DR技術(shù)幾何不清晰度的控制

熊麗華，梁麗紅，朱黃金，戴小江

(1.南通中集能源裝備有限公司，南通 226001；2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029; 3.國家市場監(jiān)管重點實驗室無損檢測與評價領(lǐng)域， 北京 100029)

射線檢測是無損檢測的常規(guī)技術(shù)之一，應用廣泛。實施射線檢測的原則是檢測圖像質(zhì)量滿足相關(guān)標準的要求，因此，檢測圖像質(zhì)量是影響缺陷評定的重要因素。

檢測圖像質(zhì)量由3個評價指標構(gòu)成，分別是靈敏度，分辨率和信噪比[1]，其中幾何不清晰度(Ug)是影響檢測圖像分辨率的主要因素之一，是射線檢測工藝中的主要控制參數(shù)。焦距是射線透照的主要幾何參數(shù)，其余參數(shù)為射線源到工件表面的距離(f)以及工件表面到成像器件的距離(b)。對幾何不清晰度及相關(guān)參數(shù)的控制進行研究，重點對射線數(shù)字成像技術(shù)(簡稱DR技術(shù))對f的控制要求、透照曲面工件時b的計算方法進行深入探討。

1 幾何不清晰度控制

目前，國內(nèi)外對幾何不清晰度的控制通常有以下兩種方式。

(1) 根據(jù)使用的射線源或被檢工件厚度直接限定允許的最大幾何不清晰度。RCC-M 《壓水堆核島機械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則》 規(guī)定了不同的射線源允許的幾何不清晰度值；美國ASME BPVC.V-2021 《鍋爐及壓力容器規(guī)范》 則將被檢工件的厚度劃分為幾個區(qū)間，規(guī)定了每個區(qū)間允許的幾何不清晰度值。

(2) 根據(jù)幾何不清晰度方程，按照被檢工件的厚度計算允許的最大幾何不清晰度。

第(1)種控制方式的優(yōu)點是省去了計算，但允許值與被檢工件之間的關(guān)聯(lián)性相對第(2)種方式的關(guān)聯(lián)性小。如ASME規(guī)范規(guī)定，當工件厚度小于50 mm時，Ug的允許值為0.51 mm，而當工件厚度大于等于50 mm時，Ug的允許值為0.76 mm，兩個厚度分區(qū)的幾何不清晰度值變動較大；而RCC-M規(guī)范則規(guī)定，當使用400 kV以下的X射線源或Ir192γ射線源時，Ug允許值為0.30 mm，當使用Co60γ射線源時，Ug允許值為0.60 mm，當使用直線加速器或回旋加速器時，Ug允許值為1.0 mm。

第(2)種控制方式的優(yōu)點是，幾何不清晰度的要求直接與被檢工件厚度相關(guān)，不同的厚度要求的幾何不清晰度不同。

國內(nèi)大多采用第(2)種控制方式，其幾何不清晰度方程為

(1)

式中：a為檢測等級系數(shù)，根據(jù)標準要求確定；T為被檢工件厚度。

不同的技術(shù)標準規(guī)定的檢測等級系數(shù)不同，如ISO 17636-2標準規(guī)定的檢測等級系數(shù)分別為7.5(A級)和15(B級)。

實際射線檢測時，受成像器件的結(jié)構(gòu)及工況影響，成像器件無法緊貼工件。根據(jù)圖1的幾何投影，不清晰度計算公式如式(2)所示，此時工件上表面的幾何不清晰度最大。

圖1 幾何不清晰度示意

(2)

式中：d為射線源焦點尺寸。

由式2可知，幾何不清晰度與d,f和b相關(guān)。為得到更小的Ug應盡量減小d或b,增大f。在實際檢測中，當檢測系統(tǒng)選定后，d為確定值，此時幾何不清晰度的控制主要通過精確計算b及限制f的最小值來實現(xiàn)。

2 射線源到工件表面距離的控制

結(jié)合式(1)和式(2)可得到

(3)

滿足工件幾何不清晰度要求的最小f的計算式為

(4)

2.1 成像器件緊貼工件

(5)

將檢測等級系數(shù)7.5和15分別代入式(5)，可得[2]

(6)

式(6)為相關(guān)射線檢測標準對最小f的規(guī)定。即，通過對f下限值的控制間接地控制了幾何不清晰度。

2.2 成像器件無法緊貼工件

DR技術(shù)的幾種透照方式如圖2～4所示。當成像器件無法緊貼工件表面時，b往往大于1.2T，此時，應以式(4)計算最小f，才能保證幾何不清晰度得到控制。

圖2 DR技術(shù)環(huán)縫源在外單壁透照

圖3 DR技術(shù)環(huán)縫源在內(nèi)單壁透照

圖4 DR技術(shù)環(huán)縫雙壁單影透照

將檢測等級系數(shù)7.5和15分別代入式(4)，得到

(7)

