民用核鈦合金設(shè)備焊接接頭的目視檢測(cè)

石養(yǎng)鑫，張 成，亢 浩，魏 侃

(西安優(yōu)耐特容器制造有限公司，西安 710201)

鈦材因在濕氯氣、高溫鹽等工況中具有良好的耐蝕性，已被廣泛應(yīng)用于制造石油化工、化纖、精細(xì)化工、能源等行業(yè)使用的熱交換器、塔器、反應(yīng)器等設(shè)備。鈦材具有較高的活性，在400 ℃時(shí)開始吸氧、600 ℃開始吸氮，當(dāng)鈦焊縫中含有這些氣體成分時(shí),其焊接接頭的沖擊性能、塑性和韌性甚至耐蝕性能都會(huì)不同程度的降低，因此鈦材一般采用惰性氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，且對(duì)焊接氣氛要求極高。

目前，民用核鈦合金設(shè)備應(yīng)用相對(duì)較少，其目視檢測(cè)無專用成熟的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，而鈦合金設(shè)備在制造過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)焊縫外觀缺陷或接頭表面氧化等問題，目視檢測(cè)時(shí)，由于缺少權(quán)威統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)結(jié)果常判定不準(zhǔn)確和存在爭議。筆者結(jié)合多年鈦合金焊接接頭目視檢測(cè)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，并參照ASME規(guī)范 《鍋爐及壓力容器規(guī)范》 第Ⅴ卷第9章目視檢測(cè)要求、JB/T 4745 《鈦制焊接容器》-2002制定了鈦合金焊接接頭的目視檢測(cè)工藝[1]，并以18 mm×2 mm(直徑×壁厚，下同)的TA2合金管對(duì)接焊縫為例，介紹了目視檢測(cè)工藝及工藝驗(yàn)證的方法，并確定了最佳檢測(cè)工藝，可為同類設(shè)備的目視檢測(cè)提供參考。

1 檢測(cè)設(shè)備及儀器

焊縫目視檢測(cè)應(yīng)選擇與被檢測(cè)對(duì)象及環(huán)境等相匹配的設(shè)備和儀器，一般包括照度計(jì)、靈敏度灰卡、放大鏡、粗糙度儀、焊縫檢測(cè)尺、焊縫檢測(cè)樣板[2]、游標(biāo)卡尺、人工照明光源(白熾燈、手電筒)、視頻內(nèi)窺鏡及輔助工裝等。儀器應(yīng)處于良好狀態(tài)并在標(biāo)定合格有效期內(nèi)，對(duì)于目前國家法定計(jì)量單位暫未開展鑒定工作的儀器，應(yīng)自行采用適當(dāng)?shù)谋葘?duì)方法進(jìn)行校驗(yàn)或校準(zhǔn)，以保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的可信度以及精度在允許的誤差范圍內(nèi)。

2 驗(yàn)證試樣

為了保證檢測(cè)過程中工藝系統(tǒng)的有效性，以及驗(yàn)證檢測(cè)人員的能力，需制作目視檢測(cè)的專用驗(yàn)證試樣。

2.1 分辨力驗(yàn)證試樣

目前核工業(yè)均采用18%的中性灰卡作為目視檢測(cè)的參考背景，考慮到鈦材表面呈銀亮色，為了使參考背景更接近于鈦材表面，將寬為0.2，0.4，0.6，0.8 mm的4種黑線或其他類似人工缺陷放在檢測(cè)區(qū)域中最難以觀察到的待檢部位表面或相近似的表面，并根據(jù)產(chǎn)品要求的分辨力確定所需識(shí)別的線寬度，若產(chǎn)品技術(shù)文件無特殊要求，則核級(jí)鈦合金設(shè)備焊接接頭表面直接目視檢測(cè)的分辨力至少應(yīng)達(dá)0.6 mm線寬。

2.2 模擬對(duì)比試樣

為了對(duì)目視檢測(cè)人員的技能水平及工藝系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和驗(yàn)證，應(yīng)制作模擬對(duì)比試樣，試樣與被檢件具有相同或相近的材料、結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)，外表面缺陷、焊接接頭顏色等。

3 目視檢測(cè)方法

核級(jí)鈦合金設(shè)備焊接接頭目視檢測(cè)方法包括直接目視檢測(cè)技術(shù)和間接目視檢測(cè)技術(shù)兩種。

3.1 直接目視檢測(cè)技術(shù)

直接目視檢測(cè)技術(shù)利用肉眼直接進(jìn)行檢測(cè)，通常用于現(xiàn)場目視可達(dá)部位的檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)眼睛應(yīng)能充分靠近被檢焊縫，與被檢焊縫表面的距離不超過600 mm，眼睛與被檢焊縫表面所成的夾角不小于30°；檢測(cè)區(qū)域需有足夠的照明條件，一般檢測(cè)時(shí)至少要保證500 lx的光照強(qiáng)度，但不能有影響觀察的刺眼反光。在進(jìn)行核級(jí)鈦合金設(shè)備金屬表面檢測(cè)時(shí)不應(yīng)使用直射光，應(yīng)選用具有漫散射特性的光源；對(duì)于必須仔細(xì)觀察或發(fā)現(xiàn)異常情況需要做進(jìn)一步觀察和研究的焊縫區(qū)域，至少應(yīng)保證1 000 lx的光照強(qiáng)度。直接目視檢測(cè)技術(shù)應(yīng)能保證在與檢測(cè)環(huán)境相同的光源條件下，將分辨力驗(yàn)證試樣放在被檢區(qū)域中最難以觀察到的部位時(shí)，至少能清晰分辨出一條規(guī)定寬度的線或其他類似人工缺陷。

