數(shù)字探測(cè)器陣列成像檢測(cè)技術(shù)中管道焊縫一次透照長(zhǎng)度的計(jì)算

壓力管道是特種設(shè)備的重要組成部分，其檢測(cè)一般包括外觀檢測(cè)、焊接接頭表面缺欠檢測(cè)、焊接接頭內(nèi)部缺欠檢測(cè)、耐壓試驗(yàn)和泄漏性試驗(yàn)，其中焊接接頭內(nèi)部缺欠檢測(cè)是壓力管道檢測(cè)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。射線檢測(cè)是壓力管道埋藏缺欠檢測(cè)常用的無(wú)損檢測(cè)方法之一，對(duì)實(shí)現(xiàn)壓力管道制造過(guò)程中的質(zhì)量控制、節(jié)約原材料、改進(jìn)制造工藝、提高生產(chǎn)效率，保證在用管道的安全具有重要意義。常規(guī)膠片照相技術(shù)存在檢測(cè)效率低、環(huán)境污染、統(tǒng)計(jì)查詢(xún)不便等缺點(diǎn)，數(shù)字探測(cè)器陣列（DDA）成像檢測(cè)成為壓力管道數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的新方向。DDA檢測(cè)的平板探測(cè)器具有尺寸固定、剛性不能彎曲、無(wú)法緊密貼附曲面工件等特點(diǎn)，其一次透照長(zhǎng)度是焊縫數(shù)字射線檢測(cè)工藝中的重要參數(shù)，不僅影響工藝制定，同時(shí)影響檢測(cè)效率和檢測(cè)結(jié)果的可靠性。實(shí)際檢測(cè)工作中一次透照長(zhǎng)度受兩個(gè)因素限制，一個(gè)是射線源的有效照射場(chǎng)范圍，一次透照長(zhǎng)度不可能大于有效照射場(chǎng)的尺寸；另一個(gè)是射線檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)透照厚度比K值的規(guī)定，該參數(shù)間接限制了一次透照長(zhǎng)度的大小。實(shí)際檢測(cè)僅采用透照厚度比K值確定一次透照長(zhǎng)度難以保證缺欠的檢出率和檢測(cè)效率，難以適用于壓力管道焊縫檢測(cè)，因此確定管道焊縫DDA檢測(cè)技術(shù)的一次透照長(zhǎng)度對(duì)優(yōu)化無(wú)損檢測(cè)工藝，提高檢測(cè)效率具有重要意義。1管道縱縫一次透照長(zhǎng)度計(jì)算管道縱縫指管道長(zhǎng)度方向的直縫，其透照方式包括單壁單影和雙壁單影。縱縫DDA透照布置如圖1所示。圖1縱縫DDA透照布置示意（η為有效半輻射角；L3為一次透照長(zhǎng)度；d點(diǎn)為射線源；T為工件公稱(chēng)厚度；f為射線源至工件的距離；F為射線源至探測(cè)器的距離；P為探測(cè)器側(cè)工件上射線束中心位置到探測(cè)器的距離；Leff為探測(cè)器側(cè)焊縫的劃線長(zhǎng)度；LT為成像長(zhǎng)度；ΔL為工件與探測(cè)器的相對(duì)偏差長(zhǎng)度）在射線有效射束范圍內(nèi)，透照厚度比K、成像長(zhǎng)度LT，放大倍數(shù)M存在如下關(guān)系：由上式可知，平板工件射線的一次透照長(zhǎng)度與母材厚度無(wú)關(guān)，主要取決于射線輻射角度和透照的幾何條件，透照厚度比只與透照的輻射角度有關(guān)。在實(shí)際檢測(cè)中，對(duì)于常用的定向X射線機(jī)，其輻射角度一般為40°，為了控制橫向裂紋的檢出率，研究人員通過(guò)大量的試驗(yàn)得出結(jié)論：照射角度（半輻射角）超過(guò)15°時(shí)，隨著角度增大，裂紋檢出率顯著降低?；诖?，實(shí)際檢測(cè)時(shí)應(yīng)控制射線有效輻射場(chǎng)角度不大于30°。由于該輻照?qǐng)龇秶鷥?nèi)K值最大不超過(guò)1.07，不是一次透照長(zhǎng)度的主要限制因素，一次透照長(zhǎng)度主要受探測(cè)器的長(zhǎng)度和射線的輻射場(chǎng)限制。對(duì)于DDA檢測(cè)，若被檢工件的厚度相比焦距非常小，且探測(cè)器緊貼焊縫，直縫的一次透照長(zhǎng)度近似為一次透照探測(cè)器的成像長(zhǎng)度。但在實(shí)際工作中，剛性的探測(cè)器往往不能緊貼焊縫，一次透照長(zhǎng)度的計(jì)算公式為：ΔL與檢測(cè)工裝精細(xì)程度和操作仔細(xì)程度有關(guān)，在實(shí)際檢測(cè)中ΔL應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定，其取值范圍一般為20~60mm。探測(cè)器側(cè)焊縫劃線長(zhǎng)度Leff為：實(shí)際透照時(shí)，若搭接標(biāo)記放置在射線源側(cè)，則DDA圖像上搭接標(biāo)記之間長(zhǎng)度即為有效評(píng)定長(zhǎng)度，若搭接標(biāo)記放置在探測(cè)器側(cè)，則DDA圖像上的有效評(píng)定長(zhǎng)度為搭接標(biāo)記之間的長(zhǎng)度附加搭接長(zhǎng)度。2環(huán)焊縫中心透照一次透照長(zhǎng)度計(jì)算環(huán)焊縫內(nèi)透中心法曝光效率較高，主要用于大管徑壓力管道安裝過(guò)程中的檢測(cè)。