射線照相及其在不銹鋼焊管質(zhì)量檢測中的應(yīng)用
——中外不銹鋼管標準細節(jié)比較研究之六（上）

何德孚，王晶瀅

（1.上海久立工貿(mào)發(fā)展有限責任公司，上海200135；2.浙江德傳管業(yè)有限公司，浙江 湖州313105）

1 概 述

因某項海工產(chǎn)品所涉一宗不銹鋼管工貿(mào)中發(fā)生問題及爭議，筆者查閱了焊縫X射線照相檢測（RT）相關(guān)國內(nèi)外標準，其中包括：GB/T 3323—2005， JB/T 4730.2—2005， GB/T 19348.1 ～2—2003， GB/T 23901.1～5—2009， GB/T 23909.1～3—2009； ISO 5576： 1997， ISO 5579： 1998， ISO 9712： 2012， ISO 10893-6～7： 2011； ASTM E94-04（R2010）， E390-11， E747-04（R2010）， E999-10， E1000-98（R2009）， E1025-11， E1032-12，E1254-08， E1255-09， E1316-13d， E1416-09，E1647-09， E1815-08（R2013）； JISZ3106： 2001；ASMEB31.1， B31.3—2012， ASME B PVC—2013；AWSD1.6—2005中有關(guān)RT條款等和近幾年出版的手冊和教材[1－10]。發(fā)現(xiàn)RT雖然是一種相對較為成熟、國內(nèi)外早已在碳素及低合金結(jié)構(gòu)鋼焊接生產(chǎn)中積累了豐富經(jīng)驗的有效焊縫質(zhì)量無損檢測（NDT）方法，但由于射線檢測方法本身固有的弱點， 其檢測缺陷（defects）或瑕疵（imperfections）、不連續(xù)性（discontinuities）（這3個詞是國內(nèi)許多文獻、詞典乃至標準中大多都（譯）稱缺陷，國際上則早已有明確區(qū)分[1－2]）的靈敏度受膠片品質(zhì)和種類、屏蔽層和暗盒與膠片構(gòu)成的成像系統(tǒng)、X射線設(shè)備和拍攝技術(shù)參數(shù)、膠片顯影定影操作參數(shù)、讀片設(shè)備條件及評片者經(jīng)驗等諸多因素影響（見圖1），實際應(yīng)用中誤判或漏判及引起的爭議案例并不罕見。特別是隨著不銹鋼和鋁合金等材料品種的不斷增加，因靜電斑紋等偽像（artifacts）及衍射（diffraction）斑紋（假像）引起的誤判時有所聞。說明射線檢測的評判決非僅是缺陷評估標準及評判者經(jīng)驗的簡單問題。雖然這兩者也很重要，但更重要的卻是上述諸多因素決定的所拍攝膠片的影像質(zhì)量及其可檢測缺陷的靈敏度，此外還涉及設(shè)備和操作過程的穩(wěn)定性及重現(xiàn)性，并跟檢測件的幾何尺度及材質(zhì)決定的不連續(xù)性固有特征（包括母材和焊縫的結(jié)晶組織結(jié)構(gòu)特征）有著密切聯(lián)系。美國從1952年頒布E94，1959年頒布E142，到1996年頒布E1815前后相隔45年。我國2003年和2009年參考ISO 11699和ISO 19232頒布GB/T 19348和GB/T 23901等的歷程表明，人們經(jīng)過長期實踐才不斷深化對RT方法認識的漸進過程。筆者試圖從綜合射線檢測優(yōu)缺點和E390對各類鋼焊縫不連續(xù)性分辨能力的分解入手，然后在分析不銹鋼焊縫射線照相中易見的衍射斑紋產(chǎn)生原因基礎(chǔ)上，剖析單面焊雙面一次成形不銹鋼薄壁單道及厚壁雙面或單面多道熔化焊管焊縫的缺陷及其射線檢測特征，比較國內(nèi)外管道標準和不銹鋼管制造標準中對焊縫檢測方法規(guī)定的細節(jié)差異。指出射線檢測并非所有不銹鋼焊管質(zhì)量檢測的最佳選擇；只有采用雙面或單面多道焊的不銹鋼焊管，特別是加填充焊絲的厚壁焊管必須采用RT方法檢測，但焊縫質(zhì)量的判定還得靠目測檢測等方法的配合。為了保證RT檢測質(zhì)量應(yīng)盡可能采用單壁技術(shù)。

