管道環(huán)焊縫數(shù)字射線成像檢測(cè)最少透照次數(shù)的確定

劉長(zhǎng)山

(四川迪派銳科技有限公司，綿陽(yáng) 621000)

國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的數(shù)字射線成像檢測(cè)常用標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T 3323.2-2019,NB/T 47013.11-2015,SY/T 4109.5-2013等，選擇管道環(huán)焊縫數(shù)字射線成像的最少透照次數(shù)時(shí)幾乎都是參照膠片射線檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，但是直接引用會(huì)存在很大的局限性，主要是因?yàn)槠桨逄綔y(cè)器呈剛性，無法像膠片一樣緊貼焊縫，且出于對(duì)平板探測(cè)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(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于膠片檢測(cè)的，因此必須要考慮進(jìn)行搭接，以避免漏檢的情況發(fā)生，此外平板探測(cè)器有效成像長(zhǎng)度很有限，常用的大面積平板探測(cè)器有效成像長(zhǎng)度約為300 mm，這就進(jìn)一步影響了透照次數(shù)。管道環(huán)焊縫射線檢測(cè)的主要透照方式為雙壁單影透照和中心內(nèi)透照兩種，從理論或標(biāo)準(zhǔn)角度考慮，兩種方式最少透照次數(shù)所涉及的控制指標(biāo)主要有幾何不清晰度、橫向裂紋檢出角、幾何放大倍數(shù)比、平板探測(cè)器的有效成像長(zhǎng)度以及X射線機(jī)輻射場(chǎng)范圍等，筆者依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 4109.5-2013分別對(duì)兩種透照方式影響透照次數(shù)的控制指標(biāo)進(jìn)行逐條分析。

1 雙壁單影透照方式最少透照次數(shù)的計(jì)算

利用數(shù)字射線成像技術(shù)對(duì)環(huán)焊縫進(jìn)行雙壁單影透照的透照布置如圖1所示。

圖1 雙壁單影透照布置示意

1.1 滿足幾何不清晰度的最少透照次數(shù)N1

圖1中，線段AC≈GI，則

(1)

(2)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 4109.5-2013要求有

1≥10d·2·T-1/3

(3)

則解出滿足幾何不清晰度的最少透照次數(shù)

N1=π/α

(4)

1.2 滿足K值(控制橫向裂紋檢出角)的最少透照次數(shù)N2

可以采用公式計(jì)算[1]或直接查標(biāo)準(zhǔn)附錄的最少透照次數(shù)圖來確定最少透照次數(shù)N2。因?yàn)橛?jì)算公式和標(biāo)準(zhǔn)附錄的最少透照次數(shù)圖均以膠片射線照相檢測(cè)為基礎(chǔ)，計(jì)算焦距F時(shí)未考慮h，所以計(jì)算數(shù)字射線成像檢測(cè)的最少透照次數(shù)時(shí)，需要將F-h作為公式中或查圖縱坐標(biāo)中的F值，代入計(jì)算公式求出N2。

1.3 滿足幾何放大倍數(shù)比的最少透照次數(shù)N3

標(biāo)準(zhǔn)SY/T 4109.5-2013，GB/T 3323.2-2019均規(guī)定了最大幾何放大倍數(shù)Mmax與最小幾何放大倍數(shù)Mmin之比應(yīng)不大于1.25，即

Mmax=F/1

(5)

Mmin=F/(φo+H)

(6)

Mmax/Mmin≤1.25

(7)

因此

N3=π/α

(8)

1.4 滿足探測(cè)器有效成像長(zhǎng)度的最少透照次數(shù)4

SY/T 4109.5-2013及NB/T 47013.11-2015標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定分段透照時(shí)，兩邊相鄰搭接長(zhǎng)度ΔL不小于10 mm，根據(jù)幾何關(guān)系

(9)

(10)

(11)

N4=π/α

(12)

式中:l為圖1中D點(diǎn)到M點(diǎn)的距離；N4為最大長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的最小透照次數(shù)。

1.5 輻射場(chǎng)范圍對(duì)最少透照次數(shù)的影響

雙壁單影透照一般使用定向X射線機(jī)，按靶面角度(定向X射線機(jī)固有的半輻射角)為20°計(jì)算，則有效輻照?qǐng)鲩L(zhǎng)度為2Ftan 20°≈0.73F，對(duì)于常規(guī)透照，其遠(yuǎn)大于有效評(píng)定長(zhǎng)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(chǎng)的影響。

1.6 小結(jié)

綜上，N1，N2，N3，4向上取最小整數(shù)值，然后選擇4個(gè)數(shù)值中最大值作為雙壁單影透照最終的最少透照次數(shù)N，并可得半圓心角α=π/N；一次透照長(zhǎng)度L3=πφo/N。由于探測(cè)器與探測(cè)器側(cè)管道外壁存在一定距離(h)，且探測(cè)器為剛性平面，因此探測(cè)器采集的數(shù)字圖像上有效評(píng)定長(zhǎng)度Leff要大于L3，可根據(jù)幾何關(guān)系求出Leff，即

Leff=Fφisinα/1

(13)

