苯酚管道數(shù)字射線在線檢測試驗研究

郝 剛* 段志祥 韓紅偉 胡杭健 代淮北

（中國特種設(shè)備檢測研究院）

0 引言

苯酚是一種弱酸，又名石炭酸，常溫下為一種白色晶體，具有毒性，密度為1.071 g/cm3。苯酚有腐蝕性，易溶于有機溶劑，當(dāng)溫度高于65.3 ℃時，可以溶于水。苯酚是重要的有機化工原料，在眾多工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1]。

苯酚管道在苯酚丙酮裝置和雙酚 A(BPA)裝置等化工裝置中必不可少，且數(shù)量眾多，苯酚管道等級按壓力和溫度不同可以劃分為GC1 和GC2，需要按照TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗規(guī)則——工業(yè)管道》的規(guī)定進行定期檢驗。苯酚管道的材質(zhì)一般選用奧氏體不銹鋼，苯酚腐蝕性強，具有致癌性，苯酚管道全部排空困難，檢測周期長，成本高。苯酚管道帶液進行檢測，能縮短檢驗周期，降低成本，給企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟效益。不銹鋼的晶粒粗大，管道壁厚薄，超聲波檢測的效果不佳，采用射線檢測是一種較好的選擇。

數(shù)字成像檢測技術(shù)與傳統(tǒng)射線膠片照相的原理相同，不同點主要在于接收器件和顯示方式。相比于傳統(tǒng)的膠片照相，其圖像對比度、信噪比高，厚度、寬容度和動態(tài)范圍大[3]，數(shù)字射線檢測（DR）在相同條件下需要的射線能量小，透照時間短，厚度寬容度和動態(tài)范圍更大。同時DR 可以實時顯示檢測圖像，驗證檢測工藝的符合性，并根據(jù)圖像顯示及時修改工藝參數(shù)，檢測結(jié)果可以在現(xiàn)場進行初步評定?，F(xiàn)在國內(nèi)開展了含液體介質(zhì)管道射線檢測、導(dǎo)熱油管道射線的在線檢測研究[4-6]，并進行了一些工程應(yīng)用，均得到了較好的檢出效果，在帶介質(zhì)管道檢測中具有明顯的優(yōu)勢。

本文通過設(shè)計制作包含不同缺陷且不同規(guī)格的試樣，采用有介質(zhì)和無介質(zhì)的不同工況進行數(shù)字射線檢測試驗，模擬苯酚管道在線檢測，研究缺陷在不同工況下的檢出情況，對比2 種工況的檢測結(jié)果，驗證苯酚管線數(shù)字射線在線檢測的可行性和有效性。

1 試驗方案

1.1 試樣的設(shè)計

通過現(xiàn)場調(diào)研，苯酚管道材質(zhì)一般選用奧氏體不銹鋼，厚度等級為10S。選擇常用的幾種管道規(guī)格加工試件，考慮現(xiàn)有射線機的穿透能力，最大管徑選取DN 250 mm，試樣管徑選擇DN 50 mm、DN 80 mm、DN 100 mm、DN 150 mm、DN 200 mm、DN 250 mm 共6 種規(guī)格，厚度選擇4～5 mm（按實際壁厚）。根據(jù)在役管道中經(jīng)常出現(xiàn)的典型缺陷，選擇其中有代表性的幾種缺陷來加工制作試樣。體積型缺陷選擇氣孔、未焊透，面積型缺陷選擇裂紋。試件材質(zhì)選用304 奧氏體不銹鋼。苯酚管道介質(zhì)為苯酚溶液，苯酚的密度為1.071 g/cm3，5%（質(zhì)量分數(shù)）苯酚水溶液的密度為1.004 4 g/cm3（25 ℃），其密度和水很接近?？紤]試驗安全性和可操作性，試驗介質(zhì)采用水替代苯酚。試樣缺陷參數(shù)可見表1。

表1 試樣缺陷參數(shù)

1.2 檢測系統(tǒng)