限于筆者的認識水平和本文篇幅，文中難免有偏頗或不當之處，敬請知者批評指正，更盼有識之士通過試驗和理論研究廓清尚存疑惑。

圖1 射線照相圖象質(zhì)量的影響因素[1－8]

2 RT的優(yōu)缺點

獲得廣泛認可的RT優(yōu)點是：①能提供氣孔、夾渣、未焊透等焊縫缺陷的真實、永久性記錄；②可適用各種類型材質(zhì)、形狀和尺度不同的產(chǎn)品檢測；③對大多數(shù)引起橫截面或厚度減低的不連續(xù)性都很敏感；④能提供大多數(shù)不連續(xù)性的具體定位及形態(tài)特征；⑤是一種體積型的NDT，尤其適合未及表面的內(nèi)部缺陷的檢測；⑥已有60余年應(yīng)用經(jīng)歷，包括醫(yī)學RT在內(nèi)總體信譽較高[7－9]。

但是隨著NDT檢測要求的不斷提高，認識到RT也有許多缺點，分別是：①藉膠片記錄的真實圖象質(zhì)量會隨時間變異，必須十分注意保存環(huán)境及使用操作才能保持其有效性，采用數(shù)字圖象技術(shù)雖可克服這一缺點，但直觀性和真實性都可能被訊號處理過程所淹沒或增加噪聲，致使其檢測靈敏度至今尚難以達到照相檢測的水平；②必須根據(jù)受檢材料選擇合適的射線源能量級別；③設(shè)備初始投資和耗材都很昂貴，是一種高碳排放的NDT方法；④檢測靈敏度受缺陷方向性制約，對面積型缺陷的檢測靈敏度不高[9]，微裂紋是檢測不出的[2]；⑤對人體和環(huán)境有安全隱患，必須嚴加防護；⑥RT操作及評片人員必須接受嚴格的培訓和考核取得認證資質(zhì)。提高攝片質(zhì)量、防止和識別偽像顯然是其關(guān)鍵，就像年輕醫(yī)生會根據(jù)X光片清晰偽像診斷出癌癥或反之造成漏診，資深醫(yī)生卻能識別偽像和模糊假像，其重要素養(yǎng)就在于能綜合患者的自訴及其他檢驗結(jié)果而并非只看X光片影像。焊縫射線檢測評判也應(yīng)關(guān)注其他NDT方法的配合[1，8]，過度依賴或只信賴射線檢測的觀點是不可取的。

3 ASTM E390給出的啟示

E242和E390是ASTM在1969年前就頒布的兩項輔助鋼焊縫射線照相評判用參考標樣照相及文字說明，其中前者曾列在ASME BPVC作為參考。E390則是所有上述ASTM標準中唯一注明為美國國防部認定其所屬機構(gòu)可采納的標準，是否說明其對軍品檢測有重要價值值得考量。下面引述其中某些條款只是為從中獲得有益的啟示。

（1）E390中用表格給出的不同厚度、各類不連續(xù)性射線照相例證（標樣）分為兩類，即分級和不分級。各種氣孔、夾渣、夾鎢、未焊透、未熔合在全部或大部厚度都是可分級檢測其嚴重程度的，說明對這些缺陷都是靈敏的。但各種裂紋、咬邊、長條狀氣孔及2 mm以下薄板焊縫的未焊透等都是不分級的，實際是對這些類型不連續(xù)性難以分級或靈敏度不高（見表1）。

