錢(qián)盛杰,王三軍,周 鑫,張 亮,王 磊,張 亮

(1. 寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院,寧波 315048; 2. 寧波恒信工程檢測(cè)有限公司,寧波 315200; 3. 國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)天津液化天然氣有限公司,天津 300457)

LNG儲(chǔ)罐常用材料有9Ni鋼、5Ni鋼、奧氏體不銹鋼和鋁鎂合金鋼等,而9Ni鋼因具有優(yōu)異的低溫韌性、高可焊性和高強(qiáng)度等特點(diǎn), 經(jīng)常被用于液化天然氣儲(chǔ)罐的制造【1】。9Ni鋼儲(chǔ)罐的焊接質(zhì)量是低溫儲(chǔ)罐建造的關(guān)鍵因素, 直接決定了整臺(tái)儲(chǔ)罐能否安全運(yùn)行, 因此對(duì)儲(chǔ)罐焊接接頭進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)督尤為重要。無(wú)損檢測(cè)作為儲(chǔ)罐焊接接頭質(zhì)量把控的重要方法之一, 貫穿于儲(chǔ)罐的制造、安裝和檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)。由于9Ni鋼材料的磁性較弱,焊縫材料的鎳含量又遠(yuǎn)高于母材,使焊縫處幾乎沒(méi)有磁性,同時(shí),9Ni鋼材料焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生電弧的磁偏吹,要求鋼材的剩磁不超過(guò)50 Gauss,因此,9Ni鋼儲(chǔ)罐現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中的表面無(wú)損檢測(cè)不允許采用磁粉檢測(cè)【2】。而針對(duì)9Ni鋼焊接接頭的超聲檢測(cè)技術(shù)需要克服材料晶粒粗大和各項(xiàng)異性的困難,因此,9Ni鋼焊接接頭的超聲檢測(cè)一直以來(lái)都是超聲檢測(cè)領(lǐng)域的難點(diǎn)。鑒于此,LNG儲(chǔ)罐對(duì)接焊縫的無(wú)損檢測(cè)常采用滲透檢測(cè)和射線檢測(cè)方法。其中,滲透方法用于焊接接頭表面缺陷的檢測(cè),射線方法主要用于焊接接頭埋藏缺陷的檢測(cè)。但滲透檢測(cè)的靈敏度不如磁粉檢測(cè),缺陷檢出率會(huì)有所下降。

9Ni鋼焊接接頭的射線檢測(cè)方法主要有單膠片二次透照技術(shù)、雙膠片一次透照技術(shù)和數(shù)字射線技術(shù)3種方法。單膠片技術(shù)無(wú)法通過(guò)一次透照獲得滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的底片(母材及焊縫金屬的黑度難以同時(shí)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求),而通過(guò)單膠片二次透照技術(shù),采用不同的曝光工藝對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行二次透照, 可獲得兩張底片,一張針對(duì)焊縫,另一張針對(duì)母材和熱影響區(qū),這樣即可使底片黑度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。但該方法曝光次數(shù)多、底片數(shù)量多、檢測(cè)時(shí)間久,不便在現(xiàn)場(chǎng)工程中應(yīng)用。為了提高檢測(cè)儲(chǔ)罐的工作效率,常采用雙膠片一次透照技術(shù),一張底片針對(duì)焊縫,另一張底片針對(duì)母材和熱影響區(qū),使底片黑度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。該方法雖然通過(guò)減少曝光次數(shù)提升了檢測(cè)效率,但并沒(méi)有減少片子的數(shù)量,仍需要洗片和評(píng)片等過(guò)程。

為了解決上述難點(diǎn),在保證焊縫檢測(cè)質(zhì)量的前提下盡可能地提高檢測(cè)效率,數(shù)字射線成像技術(shù)(DR)應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)具有寬廣的曝光寬容度和較強(qiáng)的降噪能力,通過(guò)選擇合適的曝光參數(shù),使圖像的灰度、靈敏度、分辨率和信噪比均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,因此非常適用于9Ni鋼焊接接頭的檢測(cè)。同時(shí),該技術(shù)不產(chǎn)生膠片,不需要洗片過(guò)程,通過(guò)一次透照便能實(shí)現(xiàn)母材和焊接接頭的檢測(cè),大大提高了工作效率,在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

