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换热管-管板焊接接头射线照像技术试验研究

点击:1510 日期:[ 2014-04-26 22:01:06 ]
                             换热管-管板焊接接头射线照像技术试验研究                                     王振忠  段伟  赵锦锦  赵胜礼                                (西安核设备有限公司,陕西西安 710021) 摘要:使用射线照像技术对换热管-管板焊接接头进行体积性检验的试验研究,验证了其检验方法 的可行性,取得了检验灵敏度的数值,列举了试验结果,提出了建议和设想。 关键词:热交换器;换热管-管板焊接接头;射线照像技术;微焦点;灵敏度 中图分类号:TG115·22 文献标志码:B 换热管-管板接头的质量优劣是影响换热器质 量的关键问题之一,对有特殊要求的换热设备,其制 造过程中的换热管-管板接头质量优劣更为重要。 但是,我国现有的换热器制造技术标准和规范并没 有针对换热管-管板焊接接头的体积检验作出规定, 一般只要求做表面检查。事实上,该焊缝内部缺陷 的检验一直是个难题。 目前,换热管-管板焊接接头的体积检验方法主 要有射线照像检验和超声检验2种。射线照像检验 是指用X射线或γ射线穿透试件,以胶片作为记录 信息器材的无损检测方法。超声检验技术是采用超 声聚焦光学反射法。这2种方法只是在重要的热交 换设备中使用,如核电厂的蒸汽发生器和某些核设 施中的换热器。 对于换热管-管板焊接接头的体积检验,无论是 射线检验法还是超声检验法,目前都是设备制造厂 研究的对象。文中对换热管-管板焊接接头射线照 像检验技术进行了试验研究。 1 接头形式及透照方式 1.1 接头形式和焊接工艺 为了更好地进行射线检验,正确地分析可能在 底片上出现的缺陷,首先要对接头形式和焊接工艺 有一定的了解。本试验换热管-管板焊接接头形式 见图1。试验用管板材料为复合钢板(低合金钢+ 镍基合金不锈钢),钢管材料为镍基合金不锈钢。由 于接头形式和材料特性决定,焊接熔池液体的流动 性差,如果焊接过程控制不好,很有可能存在未焊 透、未熔合和气孔,还可能出现夹钨。 采用手工非熔化极氩气保护焊,第1焊道少加 丝或不加丝,然后用Φ2mm焊丝填充。 1.2 透照方式分析 根据不同的接头结构有几种透照方式,见图2。 文中所涉及的U形管换热器只能采用前置式 透照[1],其射线源与接头的相对位置见图2b。 2 相关检验条件 2.1 工装设计 接头的形式和透照方式决定了射线源要穿过胶 片,所以胶片和暗盒就需要开孔。暗盒开孔处涉及 到密封避光、散射线屏蔽等问题。对此,笔者在试验 研究中制作了必要的工装和模拟件,即源端子导向 环、带孔暗盒、暗盒密封塞、铅制屏蔽盘、胶片打孔 机、工件模拟件(图3)以及观片遮光屏等。 在决定暗盒密封形式时,共考虑了胶布密封、塑 料板圈密封及铅制密封塞3种形式。根据制作的难 易程度、操作便捷与否和密封效果等因素,最后选择 了铅制密封塞,效果较好。 2.2 检验条件 2.2.1 胶片选择 在射线检测中,为了提高底片的成像质量,应尽 量提高底片的清晰度和对比度,从而提高对小缺陷 的检出率。 对比度公式如下: ΔD=±0.434μGΔT/(1+n)(1) 式中,ΔD为对比度;μ为试件材料的线衰减系数;G 为胶片的梯度;ΔT为有缺陷造成的透照厚度差;n 为散射比。 从式(1)中可以看出,胶片的梯度G(即胶片的 类型、颗粒性)是影响对比度的一个重要因素,也同 样是影响照像颗粒度的重要因素。