管道環(huán)焊縫數字射線成像檢測最少透照次數的確定

國內現行的數字射線成像檢測常用標準主要有GB/T3323.2-2019，NB/T47013.11-2015和SY/T4109.5-2013等，選擇管道環(huán)焊縫數字射線成像的最少透照次數時幾乎都是參照膠片射線檢測標準，但是直接引用會存在很大的局限性，主要是因為平板探測器呈剛性，無法像膠片一樣緊貼焊縫，且出于對平板探測器安全的考慮，其需要與焊縫表面保持一定距離，這樣存在的幾何放大效應遠遠大于膠片檢測，因此必須要考慮進行搭接，以避免漏檢的情況發(fā)生。此外，平板探測器有效成像長度很有限，常用的大面積平板探測器有效成像長度約為300mm，這就進一步影響了透照次數。管道環(huán)焊縫射線檢測的主要透照方式為雙壁單影透照和中心內透照兩種，從理論或標準角度考慮，兩種方式最少透照次數所涉及的控制指標主要有幾何不清晰度、橫向裂紋檢出角、幾何放大倍數比、平板探測器的有效成像長度以及X射線機輻射場范圍等，技術人員依據標準SY/T4109.5-2013分別對兩種透照方式影響透照次數的控制指標進行逐條分析。1雙壁單影透照方式最少透照次數的計算圖1雙壁單影透照布置示意利用數字射線成像技術對環(huán)焊縫進行雙壁單影透照的透照布置如圖1所示，圖中L′1為射線焦點到有效部位端點源側表面連線的垂直距離；L′2為有效部位端點源側內表面到探測器接收面的垂直距離；Φo為管道外徑；Φi為管道內徑；d為射線機有效焦點尺寸；T為管道公稱厚度；H為射線焦點到源側管道外壁的最小距離；h為探測器側管道外壁到探測器的最小距離；α為最大一次長度對應的半圓心角；α′為有效評定長度對應的半圓心角；k為透照厚度比；L為探測器有效成像長度；Leff為數字圖像上的有效評定長度；F為射線焦點到平板探測器的距離。01滿足幾何不清晰度的最少透照次數N1圖1中，線段AC≈GI，則：根據標準SY/T4109.5-2013要求有：則解出滿足幾何不清晰度的最少透照次數為：02滿足K值(控制橫向裂紋檢出角)的最少透照次數N2可以采用公式計算或直接查標準附錄的最少透照次數圖來確定最少透照次數N2。因為計算公式和標準附錄的最少透照次數圖均以膠片射線照相檢測為基礎，計算焦距F時未考慮h，所以計算數字射線成像檢測的最少透照次數時，需要將F-h作為公式中或查圖縱坐標中的F值，代入計算公式求出N2。03滿足幾何放大倍數比的最少透照次數N3標準SY/T4109.5-2013，GB/T3323.2-2019均規(guī)定了最大幾何放大倍數Mmax與最小幾何放大倍數Mmin之比應不大于1.25，即：因此：04滿足探測器有效成像長度的最少透照次數N′4SY/T4109.5-2013及NB/T47013.11-2015標準均規(guī)定分段透照時，兩邊相鄰搭接長度ΔL不小于10mm，根據幾何關系有：式中：l為圖1中D點到M點的距離；N4為最大長度對應的最小透照次數。由式(9)~(12)可知，α′＜α，N′4＞N4，因此采用α′代替α計算最少透照次數，能確保更長的搭接長度并簡化計算過程，其實無論使用α′或α計算得到的透照次數N′4和N4向上取整后幾乎一致，即滿足探測器有效成像長度的最少透照次數可由式(9)~(10)確定。05輻射場范圍對最少透照次數的影響雙壁單影透照一般使用定向X射線機，按靶面角度(定向X射線機固有的半輻射角)為20°計算，則有效輻照場長度為2Ftan20°≈0.73F，對于常規(guī)透照，其遠大于有效評定長度Leff，因此除小徑管平移法雙壁雙影橢圓成像外，可以不考慮輻射場的影響。小結

綜上，N1，N2，N3，N′4向上取最小整數值，然后選擇4個數值中最大值作為雙壁單影透照最終的最少透照次數N，并可得半圓心角α=π/N；一次透照長度L3=πΦo/N。由于探測器與探測器側管道外壁存在一定距離(h)，且探測器為剛性平面，因此探測器采集的數字圖像上有效評定長度Leff要大于L3，可根據幾何關系求出Leff，即：現以雙壁單影透照Φ813mm×22mm(外徑×公稱厚度)管道環(huán)焊縫為例計算平板探測器滿足SY/T4109.5-2013標準的最少透照次數N及有效評定長度Leff。對于典型的管道環(huán)焊縫雙壁單影透照數字射線自動檢測系統(tǒng)，d為3mm，H為250mm，h為25mm，L為305mm，k為1.1。由上分別求得N1=7，N2=5，N3=4，N′4=10，因此最少透照次數為10次，對應的α=18°，有效評定長度Leff=268.27mm，每邊的搭接長度ΔL=18.37mm。使用SOLIDWORKS軟件進行構圖驗算，當N=10時，α=17.99°，k=1.02，L′1=1020.84mm，L′2=67.16mm，有效評定長度Leff=261.91mm，每邊的搭接長度ΔL=21.54mm，可見誤差并不大，且本文計算的ΔL比真實ΔL小，更加有利于缺陷的檢出。由N1,N2,N3,N′4可知，按不同條件演算出的最少透照次數差距很大，原因在于管徑曲率的影響和探測器有效成像長度的限制。對于直徑較大管道(Φo≥508mm；常用厚度)，實際應用可以直接計算N2和N′4，然后取最大值作為最少透照次數，一般可以滿足標準要求。2中心內透照方式最少透照次數的計算圖2中心內透照布置示意利用平板探測器對環(huán)焊縫進行中心內透照的透照布置如圖2所示。01滿足幾何不清晰度的最少透照次數N5圖2中，CD≈L′2，則：根據標準SY/T4109.5-2013有：則滿足幾何不清晰度的最少透照次數為：02滿足幾何不清晰度的最少透照次數N6計算原理與上節(jié)相同，則有：03滿足探測器有效成像長度的最少透照次數N7計算原理與上節(jié)相同，則有：小結

綜上，N5，N6，N7向上取最小整數值，然后選擇3個數值中的最大值作為中心內透照最終的最少透照次數N，并可得半圓心角α=π/N及一次透照長度L3=π·Φo/N。然后根據幾何關系求出Leff，即：現以中心內透照Φ1422mm×25mm(外徑×壁厚)管道環(huán)焊縫為例計算平板探測器滿足SY/T

4109.5-2013標準的最少透照次數及有效評定長度。對于典型的管道環(huán)焊縫中心內透照數字射線自動檢測系統(tǒng)，d為3mm，h為25mm，L為305mm。由上分別求得N5=16，N6=6，N7=17，因此最少透照次數取17，對應的α=10.59°，有效評定長度Leff=275.60mm，每邊的搭接長度ΔL=14.70mm。同樣使用SOLIDWORKS軟件進行構圖驗算，當N=17時，α=10.58°，L′1=674.33mm，L′2=61.67mm，有效評定長度Leff=275.02mm，每邊的搭接長度ΔL=14.99mm，可見誤差并不大。結語：標準SY/T4109-2013附錄G中確定最少透照次數的公式綜合考慮了幾何不清晰度和探測器固有不清晰度，但是由于涉及隱函數較多，求解很復雜，此外圖像不清晰