試驗采用數(shù)字射線檢測系統(tǒng)，主要設(shè)備為MG452 高頻射線機，焦點尺寸有0.4、1.0 mm 2 種可以選擇，最大管電壓為450 kV。探測器的型號為XRD1621，像素尺寸為200μm。試樣在無介質(zhì)和滿介質(zhì)的工況下分別進行數(shù)字射線檢測，檢測圖像的靈敏度和分辨率可參考標準NB/T 47013.11—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第11 部分：X 射線數(shù)字成像檢測》。標準NB/T 47013.11—2015 適用于不含介質(zhì)的工況下檢測，帶介質(zhì)管道的數(shù)字射線檢測還沒有相應(yīng)的國家標準。試驗中，帶介質(zhì)管道的數(shù)字射線檢測可參照NB/T 47013.11—2015 標準。

2 試驗實施

結(jié)合試樣的規(guī)格，DN 100 mm 以上管徑使用雙壁單影、小徑管使用雙壁雙影的透照方式，先進行無介質(zhì)的試樣的射線檢測，再調(diào)整工藝參數(shù)，使圖像質(zhì)量達到滿意的效果。檢測過程中記錄檢測數(shù)據(jù)，保存檢測圖像，對缺陷進行評定。無介質(zhì)試樣檢測全部完成后，再給試樣加滿水，進行有介質(zhì)試樣的數(shù)字射線檢測，將結(jié)果和無介質(zhì)的試驗結(jié)果進行比對，研究液體介質(zhì)對數(shù)字射線檢測的影響，以及缺陷檢出情況。

（1）透照管電壓

對于含有介質(zhì)管道的射線檢測，射線不但要穿透工件本身的厚度，還需要穿透管內(nèi)介質(zhì)。管內(nèi)介質(zhì)會吸收射線，使射線能量衰減，而且介質(zhì)使射線散射增加，降低圖像對比度，使靈敏度和分辨率都降低，缺陷檢出率降低。受高頻射線機最大功率限制，當(dāng)使用電壓為300 kV 時，最大管電流為5 mA。再增加管電壓，管電流逐步下降，當(dāng)管電壓為420 kV，最大管電流為3.55 mA，開窗時間使用為1 s。含介質(zhì)試樣的管徑和管電壓增幅關(guān)系如圖1 所示。

圖1 不同管徑試樣（充滿水）的透照電壓

（2）最佳放大倍數(shù)

和傳統(tǒng)射線膠片需要膠片緊貼被檢工件不同，數(shù)字成像檢測技術(shù)使用的探測器可以和被檢工件間隔一段距離，使圖像放大，提高圖像的清晰度。對于給定的檢測系統(tǒng)，其最佳放大倍數(shù)M0可通過下式進行計算：

式中：d——焦點尺寸，試驗用射線機的焦點尺寸選取1.0 mm；

Uc——探測器的固有不清晰度（約等于探測器像素尺寸的2 倍），試驗用探測器像素尺寸為200μm。

通過計算可知，試驗用的檢測系統(tǒng)最佳放大倍數(shù)M0為1.25。根據(jù)公式M=F/f，可以計算透照焦距和探測器至被檢工件表面的最佳距離，計算結(jié)果可見表2。在檢測中，可以根據(jù)現(xiàn)場實際條件選取適合的焦距，提高圖像的質(zhì)量。

表2 探測器距離被檢工件的最佳距離

3 試驗結(jié)果

根據(jù)試樣在有無介質(zhì)2 種工況條件下，對比分析數(shù)字射線檢測結(jié)果，結(jié)合檢測圖像，從透照電壓、圖像質(zhì)量、缺陷檢出3 個方面進行了討論。

3.1 透照電壓分析

射線檢測中的X 射線是含有散射線的“寬束”射線，是多種能量的集合。介質(zhì)和射線能量之間的關(guān)系不是線性增加的，而是指數(shù)級增加。介質(zhì)對射線的衰減和吸收系數(shù)、半價層和散射比有影響。吸收系數(shù)隨介質(zhì)增加而減少，半價層隨介質(zhì)增加而增大，散射比隨電壓升高而減小，且計算公式較復(fù)雜，很難進行準確計算[8]。對圖1 的結(jié)果進行分析后可知，隨著管徑增大，管內(nèi)介質(zhì)增加，透照管電壓增幅較大，帶介質(zhì)管徑為DN 250 mm，開窗時間為1 s，管電壓達到420 kV。DR 圖像的灰度范圍為20%～80%，寬容度很大，曝光量的范圍大，可以降低管電壓，增加透照時間。X 射線檢測首先要有足夠的穿透力，提高管電壓，可以使射線能量增大，穿透能力增強，但隨著射線能量提高，對比度會下降，靈敏度會降低，所以相關(guān)標準都對最高管電壓做了限制。