表1 不同母材厚度射線照相例證（標樣）不連續(xù)性的類型[1]

續(xù)表

（2）4.2條款指出 “不分級的不連續(xù)性是作為信息用的”。附錄X1.2還提示：“所有膠片上裂紋跡象顯示要用恰當?shù)钠渌鸑DT方法進行研究后才能作出評判”?？梢娖鋵Υ祟惒贿B續(xù)性評定的謹慎程度。

（3）7.1.1條款指明：“分級的參考照相可整體或局部用作特定產(chǎn)品的合格評判標準”，但要按產(chǎn)品使用要求的不同確定多長焊縫允許哪一級不連續(xù)為合格級別。

（4）6.7和6.8條款指明焊瘤、燒穿這兩種不連續(xù)性只出現(xiàn)在單面焊縫中，其余則在雙面或單面焊縫中都可能出現(xiàn)。說明雙面或單面焊接是X射線照相檢測首先應(yīng)關(guān)注的要件。

（5）表2注明所采用膠片多為ASTM E94-83中的1級，但也有采用當時尚未列入E94的超細顆粒度和高對比度的膠片。按照目前國際上已有的膠片分類標準（表3），表2所采用分別為T2和C4級或T1和C1級膠片。顯然采用這樣高級別的膠片和表2所示參數(shù)都有助于提高標樣照相的質(zhì)量及靈敏度。實際應(yīng)用中膠片級別可能低于表2，照相質(zhì)量也可能會更低一些。 例如 GB/T 3323—2005及 JB/T 4730.2:2005規(guī)定的膠片級別為T3/C5（A級）或T2/C4（B 級）以上。

由以上可見，即使是軍品檢測，X射線照相也不能作為唯一的依據(jù)。

表2 射線照相技術(shù)①參數(shù)[1]

表3 射線照相用膠片的新歸分級標準匯總對照

4 不銹鋼焊縫X射線照相中的衍射斑紋

早在1960年以前就有某些輕合金鑄件X射線照相會出現(xiàn)特定斑紋（mottling）的討論[10]，文獻[11－13]對奧氏體不銹鋼焊縫X射線照相中此類斑紋有過較深入的試驗研究及探討，標準JISZ3106:2001根據(jù)其中某些研究在其附錄中有一簡要歸納，并稱之為衍射斑紋。文獻[3－5]對此所作論述與此類同。綜觀國際上現(xiàn)有文獻，筆者認為JISZ3106附錄5的歸納可能因過分簡單而存在某些片面或不恰當之處。

4.1 各向異性的晶體物理構(gòu)造是構(gòu)成斑紋的根本原因

文獻[10]用直徑225 mm鎂鑄錠近底部橫向切取的10 mm厚試樣的X射線照片（見圖2）討論了斑紋的形成原因，外貌跟宏觀金相浸蝕磨片光鏡照相相似的斑紋實際是清晰顯示出從鑄錠模壁向中心產(chǎn)生的粗大柱狀晶并在中心匯聚的形態(tài)，這些化學上均質(zhì)的相鄰晶體唯一區(qū)別是晶體中原子堆垛方向，即晶粒生長方向不相同；X射線在這些晶粒中沿某些特定晶格平面反射與入射X射線疊加后穿透晶粒，最終影響膠片接受能量，就會出現(xiàn)圖2所示圖像。這里所指特定晶格平面反射即入射X射線與晶格上堆垛的原子外層電子碰撞而改變方向的散射，衍射是其簡稱。由于化學上勻質(zhì)的晶體從空間堆垛的物理結(jié)構(gòu)上看是各向異性的。以面心立方晶為例，從圖3所示堆垛成球狀的原子或分子單晶體中可見各個方向上原子堆垛密度是不一樣的，111及1T1等晶格平面上的堆垛密度將大于100和010等晶格平面。晶粒生長方向不同的晶體在定向X射線照相膠片中就會顯示特定的反映晶粒生長方向的影像，恰當應(yīng)用這種影像可用來測定晶粒大小。但在X射線不連續(xù)性或缺陷檢測中，這類斑紋卻會降低照相對比度和照相質(zhì)量，從而使缺陷的辨認更加困難。