1 9Ni鋼焊縫射線檢測(cè)方法介紹

受9Ni鋼焊縫金屬與母材對(duì)射線吸收差異性以及存在焊縫余高的影響,通過(guò)單膠片技術(shù)一次透照不能同時(shí)滿足同一張射線底片中焊縫區(qū)域與母材區(qū)域的黑度在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍之內(nèi)。相同厚度(T=12 mm)的碳鋼對(duì)接焊縫和9Ni鋼對(duì)接焊縫的射線成像質(zhì)量比對(duì)情況分別如圖1(a)和圖1(b)所示。采用一定的透照工藝,圖1(a)所示的Q345對(duì)接焊縫成像質(zhì)量明顯優(yōu)于圖1(b)所示的9Ni鋼對(duì)接焊縫。從黑度測(cè)量數(shù)值方面比較,Q345對(duì)接焊縫和母材的黑度經(jīng)測(cè)量均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,而9Ni鋼僅母材的黑度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,焊縫的黑度低于標(biāo)準(zhǔn)要求。從黑度差異方面比較,Q345對(duì)接焊縫和母材的黑度差為1.1,而9Ni鋼對(duì)接焊縫和母材的黑度差達(dá)到了1.9。因此,9Ni鋼焊縫金屬與母材難以通過(guò)單膠片技術(shù)一次透照方法同時(shí)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。為了克服上述難題,本文針對(duì)9Ni鋼焊接接頭,提出了3種射線檢測(cè)方法,下面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖1 不同材料對(duì)接焊縫成像質(zhì)量比對(duì)

1.1 單膠片二次透照技術(shù)

采用兩組曝光工藝對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行透照。第一組采用高參數(shù)曝光工藝對(duì)焊縫區(qū)進(jìn)行透照,獲得一張底片,該底片專用于觀察焊縫區(qū)域的缺陷影像,此時(shí)該底片的母材和熱影響區(qū)的黑度值因超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求而無(wú)法觀察。第二組采用低參數(shù)曝光工藝對(duì)母材和熱影響區(qū)進(jìn)行透照,獲得另一張底片,該底片專用于觀察母材和熱影響區(qū)的缺陷影像,此時(shí)該底片焊縫區(qū)的黑度值因低于標(biāo)準(zhǔn)要求而無(wú)法觀察。只有結(jié)合兩種曝光工藝,才能使焊縫母材和熱影響區(qū)的底片同時(shí)滿足標(biāo)準(zhǔn)中的黑度要求。該方法因曝光次數(shù)多、檢測(cè)工期長(zhǎng)等原因,不利于工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,主要適用于實(shí)驗(yàn)室研究以及工程量少的射線檢測(cè)。

1.2 雙膠片一次透照技術(shù)

雙膠片技術(shù)就是對(duì)同一道焊縫通過(guò)一次透照工藝拍攝兩張射線底片,其中一張底片針對(duì)焊縫,另一張底片針對(duì)熱影響區(qū)和母材,使兩張底片均達(dá)到黑度及靈敏度要求。為了提高儲(chǔ)罐檢測(cè)的工作效率,常采用雙膠片一次透照技術(shù)。雙膠片一次透照技術(shù)又可分為有中屏的雙片曝光技術(shù)和無(wú)中屏的雙片曝光技術(shù)【3】。有中屏的雙片曝光技術(shù)采用兩張相同感光速度的膠片,通過(guò)調(diào)整鉛箔中屏的厚度控制底片黑度,以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。無(wú)中屏的雙片曝光技術(shù)采用兩張具有不同感光速度的膠片,評(píng)片時(shí)用感光速度快的膠片觀察焊縫處的成像情況,用感光速度慢的膠片觀察母材和熱影響區(qū)的成像情況。雙膠片一次透照技術(shù)的曝光次數(shù)比單膠片技術(shù)少了一半,解決了單膠片二次透照技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)拍片時(shí)間長(zhǎng)的短板,但該方法仍然需要大量的片子,且需要洗片和評(píng)片過(guò)程,而在大型LNG低溫儲(chǔ)罐罐體施工過(guò)程中,射線檢測(cè)結(jié)果出具的時(shí)間直接關(guān)系到罐內(nèi)焊接平臺(tái)上升的進(jìn)度,進(jìn)而影響總工期。因此,該方法仍然不是9Ni鋼焊縫射線檢測(cè)的最佳選擇。

1.3 數(shù)字射線技術(shù)

射線成像技術(shù)采用探測(cè)器(DR成像板)代替常規(guī)膠片完成對(duì)射線的探測(cè)和光電轉(zhuǎn)換,通過(guò)射線穿透工件完好部位和缺陷部位的強(qiáng)度變化,獲得數(shù)字化圖像,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的檢測(cè)【4】。數(shù)字射線(DR)檢測(cè)和常規(guī)膠片射線檢測(cè)獲得圖像的過(guò)程不同,其對(duì)比示意如圖2所示。

