分享：一種針對(duì)HRSG余熱鍋爐模塊焊接環(huán)縫的數(shù)字射線檢測系統(tǒng)

射線檢測作為承壓設(shè)備內(nèi)部質(zhì)量檢測的重要方式之一，從最簡單的膠片發(fā)展到圖像射線照相技術(shù)，再發(fā)展到數(shù)字成像檢測技術(shù)。數(shù)字成像器件和圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，為射線數(shù)字成像檢測技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的空間，現(xiàn)在，檢測人員甚至可以利用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程評(píng)片及診斷[1]。 

數(shù)字射線成像檢測技術(shù)與射線膠片照相技術(shù)在原理上是相同的。在進(jìn)行射線膠片照相檢測時(shí)，射線穿透被檢工件，一部分射線能量被材料吸收，另一部分射線能量穿透被檢工件后在膠片上感光，產(chǎn)生潛影，經(jīng)暗室處理后底片上會(huì)呈現(xiàn)具有黑度差異的影像，通過觀察影像即可對(duì)被檢工件的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定。數(shù)字射線成像檢測技術(shù)是用數(shù)字接收器將穿過被檢工件的射線轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后，檢測人員可在屏幕上直接進(jìn)行觀察及評(píng)定。數(shù)字射線成像檢測儀器具有分辨率高、靈敏度高、信噪比高、圖像清晰、成像速度快、存儲(chǔ)與觀察評(píng)定方便等優(yōu)點(diǎn)，是目前工業(yè)產(chǎn)品檢測中廣泛使用的工具。 

對(duì)于筆者公司產(chǎn)品余熱鍋爐模塊，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.11—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第11部分：X射線數(shù)字成像檢測》的要求，需要對(duì)對(duì)接焊口進(jìn)行100%的射線檢測。因產(chǎn)品體積大、質(zhì)量大（長度為22 m，寬度為4 m，質(zhì)量為20 t）、不便于移動(dòng)，且具有復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)（見圖1），需要焊接一層，檢測一層，檢測層管屏檢測合格后，才能進(jìn)行上面一層管屏的管口裝配與焊接。公司現(xiàn)有曝光室及管屏DR系統(tǒng)都無法滿足余熱鍋爐模塊的射線檢測要求。因產(chǎn)品無法移動(dòng)，故無法使用公司現(xiàn)有的固定式DR檢測系統(tǒng)，目前的檢測方式為：在車間無工人工作時(shí)，深夜進(jìn)行射線膠片檢測。 

圖  1  模塊的結(jié)構(gòu)示意

在有限的工作時(shí)間、有限的場地范圍內(nèi)，為保證監(jiān)督區(qū)的輻射水平，無法配置大量射線檢測操作人員。為此，考慮設(shè)計(jì)一種新式鉛房，可在白天正常工作環(huán)境下進(jìn)行檢測，將射線限制在鉛房內(nèi)，以減少射線對(duì)其他工序工位的影響。并在此基礎(chǔ)上，以數(shù)字成像技術(shù)替代膠片，設(shè)計(jì)合理的工裝，選擇合適的數(shù)字平板，降低檢測成本，提升檢測效率。 

1.   射線防護(hù)

專用鉛房設(shè)計(jì)示意如圖2所示。該鉛房配備鉛屏風(fēng)、鉛簾與鉛擋板（見圖3），可將射線限制在鉛房內(nèi)部，控制外部泄漏劑量率，除鉛簾側(cè)低于國家標(biāo)準(zhǔn)GBZ 117—2022《工業(yè)探傷放射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》要求的2.5 μSv/h外，其余各方向均接近輻射本底值0.1 μSv/h。其中，鉛擋板裝配時(shí)采用多段拼裝方式，每一個(gè)鉛擋板架有4個(gè)萬向輪，以降低搬運(yùn)時(shí)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度；相鄰鉛擋板采用高低搭配的方式拼裝，并保證拼接時(shí)有10 mm以上的重疊。另外鉛房與鉛擋板均向內(nèi)折邊，以減少射線從底部泄漏的情況。 

圖  2  鉛房的設(shè)計(jì)示意

圖  3  鉛擋板的設(shè)計(jì)示意

2.   數(shù)字平板及運(yùn)動(dòng)控制

由于余熱鍋爐模塊具有多層結(jié)構(gòu)，且各層結(jié)構(gòu)之間空間狹小，故需要選擇很薄的數(shù)字射線成像平板，文章選用某公司生產(chǎn)的Whale1613FDI-T型超薄平板探測器，其厚度僅為15 mm，滿足其檢測要求。該探測器需要與之適配的軌道，故文章將軌道設(shè)計(jì)為多段合頁折疊式，方便插入模塊的兩層結(jié)構(gòu)之間。 

