環(huán)形核燃料元件焊縫的數(shù)字X射線成像檢測

湯 慧，張小剛，俞東寶

(中核北方核燃料元件有限公司，包頭 014035)

環(huán)形核燃料元件作為一種新型元件，可大幅度提高燃料元件的傳熱效率，降低燃料芯塊溫度，顯著提升核電系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。環(huán)形核燃料元件焊縫包括端塞柱面環(huán)焊縫和端塞端部環(huán)焊縫，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。要求對(duì)其進(jìn)行100%數(shù)字X射線成像檢測。

圖1 環(huán)形核燃料元件結(jié)構(gòu)示意

數(shù)字X射線成像檢測技術(shù)是一種可以直接獲得數(shù)字化圖像的檢測技術(shù)，其成像質(zhì)量主要由靈敏度、清晰度和灰度來描述。該技術(shù)檢測效率高，可實(shí)時(shí)獲得質(zhì)量信息，可通過旋轉(zhuǎn)使射線束垂直于缺陷(減少畸變影響，提高缺陷的檢測精度)，更能適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)快速在線檢測的需求。

1 檢測原理

射線在穿透物質(zhì)的過程中會(huì)與物質(zhì)發(fā)生相互作用而強(qiáng)度減弱，強(qiáng)度衰減遵循指數(shù)衰減規(guī)律，衰減程度取決于物質(zhì)的線衰減系數(shù)和射線在物質(zhì)中的穿透厚度。當(dāng)物體中存在缺陷，且缺陷的衰減系數(shù)和物體材料的衰減系數(shù)不同時(shí)，缺陷與物體完好部位對(duì)射線的吸收程度不同，到達(dá)平板探測器的射線強(qiáng)度就不同，經(jīng)過圖像處理，就會(huì)得到黑度不同的影像，通過圖像即可對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。數(shù)字X射線檢測原理如圖2所示。

圖2 數(shù)字X射線檢測原理示意

試驗(yàn)設(shè)備為Comet HS-XY-320型高頻雙焦點(diǎn)X射線機(jī)(焦點(diǎn)直徑分別為1.0，0.4 mm)、PE 0822型成像板和專用圖像處理軟件、鋯合金絲型像質(zhì)計(jì)等，試驗(yàn)對(duì)象為φ 18 mm的鋯合金環(huán)形核燃料元件,其內(nèi)外包殼壁厚小于1 mm。

2 端塞柱面環(huán)焊縫數(shù)字X射線成像檢測工藝及金相檢驗(yàn)結(jié)果比較

2.1 檢測工藝

環(huán)形核燃料元件柱面環(huán)焊縫為中空式環(huán)焊縫，燃料棒端塞柱面環(huán)焊縫屬于小徑管對(duì)接環(huán)焊縫。對(duì)于給定的檢測系統(tǒng)，由式(1)可知，隨著焦點(diǎn)尺寸的減小，最佳放大倍數(shù)將增大，空間分辨率相應(yīng)提高。試驗(yàn)選擇的射線源焦點(diǎn)直徑為0.4 mm。

M0=1+(UC/d)3/2

(1)

式中：M0為最佳放大倍數(shù)；d為焦點(diǎn)尺寸；UC為探測器的固有不清晰度。

提高疊加幀數(shù)可有效提高信噪比但同時(shí)增加了檢測時(shí)間，當(dāng)疊加幀數(shù)在15幀以上時(shí)，繼續(xù)提高疊加幀數(shù)，信噪比無明顯提高。為了獲得高信噪比的圖像，試驗(yàn)的單幀采集時(shí)間不小于199 ms，疊加幀數(shù)為30幀～50幀。

隨著增益的增大，圖像灰度值和信噪比迅速增大；隨著單幀采集時(shí)間的增加圖像灰度有所增加，但增加緩慢。增益越大信噪比越大，當(dāng)圖像灰度值在30 000左右時(shí)信噪比存在最大值。因此試驗(yàn)設(shè)定增益為1.0 pF～2.0 pF，單幀采集時(shí)間為499 ms。

現(xiàn)場檢測時(shí)，在達(dá)到檢測規(guī)定的靈敏度條件下，應(yīng)選擇較小焦距以降低射線機(jī)的工作電壓，試驗(yàn)透照選擇管電流為3 mA，疊加幀數(shù)為50幀，焦距為750 mm，電壓為172 kV。射線檢測圖像的最小可見絲徑為0.20 mm，滿足靈敏度要求。焦距、管電壓、圖像灰度和靈敏度的變化關(guān)系(端塞柱面環(huán)焊縫)如表1所示[1-2]。

表1 焦距、管電壓圖像灰度和靈敏度的變化關(guān)系(端塞柱面環(huán)焊縫)