圖2 數(shù)字射線與膠片技術(shù)過(guò)程比對(duì)

數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)(DR技術(shù))作為近年來(lái)發(fā)展迅速的一種新型檢測(cè)技術(shù),具有以下幾個(gè)特點(diǎn)【5】:

1) 傳統(tǒng)的膠片射線檢測(cè)需要經(jīng)過(guò)拍攝、暗室處理、烘干、評(píng)定過(guò)程,而數(shù)字射線可以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)成像,省略了暗室處理和烘干過(guò)程,直接進(jìn)入評(píng)定過(guò)程,成像速度快,檢測(cè)效率有極大的提高;

2) 數(shù)字射線檢測(cè)圖像質(zhì)量好,信噪比高,檢測(cè)靈敏度比膠片技術(shù)高;

3) 不需要膠片,極大地降低了材料成本,且不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)廢液污染環(huán)境;

4) 可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件處理提高數(shù)字化圖像質(zhì)量,改善觀察條件,提高缺陷的檢出率。

本文進(jìn)一步對(duì)9Ni鋼對(duì)接焊縫的檢測(cè)工藝進(jìn)行研究,通過(guò)對(duì)曝光參數(shù)和設(shè)備進(jìn)行合理布置,使成像的灰度、靈敏度、分辨率和歸一化信噪比等參數(shù)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,并確立最優(yōu)檢測(cè)工藝。

2 試驗(yàn)研究

對(duì)比試板的設(shè)計(jì)如圖3所示。在試板上加工了一系列平底孔和線槽,用于模擬焊縫和母材上的圓形和條形缺陷。采用厚度為22 mm的9Ni鋼焊接試板,焊縫余高為1.0 mm。試板上加工5組缺陷: ①為焊縫上的4個(gè)平底孔,直徑均為4.0 mm,孔深從左至右分別為1.5,1.0,0.5,0.3 mm; ②為母材平底孔,直徑均為4.0 mm,孔深分別為1.5,1.0,0.5,0.3 mm; ③為橫向表面雙槽,橫跨焊縫和母材區(qū)域,長(zhǎng)度為30 mm,雙槽夾角4°; ④為縱向焊縫雙槽,長(zhǎng)度為15 mm,雙槽夾角4°;⑤為縱向母材雙槽,長(zhǎng)度為15 mm,雙槽夾角4°。

圖3 對(duì)比試板設(shè)計(jì)

由于單膠片二次透照技術(shù)和雙膠片一次透照技術(shù)檢測(cè)的底片圖像質(zhì)量差異性不大,其主要區(qū)別在于曝光次數(shù)的不同,因此本文僅討論雙膠片一次透照技術(shù)和數(shù)字射線技術(shù)的成像結(jié)果。按NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)第2部分:射線檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,采用AB級(jí)檢測(cè),其中,單膠片技術(shù)采用單底片觀察評(píng)定,底片黑度D應(yīng)在2.0～4.5范圍內(nèi),雙膠片技術(shù)采用雙底片疊加觀察評(píng)定,底片黑度D應(yīng)在2.7～4.5范圍內(nèi)。工件厚度為22 mm, 采用單壁透照工藝, 像質(zhì)計(jì)置于射線源側(cè), 靈敏度要求不低于W11(0.32 mm)。

2.1 雙膠片一次透照技術(shù)測(cè)試

雙膠片一次透照技術(shù)的底片如圖4(a)和圖4(b)所示,其中,通過(guò)圖4(a)底片觀察母材,通過(guò)圖4(b)底片觀察焊縫。經(jīng)黑度計(jì)測(cè)量,圖4(a)母材底片黑度為3.57,焊縫底片黑度為1.53～1.90,圖4(b)母材底片黑度超過(guò)4.5,焊縫底片黑度為2.46～2.87。因此,采用AB級(jí)進(jìn)行檢測(cè)時(shí),圖4(a)母材底片和圖4(b)焊縫底片滿足NB/T 47013.2—2015中規(guī)定的黑度在2.0～4.5之間的要求。另外,圖4(a)母材底片的圖像靈敏度和圖4(b)焊縫底片靈敏度均為W11,滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的不小于W11的要求。

圖4 雙膠片一次透照技術(shù)底片

從圖4(a)母材底片中可以發(fā)現(xiàn)②、③、⑤缺陷,從圖4(b)焊縫底片中可以發(fā)現(xiàn)①、③、④缺陷,其中①缺陷中未能發(fā)現(xiàn)0.3 mm的孔,④缺陷中未能發(fā)現(xiàn)靠近焊縫中心的單槽。