對(duì)余熱鍋爐模塊最下面一層進(jìn)行檢測時(shí)，需將軌道放置在專用的軌道架上，軌道架材料為輕質(zhì)合金，下部為萬向輪，方便移動(dòng)，且旋轉(zhuǎn)萬向輪的固定螺栓可以調(diào)整軌道架的高度，其結(jié)構(gòu)示意及實(shí)物如圖4所示。安裝時(shí)，合頁各端部及結(jié)合處均放置一個(gè)軌道架，以保證平板在軌道上平穩(wěn)移動(dòng)，不上下起伏。 

圖  4  導(dǎo)軌及導(dǎo)軌架的結(jié)構(gòu)示意及實(shí)物

平板的移動(dòng)通過伺服電機(jī)帶動(dòng)同步皮帶進(jìn)行控制。伺服電機(jī)固定在軌道一端，皮帶固定輪盤安裝在軌道另一端。根據(jù)模塊的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)專用的管屏間平板移動(dòng)導(dǎo)軌，檢測時(shí)，成像平板與X射線機(jī)同步移動(dòng)。平板導(dǎo)軌及伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)圖與實(shí)物如圖5所示。 

圖  5  導(dǎo)軌及伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)圖與實(shí)物

計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)由奧龍射線有限公司獨(dú)立自主研制開發(fā)，可以根據(jù)不同行業(yè)用戶的需求，編寫不同的應(yīng)用界面及圖像處理程序。其高性能的編程技術(shù)使操作界面簡單易懂，可最大限度減少操作步驟，快速滿足操作人員的需求。機(jī)械傳動(dòng)采用電動(dòng)控制、無極變速；電氣控制采用國際上流行的鋼琴式多功能操作臺(tái)，將系統(tǒng)中的X射線機(jī)控制、工業(yè)電視監(jiān)控、機(jī)械操作等功能集于一體，操作簡單方便。 

3.   機(jī)械設(shè)備及試驗(yàn)步驟

3.1   技術(shù)參數(shù)

鉛房按照電壓為250 kV的X射線防護(hù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。鉛房主體尺寸（長×寬×高）為4 300 mm×2 400 mm×1 980 mm。對(duì)現(xiàn)場的開機(jī)狀態(tài)進(jìn)行了實(shí)測，測量得到的輻射泄漏結(jié)果符合國家安全標(biāo)準(zhǔn)GBZ 117—2022中的要求（2.5 μSv/h）。在嚴(yán)格遵守輻射安全管理規(guī)定的前提下，移動(dòng)鉛房可在車間正常生產(chǎn)時(shí)同步使用。數(shù)字射線成像檢測系統(tǒng)由160 kV高頻移動(dòng)式探傷機(jī)、數(shù)字平板成像系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)、機(jī)械電氣系統(tǒng)、射線防護(hù)系統(tǒng)等幾部分組成。鉛房及數(shù)字射線成像檢測系統(tǒng)實(shí)物如圖6所示。 

圖  6  鉛房及數(shù)字射線成像檢測系統(tǒng)實(shí)物

3.2   數(shù)字射線成像檢測流程

對(duì)于多層結(jié)構(gòu)的余熱鍋爐模塊，鰭片管管屏第一層對(duì)接焊縫檢測時(shí)，應(yīng)采用支架將平板移動(dòng)工裝支撐在管屏下方，并將防護(hù)鉛房吊裝至防護(hù)位置，調(diào)整好射線機(jī)及平板探測器的初始檢測位置，對(duì)準(zhǔn)焊縫調(diào)整射線機(jī)角度，逐根管子實(shí)施檢測，直至完成所有焊縫的檢測，再更換透照角度，返回行進(jìn)路線，進(jìn)行焊縫的第二次檢測。兩次檢測完成后，第一層檢測流程完畢。第一層檢測完成后，將平板移開，開始對(duì)不合格焊縫進(jìn)行返修，返修焊口檢測合格后，將鉛房吊運(yùn)至其他區(qū)域進(jìn)行檢測。原檢測區(qū)域可以進(jìn)行第二層管子的裝配與焊接。檢測第二層焊管時(shí)，先后將導(dǎo)軌與平板工裝插入第一層與第二層之間位置，按照第一層的檢測流程進(jìn)行檢測。第三層檢測重復(fù)第二層的檢測流程。其檢測現(xiàn)場如圖7所示。 

圖  7  余熱鍋爐模塊檢測現(xiàn)場

3.3   數(shù)字射線成像與膠片照相技術(shù)對(duì)比

常規(guī)膠片照相射線檢測技術(shù)的流程可以簡單概括為拍片、洗片、烘片和評(píng)片，都是通過人工來完成的。按一條管屏42個(gè)焊口計(jì)算，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)T/D（被檢工件壁厚/小徑管外直徑）≤0.12的要求，每個(gè)焊口需拍兩張片，合計(jì)84張底片，在40 min至1 h時(shí)間內(nèi)完成；洗片和烘片的時(shí)間約為40 min；評(píng)片只能等到次日進(jìn)行，從整理底片到評(píng)定大概需要1 h。 