3.2 間接目視檢測(cè)技術(shù)

對(duì)于肉眼不易或無法進(jìn)行直接目視檢測(cè)的被檢部位和區(qū)域，可借助于視頻內(nèi)窺鏡、反光鏡或其他合適的輔助設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，即進(jìn)行間接目視檢測(cè)[3]。間接目視檢測(cè)應(yīng)至少具有與直接目視檢測(cè)相當(dāng)?shù)姆直婺芰Α?duì)于核級(jí)鈦合金設(shè)備焊接接頭的間接目視檢測(cè)，還需進(jìn)行適應(yīng)環(huán)境的工藝性驗(yàn)證試驗(yàn)，保證目視檢測(cè)系統(tǒng)能夠滿足檢測(cè)工作的要求。

工藝性驗(yàn)證試驗(yàn)一般在分辨力驗(yàn)證試樣和模擬對(duì)比試樣上進(jìn)行。驗(yàn)證環(huán)境應(yīng)盡可能與檢測(cè)環(huán)境相同或相近似，包括相似的表面條件或光照條件、表面結(jié)構(gòu)、反射比、表面粗糙度等。

4 工藝試驗(yàn)

用φ18 mm×2 mm TA2合金核級(jí)管的對(duì)接環(huán)焊縫來驗(yàn)證該檢測(cè)工藝的有效性。由于被檢管管徑較小，焊縫外表面可采用直接目視檢測(cè)，焊縫背面(焊縫根部)需采用間接目視檢測(cè)(視頻內(nèi)窺鏡)?？紤]到在實(shí)際目視檢測(cè)時(shí)，焊縫背面的間接目視檢測(cè)有一定技術(shù)難度，故試驗(yàn)主要對(duì)焊縫背部進(jìn)行間接目視檢測(cè)。

4.1 檢測(cè)準(zhǔn)備

檢測(cè)前需準(zhǔn)備照度計(jì)、視頻內(nèi)窺鏡、分辨力驗(yàn)證試樣、模擬對(duì)比試樣、檢測(cè)探頭輔助工裝等。

考慮到鈦材本身具有金屬光澤，在檢測(cè)過程中可能會(huì)產(chǎn)生炫光，故要求所用視頻內(nèi)窺鏡的光源亮度可調(diào)節(jié)，同時(shí)應(yīng)選擇對(duì)檢測(cè)顏色還原性較好的彩色視頻內(nèi)窺鏡。試驗(yàn)選用美柯MK-200型視頻內(nèi)窺鏡。

為了保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性，采用TA2合金材料作為參考背景，在該背景下應(yīng)能識(shí)別出規(guī)定寬度的黑線。

制作與被檢件材料、規(guī)格等一致的模擬對(duì)比試樣，并采用相同的焊接工藝進(jìn)行焊接，在焊縫根部制作不同程度的焊縫氧化、咬邊、內(nèi)凹等具有代表性的焊接表面缺陷。

被檢管管徑小，不能使用儀器上帶旋轉(zhuǎn)視向功能的探頭調(diào)節(jié)最佳觀察角度。為了保證觀察效果，選用0°視向和90°視向?qū)Ｓ锰筋^，分別從管端兩側(cè)觀察焊縫根部。利用光的反射原理，制作了一定角度的專用不銹鋼反光鏡片，加裝在0°視向探頭前端，通過光路轉(zhuǎn)折實(shí)現(xiàn)90°視向觀察，從而達(dá)到觀察檢測(cè)的目的。角度鏡工裝外觀如圖1所示。

圖1 角度鏡工裝外觀

為了保證內(nèi)窺鏡探頭能夠順利到達(dá)被檢部位，制作了輔助工裝，該工裝為數(shù)段10 mm×1.5 mm(直徑×壁厚)，長為500～1 500 mm的不銹鋼管，其兩端加工螺紋，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行拼接。輔助工裝外觀如圖2所示。

圖2 輔助工裝外觀

4.2 檢測(cè)工藝

模擬被檢部位環(huán)境做視頻內(nèi)窺鏡檢測(cè)光照度測(cè)試，移動(dòng)視頻探頭逐漸接近照度計(jì)測(cè)量頭，并記錄測(cè)量照度值，光照度應(yīng)大于1 000 lx。光照度測(cè)量現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 光照度測(cè)量現(xiàn)場

模擬被檢部位環(huán)境做視頻內(nèi)窺鏡分辨力測(cè)試，移動(dòng)視頻探頭逐漸接近分辨力驗(yàn)證試樣至0.6 mm粗的黑線能清晰可見。分辨力測(cè)試現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 分辨力測(cè)試現(xiàn)場