为了提高底片所 能纪录的细节最小尺寸,笔者先后使用了爱克法 C7、柯达400、富士50和柯达125胶片进行了试验, 根据试验结果并结合经济因素方面的考虑,最终确 定使用柯达125微粒胶片。 2.2.2 探伤机构和射线源尺寸 该试验的接头结构形式决定了探伤的空间,从 而也决定了小的焦距和必须使用微焦点的射线源, 才能满足几何不清晰度的要求,提高对小缺陷的检 出率。 经调研了解到美国AEA公司生产的Ir-192放射源的焦点尺寸为0.5mm×0.5mm,是很理想的 射线源,但价格较贵。随后又考察了丹东阳光公司 国产机YG-192c(该设备配装北京401院生产的Ir- 192放射源),发现其焦点尺寸为0.6mm×0.6mm, 可以满足此次工程需要。 3 试验配置 3.1 散射线的屏蔽 在换热管-管板焊接接头的射线检验过程中,散 射线的屏蔽是一个重要的环节。由于焦距很小,如 果没有适当的散射线防护措施,底片清晰度和底片 对比度就会降低,工件上的人工缺陷和焊缝接头中 的自然缺陷影像在底片上根本无法辨认,像质无法 达到灵敏度要求。为了防止前方散射线和背向散射 线,经过反复试验,在换热管内放置一个中心有孔的 Φ20.8mm×2mm的铅屏蔽盘,采用0.5mm厚的 滤板和2mm的背遮挡板,这样对散射线的屏蔽非 常有效,底片的成像质量明显提高。在此,屏蔽盘实 际上还起到了补偿块的作用。铅盘比较容易制作, 操作时放置也较简便。同时,在实际透照中使用铅 盘对散射线进行屏蔽并进行厚度补偿,效果很好。 3.2 像质计 衡量底片灵敏度(即照像质量),是使用像质计 来完成的。由于还没有管板-换热管角焊缝接头的 射线照像检验的标准和规范,选用何种像质计没有 依据,为此,笔者根据透照厚度参考JB/T4730— 2005《承压设备无损检测》、ASME规范及相关企业 资料,选用合适的丝径、孔径,本着简便、可靠、实用 的原则设计制作了片状孔型像质计、模拟孔型像质 计和环形丝像质计3种像质计。 3.3 焦距 对于U形管换热管-管板焊接接头进行射线照 像时,由于结构原因,只能采用前置式透照(射源从 管板侧进入)。为了保证几何不清晰度和一定的透 照区域,笔者进行了分析、计算,明确了将会存在的 几个黑度范围和焦距的选择范围。 经过试验得出:①射线源从胶片处深入换热管 内的深度选择在35~42mm比较合适,由此可以得 到满足黑度范围的透照区域。②得出了选择焦距时 焦距与管径的规律。 在对本文研究的接头形式进行射线照相时,选 择焦距需考虑以下因素:①管子的规格。②管子伸 出管板的长度[1]。③必要时还要考虑换热管之间的距离。 3.4 底片黑度控制 众所周知,底片的黑度越大对比度越大,灵敏度 也就越高。但受到观片灯的亮度和人眼敏锐度的影 响,即识别灵敏度的限制,所以并非是底片黑度越大 灵敏度越高。 JB/T4730—2005《承压设备无损检测》标准规 定,AB级时,底片黑度要求为2.0~4.0,鉴于换热 管-管板焊接接头的特殊结构,需要评定的区域的透 照厚度在6~12mm。因此,造成底片评定区域黑 度变化较大,经选择不同的焦距和曝光量后得出如 下结论,在比较理想的情况下,底片的评定区黑度一 般应该是从2.2逐渐过渡到3.8的一个区域,即黑 度最小处2.2、最大处3.8方可覆盖所需评定区域, 在此黑度范围内灵敏度也较高。 3.5 像质检查与接头质量评定 由于底片中心是带孔的,在进行观察时,不可避 免存在很强的光线进入观片人员的视野,致使无法 进行一般性观片。为此,笔者制作了专用的观片遮 光屏,解决了这一问题。 