余熱鍋爐模塊數(shù)字射線檢測系統(tǒng)的平均吊運(yùn)時(shí)間為5~10 min；將檢測系統(tǒng)放在需要檢測的模塊上，按一條管屏42個(gè)焊口計(jì)算，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)T/D≤0.12的要求，每個(gè)焊口拍兩張片，合計(jì)84張圖像，一般在15~20 min就可以完成圖像采集和評(píng)片的工作；發(fā)現(xiàn)缺陷后，不需要移開鉛房，可以直接在其內(nèi)部進(jìn)行返修，返修好后可以直接重新拍片與評(píng)定。一條模塊管屏從鉛房安放、電氣設(shè)備設(shè)置、圖像采集和評(píng)定、焊口返修及重新采集評(píng)定等流程基本需要1~1.5 h。 

綜上所述，常規(guī)膠片照相射線檢測技術(shù)從拍片、洗片、烘片和評(píng)片大概需要一晚的時(shí)間，且若在白天拍片，其他工序無法工作；而DR檢測技術(shù)在整個(gè)檢測流程中所需要的時(shí)間約為1 h。從產(chǎn)品的制作周期上，膠片照相射線檢測需要一周時(shí)間才可以完成一屏模塊的制作，而DR檢測只需要三天時(shí)間就可以完成一屏模塊的制作，大大提高了工作效率，提高了產(chǎn)能。 

4.   DR成像檢測系統(tǒng)的實(shí)際檢測應(yīng)用結(jié)果

采用數(shù)字射線成像檢測和常規(guī)射線照相膠片分別進(jìn)行試驗(yàn)，通過對(duì)所檢測的焊口結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，判斷數(shù)字射線成像檢測技術(shù)的缺陷檢出能力，進(jìn)一步驗(yàn)證其檢測結(jié)果的可靠性。 

4.1   實(shí)際測量結(jié)果

4.1.1   數(shù)字射線系統(tǒng)空間分辨率

對(duì)于系統(tǒng)空間分辨率，采用了雙絲線性像質(zhì)計(jì)進(jìn)行記錄，如圖8所示，可見，其至少可以識(shí)別8D絲，8D絲對(duì)的絲徑為0.16 mm，計(jì)算分辨率為3.65 lp/mm，即1 mm寬度內(nèi)能分辨清楚的線對(duì)數(shù)為3.6個(gè)，滿足焊縫檢測要求。 

圖  8  數(shù)字射線系統(tǒng)分辨率

4.1.2   圖像靈敏度

當(dāng)管電流過低時(shí)，會(huì)出現(xiàn)噪聲嚴(yán)重、曝光不足的現(xiàn)象，從而掩蓋檢測工件中細(xì)小的影像。增大管電流可以提高圖像的信噪比，但過大的管電流也會(huì)造成圖像的過飽和[2]。故在實(shí)際的操作中針對(duì)不同的透照厚度，一般建議選6~8 mA的管電流，在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，盡可能選擇低的管電流。不同管電流對(duì)圖像質(zhì)量的影響如圖9所示。 

圖  9  不同管電流對(duì)圖像質(zhì)量的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，115~125 kV的檢測電壓基本上符合標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.11—2015中規(guī)定的檢測靈敏度要求，圖像對(duì)比度、清晰度和灰度均基本達(dá)到要求。故在保證可以穿透的前提下，盡可能選低的管電壓。不同管電壓對(duì)圖像質(zhì)量的影響如圖10所示。 

圖  10  不同管電壓對(duì)圖像質(zhì)量的影響

4.1.3   對(duì)比試驗(yàn)

確定透照參數(shù)后，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。在現(xiàn)場隨機(jī)選取了8條管屏合計(jì)336個(gè)焊口進(jìn)行盲檢對(duì)比。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.11—2015中針對(duì)小徑管橢圓成像的透照技術(shù)：T/D0≤0.12，相隔90°透照2次，對(duì)672張圖像及膠片進(jìn)行了對(duì)比，所顯示的缺陷分布、缺陷尺寸及性質(zhì)基本一致。文章選取了部分典型缺陷進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如圖11所示。 

圖  11  焊口部分典型缺陷的檢測結(jié)果對(duì)比

對(duì)數(shù)字射線成像的圖像進(jìn)行了分辨率、靈敏度和信噪比的測定，并進(jìn)行了分析，結(jié)果如表1所示。 

5.   結(jié)論

文章提出的余熱鍋爐模塊數(shù)字射線檢測系統(tǒng)可以對(duì)余熱鍋爐模塊多層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行半自動(dòng)化檢測，并對(duì)檢測系統(tǒng)進(jìn)行了檢測性能分析，得出以下結(jié)論。 

（1）所制作的鉛房和多段鉛擋板的泄漏劑量率完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)GBZ 117—2022中要求的2.5 μSv/h。 

（2）所采集的數(shù)字射線圖像基本符合數(shù)字射線檢測標(biāo)準(zhǔn)的要求。 

（3）數(shù)字射線成像檢測系統(tǒng)可以對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜工件焊接環(huán)縫焊口進(jìn)行高效率地?cái)?shù)字射線成像檢測，半自動(dòng)化程度高，可以推廣使用。

文章來源——材料與測試網(wǎng)