試驗使用的介質(zhì)是水，苯酚管道介質(zhì)密度和物料成分、密度和含量有關(guān)，根據(jù)現(xiàn)場苯酚管道溶液的實際密度選取曝光量，由于管內(nèi)介質(zhì)的緣故，使用了較高管電壓，為了能提高圖像質(zhì)量，需要增加曝光量。圖1 為不同管徑試樣（充滿水）的透照電壓選擇參數(shù)，再通過現(xiàn)場驗證的方式調(diào)整，獲得較高的靈敏度，提高小缺陷的檢出能力。

3.2 圖像質(zhì)量分析

圖像質(zhì)量包括靈敏度和分辨率2 個重要指標，可分別用線型像質(zhì)計和雙絲型像質(zhì)計進行測定。組成探測器的像素是敏感電子元件，分辨率受元件最小尺寸限制，小徑管曲率大，雙絲像質(zhì)計不能嚴密貼緊管壁，薄壁管分辨率有時達不到標準的要求，在保證信噪比的情況下，可通過圖像靈敏度來補償圖像分辨率的不足，即當(dāng)靈敏度高于標準1 個絲號級別時，允許分辨率低于標準1 絲號級別，補償最大不得超過2 個絲號級別。從表3 可以看出，試樣的分辨率為D8，標準要求為D9，靈敏度為W16，標準要求為W14，按補償原則，圖像質(zhì)量可滿足要求。

表3 檢測工藝參數(shù)和檢測結(jié)果

由表3 可見，介質(zhì)增加會使分辨率和靈敏度都降低，DN 100 mm 及以下的管道，靈敏度下降很少，像質(zhì)指數(shù)幾乎沒有變化，液體介質(zhì)使射線散射增加，使分辨率下降，分辨率可以下降1～2 個絲號級別。隨著管徑增大，靈敏度開始下降。當(dāng)管徑為DN 150 mm、DN 200 mm、DN 250 mm 時，每增大一個管徑規(guī)格，靈敏度則下降一個等級，分辨率下降變緩，DN 250 mm 下降2 個絲號級別。隨著管徑增大，管電壓增幅較大，靈敏度下降加快。管電壓提高會減小散射比，提高分辨率，分辨率下降變得平緩。DN 250 mm 的含介質(zhì)的管道檢測靈敏度和分辨率都低于標準的要求。

3.3 缺陷檢出分析

對不同管徑，在有無介質(zhì)工況下的數(shù)字射線缺陷檢出情況，結(jié)合缺陷的檢測圖像進行分析。將管徑為DN 50 mm、DN 80 mm、DN 100 mm 時的檢測圖像進行對比后可知，含介質(zhì)試樣圖像質(zhì)量下降不明顯，在2 種工況下，試樣圖像的清晰度差別不大，缺陷的對比度幾乎一樣，缺陷圖像清晰，性質(zhì)容易判斷，如圖2～圖4 所示。對于管徑為DN 150 mm ～DN 250 mm 的試樣，隨著管徑增大，管內(nèi)介質(zhì)增加，透照厚度加大，檢測圖像的靈敏度和分辨率都下降。介質(zhì)造成的射線衰減提高了背景噪聲，缺陷的對比度明顯下降，如圖5～圖10 所示。介質(zhì)的散射降低了信噪比，使缺陷的細小特征不明顯甚至消失，增大了缺陷性質(zhì)判斷的難度。從圖6 可見，裂紋的微小尖端的成像不明顯，細節(jié)特征消失，但從整體形狀可以判斷其為裂紋。隨介質(zhì)厚度增加，為了保證射線能穿透介質(zhì)，需要加大射線能量，但是即使在中等射線能量范圍內(nèi)，也就是現(xiàn)場常用的射線機的能量范圍（100 ～500 kV），隨著能量提高，康普頓效應(yīng)影響增大，康普頓效應(yīng)產(chǎn)生的散射線會降低缺陷的對比度，影響缺陷的檢出。