像质检查时,首先按常规对底片进行检查,除了 以上要求的黑度以外,底片不得存在机械划伤、污染 等。但更需要注意的是感光(打孔时可能造成的感 光和未密封好导致漏光造成的感光)、屏蔽盘放置不 当、源端子不再轴线上、评定区域黑度不够等造成的 废片。一旦出现,应找出废片出现的原因并及时补 救,并要注意照像过程的控制。 4 试验内容、过程及结论 4.1 试验内容 在试验过程中,完成了多种工装的制作,进行了 不同感光速度胶片的比较试验、选择焦距的试验、输 源速度的试验、选择不同屏蔽盘厚度的试验、不同曝 光时间的试验、底片不同黑度区域的分析以及底片 影像的分析。针对该项技术的特殊性,对探伤人员 进行了培训。 4.2 试验过程 在确定的工艺条件下,首先在模拟件上对8个 接头进行射线检测,选择了3个存在缺陷的接头进 行了打磨观察,验证了最初评定的准确性。随后又 对另外4个接头进行射线检测。 为了进一步验证检验结果和评定方法的准确 性,从2次检测中选择了5张接头有缺陷影像的底片和1张无缺陷影像的底片,对应其接头引起关注 的部位,经过解剖后证实了实际缺陷与底片缺陷影像部位相吻合。在此仅列举3张接头有缺陷影像的 底片和相应解剖后的缺陷影像照片,见图4~图6。 1张无缺陷影像的底片对应的接头位置照片见 图7。该接头经解剖后发现根部缺陷是0.32mm 的线性环形缺陷,由于该缺陷的横截面直径小于 0.4mm的丝径,所以该尺寸的缺陷未被发现是正常 的。解剖后的缺陷尺寸是由24倍的读数放大镜测 出的。虽然底片上像质计表现出来的灵敏度不代表 实际能够发现缺陷的大小,但是,通过底片与解剖件验证,照像灵敏度能基本反映与实际检出缺陷大致 的关系。 4.3 试验结论 换热管-管板焊接接头的体积性检验或者类似 结构的接头体积性检验是可以进行焊缝射线照像检 验的。 通过试验证明,照像检验灵敏度可以观察到片状孔型像质计Φ0.5mm×0.5mm的孔、孔型模拟 像质计Φ0.5mm×0.5mm的孔以及环形丝像质计 0.4mm的丝,见图8~图10。试验结果达到了文 献[1]介绍的照相灵敏度要求。 5 接头质量评定 由于对换热管-管板焊接接头没有射线检验方法和焊接接接头评定标准、规范可以参照,为此,经 过对一些国外企业有关验收准则的学习和转化后, 以产品图样中的标准作为换热管-管板焊接接头的 验收标准: (1)应无未熔合、裂纹和长条气孔。 (2)单个气孔或者夹渣不超过0.5δ(δ为管子的 壁厚)。 (3)小于0.5δ的单个气孔或夹渣不超过5个, 且缺陷不得在焊道根部。 6 结语 通过该试验研究掌握了换热管-管板焊接接头 的射线照像技术中焦距的选择规律,对该技术所用 的特殊检测设备有了进一步了解。该技术提供了换 热管-管板焊接接头体积检验的一个很好的质量控 制方法,特别是对焊接工艺的监督和改进有着重要 的意义。此项技术已用于生产检验,取得了预期的 社会效益和经济效益。 通过该试验的研究,笔者建议有关部门应尽快 制定相关的标准、规范,使换热管-管板焊接接头的 射线照像技术能够规范化。对本技术中某些参数进 行修改,则可用于其他规格的该类接头的检验,如: ①对检测设备的源端子与固定座的结合部进行改 进。②检测设备的输源速度的调整。③暗盒的密封 方式改进。此外,考虑到换热器的制造成本,对高参 数换热器的换热管-管板焊接接头采用这种检验方 式才是比较经济合理的。 参考文献: [1] 强天鹏,徐卫,陈雁康,等.一种特殊无损检测技术———管子- 管板焊缝的射线照相[J].压力容器,2004,21(1):43-46. (许编) 
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