圖2 直徑225 mm試驗鎂錠近底部10 mm截片的X射線照片

圖3 面心立方晶體中原子堆垛的方向性[10]

4.2 晶粒大小對晶體衍射斑紋的決定性影響

美國NDT學會編輯的NDT手冊[8]指出：只有樣品厚度相對較小，而晶粒尺寸卻足夠大（到厚度的若干分之一時）才會在射線照相時出現(xiàn)X射線散射，即晶體衍射造成的斑紋。在大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用中樣品的晶粒尺寸都非常小，眾多方向各異的晶粒將使上述散射均勻分布在整個受感膠片平面上，因此不會觀測到上述斑紋。這可能就是大量應(yīng)用的碳素或低合金結(jié)構(gòu)鋼焊縫X射線照相中并未發(fā)現(xiàn)此類斑紋的原因。值得注意的是，目前發(fā)現(xiàn)上述斑紋的鋁合金和奧氏體不銹鋼均為面心立方晶體，而鎂則為密排立方晶體，但其體積堆垛密度卻均為0.74，所含空隙半徑則均為0.414r（8面體空隙）和0.224 7r（4面體空隙）；而碳和低合金鋼的體心立方晶體（鎂素體）體積堆垛密度僅為0.68，所含空隙半徑分別為0.155r及0.296r（以上r皆為原子半徑均值），雖然空隙數(shù)量更多，但每個空隙體積更小而分散。筆者認為這可能是值得深究的一個深層次原因。

4.3 晶界偏析等不連續(xù)性是引起奧氏體不銹鋼焊縫衍射斑紋的更直接誘因

文獻[12－13]和JISZ3106均把奧氏體不銹鋼X射線照相中出現(xiàn)的衍射斑紋分為羽毛狀、斑點狀和線狀3種類型。其中羽毛狀和斑點狀斑紋其實是跟焊縫兩側(cè)從母材半熔化晶粒上外延生長的柱狀晶生長曲線形狀密切相關(guān)的；文獻[13]明確指出前者是焊速較低，后者是焊速較快時不同晶粒生長曲線形狀相對應(yīng)的。文獻[11]則指明所呈現(xiàn)斑紋是跟晶界相對應(yīng)的。而線狀斑紋實質(zhì)是焊縫中心線晶界相對應(yīng)的，這些線狀斑紋可能單獨出現(xiàn)，也可能跟羽毛狀或斑點狀混合呈現(xiàn)。因此文獻 [8]指出這些斑紋的成因是晶界偏析（segregation）和多孔性（porosity），后者可以理解為晶界隨機配位時經(jīng)常會出現(xiàn)的晶格空位和錯位，使晶界晶體組織疏松，密度較低[14]。文獻[11]還用拉伸試驗測定的延伸率數(shù)據(jù)證明這種X射線照相出現(xiàn)的斑紋對比度越高，延伸率越低的相關(guān)性（見圖4），這些斑紋實際是晶界偏析、微裂紋和多孔性等構(gòu)成的不連續(xù)性造成的，而這難以僅用晶體衍射現(xiàn)象解釋。也就是說這些斑紋的成因與缺陷影像成因有相似之處，但都可能受晶體衍射的影響[11－13]。JISZ3106的歸納顯然過于簡單，甚至可能是一種誤導(dǎo)。