圖2 DN 50 mm×4 mm試樣裂紋缺陷在無介質(zhì)和有介質(zhì)條件下的檢測圖像

圖3 DN 80 mm×4 mm試樣裂紋缺陷在無介質(zhì)和有介質(zhì)條件下的檢測圖像

圖4 DN 100 mm×4 mm試樣未焊透缺陷在無介質(zhì)和有介質(zhì)條件下的檢測圖像

圖5 DN 150 mm×4 mm試樣氣孔缺陷在無介質(zhì)和有介質(zhì)條件下的檢測圖像

圖6 DN 150 mm×4 mm試樣裂紋缺陷在無介質(zhì)和有介質(zhì)條件下的檢測圖像

圖7 DN 200 mm×4 mm試樣氣孔缺陷在無介質(zhì)和有介質(zhì)條件下的檢測圖像

在2 種工況下，管徑DN 50 mm ～DN 250 mm 試樣的氣孔均能有效被檢出，包括管徑DN 250 mm 試樣中的 1.0 mm 的氣孔（詳見圖9），未焊透缺陷也可以檢出（詳見圖8、圖10）。這說明數(shù)字射線檢測對氣孔和未焊透等體積型缺陷檢出率高，在含介質(zhì)的工況下也可以檢出。在2 種工況下，試樣中的裂紋可以檢出（詳見圖2、圖6）；但DN 80 mm 試樣的裂紋在不含介質(zhì)正常透照的情況下，并沒有被檢出，隨后不斷調(diào)整透照角度，在合適的透照角度檢出了裂紋，用相同角度在含介質(zhì)的工況下透照，裂紋也可以檢出（詳見圖3）。說明了除介質(zhì)的影響，透照角度也是面積型缺陷檢出的重要影響因素。

圖8 DN 200 mm×4 mm試樣未焊透缺陷在無介質(zhì)和有介質(zhì)條件下的檢測圖像

圖9 DN 250 mm×4 mm試樣氣孔缺陷在無介質(zhì)和有介質(zhì)條件下的檢測圖像

圖10 DN 250 mm×4 mm試樣未焊透缺陷在無介質(zhì)和有介質(zhì)條件下的檢測圖像

對于含介質(zhì)管道的DR 檢測，需要考慮介質(zhì)對缺陷檢出的影響，合理選擇工藝參數(shù)，盡量降低介質(zhì)的影響程度，提高缺陷的檢出率。檢測前應(yīng)查閱管道的相關(guān)資料，了解焊接接頭坡口形式、焊接方法，管道的使用和檢驗情況。對于可能出現(xiàn)的裂紋和未熔合等面積型缺陷的焊接接頭，利用DR 實時成像的優(yōu)點，選擇合適的透照角度或者多角度進行透照，盡可能提高缺陷的檢出率。對檢測結(jié)果有懷疑時，應(yīng)從嚴考慮，采用其他輔助手段進行補充檢測，避免缺陷漏檢和誤判。

4 結(jié)語

（1）對有或無介質(zhì)的管道進行了數(shù)字射線檢測對比試驗，結(jié)果表明，苯酚管道數(shù)字射線在線檢測是可行的。在使用較高能量的射線機，提高管電壓，保證射線可以穿透含介質(zhì)管道的情況下，檢測DN 250 mm 及以下管徑的管道能有效地發(fā)現(xiàn)氣孔、未焊透等體積型缺陷，裂紋在一定條件下可以檢出。

（2）裂紋等面積型缺陷除了受介質(zhì)的影響外，透照角度也是重要的影響因素，檢測時應(yīng)綜合考慮。圖像評定和透照參數(shù)的選擇必須考慮介質(zhì)的影響，如果此前管道出現(xiàn)過裂紋，或者通過損傷機理分析管道有應(yīng)力腐蝕開裂傾向，需要檢測其是否萌生裂紋，建議采用其他檢測手段輔助檢測。

（3）隨著射線強度提升，射線機的體積也越大，攜帶不方便，在現(xiàn)場使用時受到多種因素的制約。目前，對于帶介質(zhì)管道的數(shù)字射線檢測還沒有可參照的相關(guān)標準，介質(zhì)會造成圖像靈敏度和分辨率指數(shù)低，管道圖像質(zhì)量不能達到標準的要求，建議通過繼續(xù)深入研究和論證后，修訂相關(guān)的標準。

（4）含介質(zhì)的管道DR 檢測應(yīng)用，可以有效地減少清空介質(zhì)造成的損失，縮短管道定期檢驗的時間。