儲(chǔ)罐焊縫的多機(jī)自動(dòng)聯(lián)照射線檢測(cè)裝置

張宏亮,藏婷婷,祖寶華,張 旭,彭衛(wèi)華

(廊坊北檢無(wú)損檢測(cè)有限公司,廊坊 065001)

檢測(cè)對(duì)象為某國(guó)家戰(zhàn)略石油儲(chǔ)備庫(kù)中建設(shè)的雙盤浮頂油罐,其單罐容積達(dá)150 000 m3,檢測(cè)根據(jù)業(yè)主技術(shù)條件、標(biāo)準(zhǔn)GB 50341—2014 《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》 和GB 50128—2014 《立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐施工規(guī)范》 要求進(jìn)行,需要對(duì)兩環(huán)三縱在內(nèi)的大量焊縫進(jìn)行射線檢測(cè),射線檢測(cè)時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第2部分:射線檢測(cè)》,檢測(cè)內(nèi)容包括邊緣板、罐壁縱向焊縫,罐壁環(huán)向焊縫等,其中兩環(huán)三縱焊縫合計(jì)占比超過(guò)80%,工期短任務(wù)重。

常規(guī)檢測(cè)方法是操作人員利用施工單位的罐壁小車、手動(dòng)葫蘆、繩索等將一臺(tái)射線機(jī)固定到需要曝光的位置,布片人員在罐壁對(duì)側(cè)的腳手架上貼片,雙方依靠對(duì)講機(jī)互相溝通,然后曝光人員通知貼片人員撤離,曝光后貼片人員拆片換片,外部人員再人工拉動(dòng)罐壁車和繩索把射線機(jī)重新固定在下一張片的位置,如此反復(fù)循環(huán)。該方法存在人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、夜間工作易疲勞、高空作業(yè)存在風(fēng)險(xiǎn)、射線輻射強(qiáng)度大等風(fēng)險(xiǎn),檢測(cè)效率較低,容易出現(xiàn)檢測(cè)滯后的情況。

也有一些手工或半自動(dòng)工裝可應(yīng)用于該情況的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)[1-2],一種是通過(guò)一個(gè)固定4臺(tái)射線機(jī)的支架,采用多機(jī)聯(lián)拍方式進(jìn)行透照[3],能在很大程度上提高工作效率,但檢測(cè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度仍然較大。另一種是采用電動(dòng)罐壁掛車實(shí)現(xiàn)水平和垂直運(yùn)動(dòng),再配合人工遙控進(jìn)行對(duì)位逐張曝光,實(shí)現(xiàn)了單機(jī)透照,但工效不高,適合補(bǔ)片及丁字縫透照。還有一種采用磁吸附運(yùn)動(dòng)的射線機(jī)裝置[4],其可以隨意在管壁上運(yùn)動(dòng),雖然機(jī)動(dòng)靈活,但移動(dòng)緩慢且定位困難,工作效率極低,不適合儲(chǔ)罐大批量拍片。上述方法都能在某方面提高檢測(cè)效率或安全性,但目前還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)能同時(shí)滿足高工效、高安全性的自動(dòng)拍照裝置。

為此,筆者在儲(chǔ)罐射線檢測(cè)多機(jī)聯(lián)拍法的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)制作了罐壁車、升降軌道、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、水平和垂直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、射線機(jī)組等設(shè)備,通過(guò)遙控實(shí)現(xiàn)了一次控制4臺(tái)射線機(jī)曝光,極大地提高工作效率。

1 方案原理與工藝驗(yàn)證

1.1 工藝原理

以某150 000 m3儲(chǔ)罐為例,其罐壁板長(zhǎng)度為12 571 mm,寬度為2 580 mm,最大壁厚為39 mm。單個(gè)縱向焊縫拍攝8張底片,單個(gè)壁板環(huán)向焊縫拍攝39張底片,縱向焊縫總片數(shù)為192張,環(huán)向焊縫總片數(shù)為936張。