圖4 奧氏體不銹鋼焊縫金屬的伸長率與射線照相對比度的關(guān)系

4.4 衍射斑紋的識別

（1）文獻[8]指出：“由多孔性和偏析形成的斑紋有時會與晶體衍射引起的斑紋相混淆。兩者的識別方式是通過使樣品在X射線中心束垂直平面旋轉(zhuǎn)1°～5°連續(xù)作兩次拍攝照相，多孔性或偏析形成的斑紋變化很小，而晶體衍射引起的斑紋會有很大變化。但有一些照相上斑紋會把兩者影響混合在一起，需要細致觀察才能識別?！?/p>

（2）文獻[8]還指出：“提高X射線的管電壓和采用鉛箔屏蔽可減低甚至消除由衍射引起的斑紋。但前者會使照相對比度降低。因為難以用公式表達這一規(guī)律，或許要兩者合用并通過試驗才能取得效果?！?/p>

以上所述顯然與JISZ3106附錄5的歸納有明顯差別，但卻與文獻[11－13]許多試驗結(jié)果基本一致。

4.5 斑紋與缺陷成像的識別

文獻[12－13]指出，斑紋在不銹鋼焊縫射線檢測中出現(xiàn)的頻度很高（見表4）。根據(jù)經(jīng)驗或采集的標樣照相，其中約40%可以判定就是此類斑紋而非缺陷；另外有40%左右需要采用上述改變角度、改變射線管電壓、采用鉛箔屏蔽（其中包括采用柵格、網(wǎng)孔式屏蔽、狹縫式鉛板蔽光等）、改變工件與膠片之間距（擴散法）專門試驗才能判定是此類斑紋。但是有10%以上帶斑紋的膠片即使采用上述各種方法仍然難以判定是此類斑紋或缺陷。這些膠片大多含有線狀斑紋的影像很容易跟未焊透或裂紋等相混淆，最終通過切斷解剖才分清其絕大多仍然是此類斑紋。只有2個實例發(fā)現(xiàn)是表面劃傷（PAW膠片）或表面未熔合（GMAW膠片），另有一個（GMAW膠片實例）解剖后仍難以斷定。以上說明：①除了GMAW焊接方法以外，不銹鋼焊縫X射線照相中出現(xiàn)的斑紋都不是未焊透裂紋等缺陷的影像，但是目測檢測不可缺失；②由于JISZ3106附錄中對衍射斑紋的識別和判定的歸納十分簡要，且把晶格衍射和晶界不連續(xù)性引起的斑紋混淆在一起，因此絕不可據(jù)此理解為通過簡單的改變X射線管電壓或角度就能判定所有斑紋形成的原因，更不能完全消除所形成的斑紋。

表4 國外奧氏體不銹鋼焊縫X射線照相上出現(xiàn)斑紋的統(tǒng)計①⑥

4.6 雙壁成像可能使斑紋和瑕疵更難判定

小直徑焊管縱縫或環(huán)縫常采用雙壁成像法作射線檢測，原因如下：

（1）按雙倍壁厚選擇較高管電壓而降低照相對比度；

（2）按雙倍壁厚選擇IQI線徑（見表5），意味著檢測瑕疵靈敏度降低，單壁成像時可識別的缺陷在雙壁成像時就無法識別，如果按表5中AWS D1.6規(guī)定的最大線徑靈敏度將更低；

表5 歐美標準中對鋼管采用RT檢測時規(guī)定的線型像質(zhì)計IQI規(guī)格

（3）通過第1層壁厚實際穿透第2層壁厚的射線頻段提高而波段減低，這將改變晶體衍射影響；另一方面因膠片離第一層壁厚很遠，容易在膠片上放大可能存在的微小表面瑕疵，加大焊縫缺陷識別難度。

EN ISO 10893-6:2011中規(guī)定 “鋼管射線檢測必須采用單壁成像。如果采用雙壁成像必須供需雙方商定”；JISZ 3106：2001中規(guī)定雙壁成像只適用于環(huán)縫管接頭，很可能都與此有關(guān)。

（待續(xù)）

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