāo)記，才可以在底片上得到確切的評定區(qū)域。

按ASME V標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算雙壁單影一次透照有效長度較為繁瑣，雖然可以通過建立EXCEL表方便計(jì)算，但在實(shí)際檢測時(shí)操作不夠方便。在實(shí)際檢測過程中，不需要在工件上放置搭接標(biāo)記，可以通過底片自身的深度確定有效評定范圍。

按本文所述的方法，根據(jù)工件規(guī)格及X射線機(jī)曝光曲線，可以計(jì)算出管環(huán)向?qū)雍缚p符合ASME V規(guī)范要求的一次透照長度，雖然計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性會受到實(shí)際檢測中各環(huán)節(jié)存在誤差的影響，但能夠?yàn)楝F(xiàn)場實(shí)際操作提供參考。后續(xù)工作要繼續(xù)尋求更優(yōu)化的解決方案，在確保檢測質(zhì)量的前提下，提高射線檢測工作效率。

參考文獻(xiàn)

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