該技術(shù)將射線源置于管道正中心，其檢測(cè)布置如圖2所示。圖2環(huán)焊縫中心透照布置示意環(huán)焊縫內(nèi)透中心法焦距固定，無(wú)須考慮輻射角和搭接長(zhǎng)度。該透照方式有半圓心角α等于半輻射角η，最少透照次數(shù)N的計(jì)算式為：此時(shí)一次透照長(zhǎng)度L3和探測(cè)器側(cè)劃線弧長(zhǎng)Leff為：式中：r為管道內(nèi)半徑；R為管道外半徑。3源在外雙壁單影透照一次透照長(zhǎng)度計(jì)算對(duì)于管徑為100~400mm的管道或無(wú)法實(shí)現(xiàn)單壁透照環(huán)焊縫（小徑管除外）檢測(cè)時(shí)，采用的透照方式一般為雙壁單影透照，即射線源發(fā)出的中心射線束偏離源側(cè)焊縫（但要通過(guò)環(huán)縫圓心），對(duì)探測(cè)器側(cè)焊縫成像，其透照布置如圖3所示。該透照方式的DDA一次透照長(zhǎng)度僅受有效輻照?qǐng)龇秶吞綔y(cè)器的有效成像長(zhǎng)度限制。圖3環(huán)焊縫雙壁單影法透照布置示意當(dāng)射線源焦點(diǎn)離環(huán)焊縫較遠(yuǎn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)輻射臨界角（η1和η2），當(dāng)η=η1時(shí)，K為極大值，當(dāng)η=η2時(shí)，K值為0，由于η1<η<η2時(shí)，K值變化較大，一般不用于內(nèi)部缺陷檢測(cè)。實(shí)際檢測(cè)時(shí)改變焦距F，使η<η1，故僅討論η<η1的情況。射線所穿過(guò)的壁厚T′為：按照K值的定義，其計(jì)算式為：N，L3和LT計(jì)算式為：式中：η′為有效半輻射角；D0為外直徑；Di為內(nèi)直徑；θ為影像最大失真角。該類(lèi)透照方式通常推薦采用以下步驟確定一次透照長(zhǎng)度和實(shí)際透照次數(shù)：(1)依據(jù)射線檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求確定透照厚度比K值，若θ不變，焦距F增大，則η角減小，α角減小，透照次數(shù)N增大，一次透照長(zhǎng)度L3減小，對(duì)于源在外雙壁單影透照，F(xiàn)=D0時(shí)，焦距最小，透照次數(shù)最少，一次透照長(zhǎng)度最大。實(shí)際檢測(cè)時(shí)為保證檢測(cè)效率，焦距應(yīng)盡可能小，同時(shí)，為防止射線機(jī)和探測(cè)器擺放位置偏差導(dǎo)致的成像不均勻或出現(xiàn)“白片頭”，一般應(yīng)在探測(cè)器成像區(qū)尺寸上減去一個(gè)誤差控制量，約30~50mm，再以此作為探測(cè)器的有效成像區(qū)長(zhǎng)度。(2)根據(jù)焦距F、透照厚度比K值等參數(shù)，計(jì)算出探測(cè)器成像長(zhǎng)度LT，比較LT與探測(cè)器有效成像區(qū)長(zhǎng)度的相對(duì)大小。若LT小于探測(cè)器有效成像區(qū)長(zhǎng)度，則按公式(7)和(12)計(jì)算透照次數(shù)并向上取整后得到實(shí)際透照次數(shù)，按式(5)和(6)計(jì)算一次透照長(zhǎng)度和探測(cè)器側(cè)劃線弧長(zhǎng)。若探測(cè)器有效成像區(qū)長(zhǎng)度小于LT，則以探測(cè)器有效成像區(qū)長(zhǎng)度作為新的LT，按式(17)計(jì)算有效半輻射角η′，按公式(11)計(jì)算K值，按公式(14)計(jì)算θ，當(dāng)D0>>T時(shí)，θ≈cos-1K-1，按公式(12)計(jì)算圓心角，再計(jì)算所需透照次數(shù)，最后計(jì)算一次透照長(zhǎng)度。實(shí)際檢測(cè)計(jì)算中若求出的η大于20°，則應(yīng)增加焦距F，令η小于20°，實(shí)際η不宜大于15°，否則將出現(xiàn)灰度不均勻或“白片頭”現(xiàn)象。4源在內(nèi)環(huán)焊縫單壁單影透照對(duì)于直徑大于400mm的環(huán)縫檢測(cè)，可采用單壁單影透照方法，分為源在內(nèi)和源在外兩種方式。源在外單壁透照實(shí)際檢測(cè)中極少使用，故主要分析源在內(nèi)單壁透照方式的一次透照長(zhǎng)度，其布置如圖4和圖5所示。圖4環(huán)縫源在內(nèi)單壁單影透照方式（F>R）布置示意圖5環(huán)縫源在內(nèi)單壁單影透照方式（F<R）布置示意在圖4情況下，可將其視為雙壁單影透照，各參數(shù)可按雙壁單影透照的公式計(jì)算。若為F＜R的情況，則按下列方法計(jì)算：式中：L3′為探測(cè)器側(cè)等分長(zhǎng)度。若F＞R，則無(wú)需考慮搭接的問(wèn)題；若F＜R，則需考慮搭接長(zhǎng)度，以避免漏檢。結(jié)語(yǔ)(1)根據(jù)輻射角計(jì)算出射線源有效照射場(chǎng)范圍，比較射線源有效照射場(chǎng)范圍與平板探測(cè)器有效成像區(qū)大小，選擇兩者較小值作為探測(cè)器可用長(zhǎng)度。(2)管道環(huán)焊