2.2 數(shù)字射線技術(shù)測(cè)試

數(shù)字射線檢測(cè)僅產(chǎn)生一張數(shù)字底片就可以同時(shí)觀察9Ni鋼對(duì)接焊縫的母材和焊縫區(qū)域。如圖5 所示,該底片可以發(fā)現(xiàn)所有加工的缺陷,且成像質(zhì)量比膠片技術(shù)更高。同樣采用AB級(jí)進(jìn)行檢測(cè),經(jīng)測(cè)量,母材和焊縫的靈敏度均為W12(0.25 mm),比雙膠片技術(shù)高了1個(gè)等級(jí)。利用雙線型像質(zhì)計(jì)測(cè)量圖像分辨率為D8(0.16 mm),滿足NB/T 47013.11—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第11部分:X射線數(shù)字成像檢測(cè)》的要求。經(jīng)計(jì)算機(jī)軟件測(cè)量,焊縫和母材區(qū)域的圖像灰度均控制在滿量程的20%～80%,滿足NB/T 47013.11—2015的要求。圖像中焊縫和母材的歸一化信噪比經(jīng)計(jì)算機(jī)軟件測(cè)量均高于100,滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 9Ni鋼對(duì)接焊縫數(shù)字射線成像

3 工程應(yīng)用

射線檢測(cè)作為L(zhǎng)NG低溫儲(chǔ)罐質(zhì)量控制的重要手段之一,在LNG低溫儲(chǔ)罐建造過(guò)程中不可或缺?，F(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)范要求其射線檢測(cè)比例為:100%,采用雙膠片一次透照技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。按現(xiàn)有射線檢測(cè)技術(shù),1臺(tái)20萬(wàn)m3的處于現(xiàn)場(chǎng)安裝完成階段的LNG低溫儲(chǔ)罐,通常需要的拍片數(shù)量為17 000個(gè)片位、34 000張底片。因此,采用數(shù)字射線技術(shù)對(duì)該臺(tái)超大型LNG低溫儲(chǔ)罐進(jìn)行檢測(cè)。該LNG低溫儲(chǔ)罐內(nèi)壁材質(zhì)為06Ni9DR,焊縫采用ENiCrMo-6系焊條進(jìn)行焊接,外壁為混凝土結(jié)構(gòu)。將探測(cè)器放在罐內(nèi),攝射線機(jī)置于罐外進(jìn)行透照。

在曝光室人工試板檢測(cè)工藝研究的基礎(chǔ)之上,利用該LNG低溫儲(chǔ)罐對(duì)數(shù)字射線技術(shù)進(jìn)行了工程應(yīng)用,所得的數(shù)字底片如圖6所示,其灰度、靈敏度、分辨率和歸一化信噪比等參數(shù)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。此外,對(duì)儲(chǔ)罐同一道環(huán)焊縫進(jìn)行了數(shù)字射線技術(shù)和雙膠片技術(shù)的檢測(cè)比對(duì),比對(duì)內(nèi)容包括底片質(zhì)量和檢測(cè)工時(shí)兩個(gè)方面。結(jié)果發(fā)現(xiàn),這兩方面均是數(shù)字射線技術(shù)占優(yōu)勢(shì),特別是數(shù)字射線技術(shù)可以實(shí)時(shí)成像,實(shí)時(shí)給出檢測(cè)結(jié)果,為儲(chǔ)罐安裝工程中的平臺(tái)向上搭建爭(zhēng)取了時(shí)間,因此有望得到進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

圖6 LNG低溫儲(chǔ)罐數(shù)字底片

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用膠片射線技術(shù)和數(shù)字射線技術(shù),通過(guò)進(jìn)行合理的工藝設(shè)置,成功解決了LNG儲(chǔ)罐9Ni鋼焊接接頭檢測(cè)難題,并在LNG儲(chǔ)罐安裝工程項(xiàng)目中進(jìn)行了工程應(yīng)用,總結(jié)如下:

1) 單膠片二次透照技術(shù)、雙膠片一次透照技術(shù)和數(shù)字射線技術(shù)均可實(shí)現(xiàn)對(duì)9Ni鋼焊接接頭的檢測(cè),均可使底片滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求;

2) 試驗(yàn)結(jié)果表明,數(shù)字射線技術(shù)的成像質(zhì)量明顯優(yōu)于膠片技術(shù),能發(fā)現(xiàn)更多的缺陷信息,推薦優(yōu)先采用;

3) 經(jīng)工程應(yīng)用發(fā)現(xiàn),數(shù)字射線技術(shù)的檢測(cè)時(shí)間比膠片技術(shù)短,且能實(shí)時(shí)成像,可大大提高工程效率。