現(xiàn)以雙壁單影透照φ813 mm×22 mm(外徑×公稱厚度)管道環(huán)焊縫為例計(jì)算平板探測(cè)器滿足SY/T 4109.5-2013標(biāo)準(zhǔn)的最少透照次數(shù)N及有效評(píng)定長(zhǎng)度Leff。對(duì)于典型的管道環(huán)焊縫雙壁單影透照數(shù)字射線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，d為3 mm，H為250 mm，h為25 mm，L為305 mm，k為1.1。

根據(jù)1.11.4節(jié)分別求得N1=7，N2=5，N3=4，4=10，因此最少透照次數(shù)為10次，對(duì)應(yīng)的α=18°，有效評(píng)定長(zhǎng)度Leff=268.27 mm，每邊的搭接長(zhǎng)度ΔL=18.37 mm。使用SOLIDWORKS軟件進(jìn)行構(gòu)圖驗(yàn)算，當(dāng)N=10時(shí)，α=17.99°，k=1.02，1=1 020.84 mm，2=67.16 mm，有效評(píng)定長(zhǎng)度Leff=261.91 mm，每邊的搭接長(zhǎng)度ΔL=21.54 mm，可見誤差并不大，且文章中計(jì)算的ΔL比真實(shí)ΔL小，更加有利于缺陷的檢出。

由N1,N2,N3,4可知，按不同條件演算出的最少透照次數(shù)差距很大，原因在于管徑曲率的影響和探測(cè)器有效成像長(zhǎng)度的限制。對(duì)于直徑較大管道(φo≥508 mm;常用厚度)，實(shí)際應(yīng)用可以直接計(jì)算N2，4，然后取最大值作為最少透照次數(shù)，一般可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 中心內(nèi)透照方式最少透照次數(shù)的計(jì)算

利用平板探測(cè)器對(duì)環(huán)焊縫進(jìn)行中心內(nèi)透照的透照布置如圖2所示。

圖2 中心內(nèi)透照布置示意

2.1 滿足幾何不清晰度的最少透照次數(shù)N5

圖2中，CD≈2，則

(14)

(15)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 4109.5-2013有

1≥10d·2·T-1/3

(16)

則滿足幾何不清晰度的最少透照次數(shù)

N5=π/α

(17)

CD為圖中C點(diǎn)到D點(diǎn)的距離。

2.2 滿足幾何不清晰度的最少透照次數(shù)N6

計(jì)算原理與上節(jié)相同，則有

Mmax=F/1

(18)

(19)

Mmax/Mmin≤1.25

(20)

N6=π/α

(21)

2.3 滿足探測(cè)器有效成像長(zhǎng)度的最少透照次數(shù)N7

計(jì)算原理與上節(jié)相同，則有

(22)

N7=π/α

(23)

2.4 小結(jié)

綜上，N5，N6，N7向上取最小整數(shù)值，然后選擇3個(gè)數(shù)值中的最大值作為中心內(nèi)透照最終的最少透照次數(shù)N，并可得半圓心角α=π/N及一次透照長(zhǎng)度L3=π·φo/N。然后根據(jù)幾何關(guān)系求出Leff，即

Leff=F·φi·sinα/1

(24)

現(xiàn)以中心內(nèi)透照φ1 422 mm×25 mm(外徑×壁厚)管道環(huán)焊縫為例計(jì)算平板探測(cè)器滿足SY/T 4109.5-2013標(biāo)準(zhǔn)的最少透照次數(shù)及有效評(píng)定長(zhǎng)度。對(duì)于典型的管道環(huán)焊縫中心內(nèi)透照數(shù)字射線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，d為3 mm，h為25 mm，L為305 mm。

根據(jù)2.12.3節(jié)分別求得N5=16，N6=6，N7=17，因此最少透照次數(shù)取17，對(duì)應(yīng)的α=10.59°，有效評(píng)定長(zhǎng)度Leff=275.60 mm，每邊的搭接長(zhǎng)度ΔL=14.70 mm。同樣使用SOLIDWORKS軟件進(jìn)行構(gòu)圖驗(yàn)算，當(dāng)N=17時(shí)，α=10.58°，1=674.33 mm，2=61.67 mm，有效評(píng)定長(zhǎng)度Leff=275.02 mm，每邊的搭接長(zhǎng)度ΔL=14.99 mm，可見誤差并不大。

3 結(jié)語(yǔ)

標(biāo)準(zhǔn)SY/T 4109-2013附錄G中確定最少透照次數(shù)的公式綜合考慮了幾何不清晰度和探測(cè)器固有不清晰度，但是由于涉及隱函數(shù)較多，求解很復(fù)雜，此外圖像不清晰度(分辨率)可以使用補(bǔ)償原則進(jìn)行補(bǔ)償，也可以使用雙線型像質(zhì)計(jì)直接測(cè)定，因此并未考慮此方法。筆者所用方法借助EXCEL軟件或者數(shù)學(xué)軟件構(gòu)建關(guān)系，可以方便、快捷地確定管道環(huán)焊縫的最少透照次數(shù)，比直接參照射線膠片照相檢測(cè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來確定最少透照次數(shù)更加嚴(yán)謹(jǐn)，可為從事環(huán)焊縫數(shù)字射線成像檢測(cè)的人員提供參考。