檢查過程中，應(yīng)平緩移動(dòng)探頭，速度不超過10 mm/s。檢測(cè)焊縫及熱影響區(qū)的氧化色時(shí)，采用直線進(jìn)退式掃描方式，每次掃查寬度不超過20 mm；采用間接目視檢測(cè)技術(shù)(即采用0°視向和90°視向的觀察方向)，分別從管端兩側(cè)對(duì)焊縫根部進(jìn)行觀察檢測(cè)。

4.3 檢測(cè)結(jié)果及分析

檢測(cè)完成后對(duì)試樣進(jìn)行解剖，進(jìn)行評(píng)價(jià)及驗(yàn)證，檢測(cè)情況如下所述。

(1) 根部焊縫及熱影響區(qū)顏色檢測(cè)。由管路兩端側(cè)0°視向， 90°視向觀察可見，焊縫及熱影響區(qū)均清晰可見藍(lán)色氧化(見圖5)。

圖5 焊縫及熱影響區(qū)表面顏色觀察及解剖結(jié)果

(2) 咬邊缺陷檢測(cè)。從管路兩端側(cè)0°視向觀察，發(fā)現(xiàn)咬邊缺陷不明顯；從管路兩端側(cè)90°視向觀察，發(fā)現(xiàn)咬邊缺陷較為明顯(見圖6)。

圖6 咬邊缺陷觀察及解剖結(jié)果

(3) 內(nèi)凹外觀缺陷檢測(cè)。從管路兩端側(cè)0°視向觀察，發(fā)現(xiàn)輕微內(nèi)凹缺陷顯示；從管路兩端側(cè)90°視向觀察，均發(fā)現(xiàn)明顯的內(nèi)凹缺陷(見圖7)。

圖7 根部內(nèi)凹缺陷觀察及解剖結(jié)果

(4) 焊瘤、內(nèi)凹、成型不良、藍(lán)色氧化缺陷檢測(cè)。從管路兩端側(cè)0°視向觀察，發(fā)現(xiàn)焊瘤缺陷；從管路兩端側(cè)90°視向觀察，均發(fā)現(xiàn)明顯的焊瘤、內(nèi)凹、成型不良、藍(lán)色氧化缺陷(見圖8)。

圖8 外觀缺陷觀察結(jié)果

(5) 無缺陷。從管路兩端側(cè)0°視向觀察，未發(fā)現(xiàn)缺陷；從管路兩端側(cè)90°視向觀察，未發(fā)現(xiàn)缺陷(見圖9)。

圖9 無缺陷表面的觀察及解剖結(jié)果

以上間接目視檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果表明，采用0°視向探頭從管路兩側(cè)進(jìn)行檢測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)焊縫及熱影響區(qū)的氧化缺陷，而對(duì)于較小的外觀缺陷，則不易發(fā)現(xiàn)或顯示不明顯；采用90°視向探頭，無論從管路哪一側(cè)對(duì)根部焊縫表面進(jìn)行檢測(cè)，均能得到各種外觀缺陷較清晰的視頻圖像，缺陷形貌特征清晰可見，易于定性。對(duì)各模擬對(duì)比試樣進(jìn)行了解剖，解剖后所觀察到的焊縫原始表面缺陷形貌，與間接目視檢測(cè)90°視向探頭觀察到的缺陷圖像形貌完全吻合，即證明在其他工藝參數(shù)不變的情況下，選擇90°視向探頭對(duì)該結(jié)構(gòu)管路環(huán)向焊縫根部進(jìn)行間接目視檢測(cè)是合適的，檢測(cè)結(jié)果也是可靠的。

試驗(yàn)確定了φ18 mm×2 mm TA2合金管根部焊縫間接目視檢測(cè)的最佳工藝參數(shù)，并有效驗(yàn)證了檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性，說明該工藝評(píng)價(jià)及驗(yàn)證方法是可行的。

5 結(jié)語

(1) 控制照明光源條件以達(dá)到最佳檢測(cè)觀察效果，調(diào)整觀察角度，避免表面炫光，使用與鈦表面反射光相適應(yīng)的照度級(jí)可更好地發(fā)現(xiàn)各種外觀表面缺陷。

(2) 視頻內(nèi)窺鏡應(yīng)有自動(dòng)智能光強(qiáng)調(diào)整及手動(dòng)光強(qiáng)調(diào)整功能，并具有較好的色彩還原性，能夠識(shí)別出氧化缺陷。

(3) 制作與被檢材料背景相同或相近似的分辨力驗(yàn)證試樣，以保證分辨力測(cè)試的真實(shí)性。

(4) 制作與被檢對(duì)象材料、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)相同或相近似，并含有代表性缺陷的專用模擬對(duì)比試樣，以保證模擬試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

(5) 民用核鈦合金設(shè)備焊接接頭在目視檢測(cè)前，需進(jìn)行必要的工藝性驗(yàn)證試驗(yàn)，以保證目視檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性。