2.2 金相檢驗(yàn)結(jié)果比較

對(duì)環(huán)形核燃料元件端塞環(huán)焊縫的數(shù)字X射線檢測發(fā)現(xiàn)，柱面環(huán)焊縫的主要缺陷有單個(gè)氣孔、密集氣孔、未焊透和氣脹等4類，缺陷的數(shù)字X射線成像和金相照片如表2所示。

表2 端塞柱面環(huán)焊縫缺陷的數(shù)字X射線成像與金相照片

數(shù)字X射線成像檢測方法可有效檢測出環(huán)形核燃料元件柱面環(huán)焊縫中直徑大于0.20 mm的氣孔、夾雜等缺陷，可有效檢測出深度大于0.20 mm的氣脹、未焊透等缺陷。

3 端塞端面環(huán)焊縫數(shù)字X射線成像檢測工藝及金相檢驗(yàn)結(jié)果

3.1 檢測工藝

根據(jù)端面環(huán)焊縫的位置特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了內(nèi)部補(bǔ)償裝置，其結(jié)構(gòu)如圖3所示(圖中陰影部分為補(bǔ)償塊)。內(nèi)部補(bǔ)償裝置由經(jīng)過X射線檢測合格的材料按所檢焊縫的形狀和尺寸制造，其對(duì)X射線的吸收系數(shù)與被檢工件一致或相近。應(yīng)盡可能薄地加工一個(gè)內(nèi)插圓管進(jìn)行內(nèi)部補(bǔ)償，讓其與燃料元件的內(nèi)包殼內(nèi)壁緊密貼合；端部補(bǔ)償后尺寸應(yīng)與端頭外徑相當(dāng)，保證射線的均勻性。需要注意補(bǔ)償后總厚度的射線檢測靈敏度應(yīng)滿足檢測要求。

圖3 內(nèi)部補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)示意

試驗(yàn)設(shè)計(jì)焦距為7001 250 mm(增加間隔為50 mm)。試驗(yàn)需要保證平板探測器的有效灰度值大于30 000，所以管電流設(shè)定為3 mA，采集時(shí)間為200 ms，疊加幀數(shù)為50幀。焦距、管電壓、圖像灰度和靈敏度的變化關(guān)系(端塞端面環(huán)焊縫)如表3所示。

表3 焦距、管電壓和靈敏度的變化關(guān)系(端塞端面環(huán)焊縫)

由表3可見，當(dāng)焦距為1 150 mm時(shí)，最小可見絲徑為0.100 mm。最終確定檢測試驗(yàn)的焦距為1 200 mm，對(duì)應(yīng)管電壓為145 kV。補(bǔ)償后端塞端面焊縫的數(shù)字X射線成像檢測結(jié)果如圖4所示。

圖4 補(bǔ)償后端塞端面焊縫數(shù)字X射線成像檢測結(jié)果

3.2 金相檢驗(yàn)結(jié)果比較

端面環(huán)焊縫主要有單個(gè)圓形氣孔、單個(gè)條形氣孔和密集氣孔等體積型缺陷，其數(shù)字X射線成像和金相照片如表4所示。

表4 端塞端面環(huán)焊縫缺陷的數(shù)字X射線成像與金相照片

為進(jìn)一步分析樣品缺陷的三維尺寸，在發(fā)現(xiàn)缺陷后，采用4000目的金相砂紙每磨制30 s采集一張金相照片，某缺陷在4次分層金相檢驗(yàn)中的金相照片如圖5所示，該缺陷確定為φ 0.11 mm氣孔。

圖5 某缺陷分層金相檢驗(yàn)照片

通過對(duì)30個(gè)柱面環(huán)焊縫和30個(gè)端面環(huán)焊縫進(jìn)行數(shù)字X射線成像檢測及金相檢驗(yàn)，建立環(huán)形核燃料元件焊縫數(shù)字X射線成像檢測方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)該燃料元件環(huán)焊縫的有效評(píng)價(jià)。

4 結(jié)語

開展了環(huán)形核燃料元件端塞環(huán)焊縫的數(shù)字X射線成像檢測技術(shù)的研究，柱面環(huán)焊縫檢測圖像最小可識(shí)別絲徑達(dá)0.20 mm，可實(shí)現(xiàn)焊縫內(nèi)氣孔、未焊透和氣脹等缺陷的定性分析;針對(duì)端面環(huán)焊縫檢測存在的困難，結(jié)合焊縫用途和缺陷特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了射線檢測專用補(bǔ)償裝置，可有效檢測出端面環(huán)焊縫中直徑大于0.10 mm的氣孔、夾雜等體積型缺陷。