式(7)即為DR技術(shù)檢測環(huán)向焊接接頭(以下簡稱環(huán)縫)時，不同技術(shù)等級對應的最小f值。

需要注意的是，小徑管環(huán)縫采用雙壁雙影透照方式時，工件的上壁和下壁作為一個整體同時成像，此時計算最小f值的工件厚度應取管外徑。

3 工件表面到成像器件距離的精確計算

對于DR檢測技術(shù)，當檢測系統(tǒng)和被檢對象確定后，d和T是已知條件，由式(7)可知，只有精確計算b值，才能準確控制f，從而控制幾何不清晰度，達到控制圖像質(zhì)量的目的。

檢測直焊縫(縱縫)時，工件表面到探測器的距離由工況決定，為確定值。小徑管環(huán)縫的檢測通常采取雙壁雙影透照方式(見圖5，6)，一次透照對管子環(huán)縫整體成像。成像分為兩種方式，一種是垂直透照重疊成像，一種是傾斜透照橢圓成像。

圖5 小徑管雙壁雙影透照布置示意(重疊成像)

圖6 小徑管雙壁雙影透照布置示意(橢圓成像)

對于重疊成像，b值由工況決定，為確定值。對于橢圓成像，f和b均沿射線束傾斜透照方向，理論上b值應根據(jù)射線束傾斜角度以及管道上壁的焊縫外表面到探測器的距離來計算。實際工程應用中，為實現(xiàn)快速運算，通常基于相似三角形的比例關(guān)系，用f′和b′(見圖6)替代f和b，此時b值與重疊成像法的b值相同，由工況決定，為確定值。

下面針對除小徑管外的環(huán)縫檢測，討論源在外和源在內(nèi)單壁透照、源在外雙壁單影透照時，b的精確計算方法。

由圖2圖4可知，不管采用哪種透照方法，b為一次透照長度范圍內(nèi)的焊縫表面與探測器之間的最大距離。當采用源在外單壁透照時，b實際為被檢區(qū)域中心到探測器之間的距離。只要工件與探測器的位置確定，b即為確定值，不隨f或一次透照長度的變化而改變。當采用源在內(nèi)單壁透照或源在外雙壁單影透照時，b為被檢區(qū)兩端的工件表面到探測器之間的距離，此時，b與工件的曲率、一次透照長度、射線源到工件表面的距離f以及工件外壁到探測器之間的距離均有關(guān)，其中任意一個參數(shù)變化，都將導致b發(fā)生變化。

3.1 源在外單壁透照b的計算

源在外單壁透照布置如圖7所示，圖中bg為射線中心線上工件內(nèi)表面到探測器之間的距離，與探測器的擺放位置有關(guān)，可以直接由工況條件給定。此時的b為

圖7 環(huán)縫源在外單壁透照布置示意

b=T+bg

(8)

3.2 源在內(nèi)單壁透照(F≤R+bg)b的計算

源在內(nèi)單壁透照布置如圖8所示(F≤R+bg，F(xiàn)為焦距，R為外圓半徑)，射線源位于環(huán)縫圓心與探測器中心點之間的連線上,圖中，be為一次透照長度的端點和中點在射線束中心線上的投影距離。該透照布置的定位標識應擺放在源側(cè)，此時一次透照長度的兩個端點A和B在工件的內(nèi)表面，be的計算應以內(nèi)半徑為依據(jù)。此時的b為

圖8 環(huán)縫源在內(nèi)單壁透照布置示意(F≤R+bg)

b=T+be+bg

(9)

be=r(1-cosα)

(10)

式中：α為一次透照長度對應的半圓心角；r為環(huán)縫內(nèi)半徑。

3.3 源在內(nèi)單壁透照(F>R+bg)和雙壁單影透照b的計算

環(huán)縫源在內(nèi)(F>R+bg)透照和雙壁單影透照的射線源、工件被檢區(qū)、探測器3者之間的位置關(guān)系是相同的，這兩種透照布置的射線源均位于圓心與探測器中心點連線上,遠離探測器一側(cè)(見圖9)，區(qū)別只在于射線源在工件內(nèi)部還是外部。這兩種透照布置的定位標識均應置于探測器側(cè)，一次透照長度的兩個端點A和B在工件的外表面。此時的b為

圖9 環(huán)縫源在內(nèi)單壁透照布置示意(F>R+bg)

b=T″+be+bg

(11)

(12)

be=R(1-cosα)

(13)

式中：α為一次透照長度所對應的半圓心角；η為一次透照長度對應的半輻射角;T″為一次透照長度端點處的實際穿透厚度在射線束中心線上的投影距離。

4 結(jié)語

(1) 射線檢測對幾何不清晰度的控制，是通過控制射線源到工件表面的距離f來實現(xiàn)的。DR檢測因探測器無法緊貼被檢工件，對最小f的控制比其他射線檢測方法更嚴格。

(2) DR檢測時，只有確定了一次透照長度和探測器與工件的相對位置，b才能被準確計算。

(3) 對環(huán)縫進行DR檢測，當采用源在內(nèi)單壁透照或雙壁單影透照方式時，b隨一次透照長度的變化而變化，與工件壁厚、工件的內(nèi)徑或外徑、圓心角以及輻射角有關(guān)。

(4) DR檢測人員應深入理解幾何透照條件對圖像質(zhì)量的影響，在實際檢測工作中正確編制工藝文件，通過準確計算b實現(xiàn)對最小f的控制，進而保障檢測圖像的質(zhì)量符合要求。