所提方案工藝原理為,在當(dāng)日需要拍照的罐壁上先貼布完成所有奇數(shù)底片,采用固定焦距,間距為2個(gè)有效透照長(zhǎng)度的4臺(tái)射線機(jī)同時(shí)曝光,一次透照4張奇數(shù)膠片,如1,3,5,7底片曝光,然后再將裝置移動(dòng)到下一個(gè)奇數(shù)片位置透照9,11,13,15底片,依次類推,完成當(dāng)日所有奇數(shù)底片透照后,取下所有已經(jīng)曝光完成的底片,并再次貼布所有偶數(shù)底片,將裝置移動(dòng)回第一個(gè)偶數(shù)片位置,開始2,4,6,8底片的曝光,采用同樣方法完成所有偶數(shù)片拍照,奇數(shù)-偶數(shù)輪流透照原理如圖1所示。

圖1 奇數(shù)-偶數(shù)輪流透照原理示意

1.2 工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

檢測(cè)所采用的射線機(jī)能量為280 kV,焦點(diǎn)尺寸為2 mm×2 mm(長(zhǎng)×寬),焦距為710 mm,射線機(jī)射線束擴(kuò)散角為40°×60°。

根據(jù)NB/T 47013.2—2015標(biāo)準(zhǔn),150 000 m3儲(chǔ)罐第一層罐壁單片透照工藝計(jì)算結(jié)果如表1所示,可見(jiàn)實(shí)際透照焦距為710 mm,滿足幾何不清晰度要求的焦距長(zhǎng)度為269 mm,K值為1.029,不大于標(biāo)準(zhǔn)要求的1.03,能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

為了確定射線機(jī)的實(shí)際輻射場(chǎng)能否滿足一次透照長(zhǎng)度對(duì)曝光區(qū)域大小的需求,進(jìn)行如下理論驗(yàn)證:射線機(jī)輻射角按最小值40°計(jì)算,在焦距為710 mm時(shí)的可曝光長(zhǎng)度為517 mm,通過(guò)計(jì)算可以滿足一次有效透照長(zhǎng)度330 mm的要求。若因條件變化而不能滿足要求時(shí),則應(yīng)增加焦距或增加透照次數(shù)(即減少一次透照長(zhǎng)度,使K值更小)。

根據(jù)表1的計(jì)算,考慮到效率、幾何不清晰度、K值的要求,選擇4臺(tái)射線機(jī)是一個(gè)比較理想的方案,其曝光2次剛好可以滿足一個(gè)縱縫8張底片曝光的需要,縱縫透照工藝布置如圖2所示。

表1 150 000 m3儲(chǔ)罐第一層罐壁單片透照工藝計(jì)算結(jié)果

圖2 縱縫透照工藝布置示意

1.3 工藝驗(yàn)證

雖然根據(jù)計(jì)算可知射線束不會(huì)影響到間隔為330 mm的相鄰奇數(shù)或偶數(shù)膠片,但為了驗(yàn)證所提方案的可行性,避免出現(xiàn)類似第一張底片射線影響第三張底片的問(wèn)題,筆者進(jìn)行了臨近底片本底灰霧度試驗(yàn)。

試驗(yàn)制備:杭州惠威RD-2805A型射線機(jī)1臺(tái);AGFA C7型膠片(長(zhǎng)為1.5 m);配套的增感屏和暗袋;搭接標(biāo)記2個(gè);39 mm厚鋼板1塊。

試驗(yàn)步驟為:① 將長(zhǎng)度為1 500 mm的膠片裝入暗袋中;② 在鋼板背面中心部位黏貼暗袋,確保暗袋后部2 m內(nèi)除空氣以外無(wú)其他物體;③ 源測(cè)相隔330 mm貼2個(gè)搭接標(biāo)記;④ 設(shè)置射線能量為280 kV,焦距為710 mm,曝光后沖洗成底片,測(cè)量曝光底片中心處黑度值及搭接標(biāo)記以外330 mm處的旁邊底片有效長(zhǎng)度邊緣處黑度值。

測(cè)試得到左側(cè)黑度為0.16,中心黑度為3.25,右側(cè)黑度為0.15。

由實(shí)測(cè)值可見(jiàn),當(dāng)前透照底片未影響到旁邊相隔一個(gè)有效透照長(zhǎng)度的底片邊緣處的本底灰霧度,本底灰霧度均低于0.3,因此該方案原理可行。

2 裝置介紹

2.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

罐壁車由車體、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、主控制器、提升機(jī)構(gòu)、從動(dòng)輪、軌道、橫梁、射線機(jī)組框架、射線機(jī)、射線機(jī)操作臺(tái)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、副控制器、背部支輪、調(diào)焦支輪等組成,罐壁車結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

此外還包括應(yīng)急用防墜器、工作環(huán)境照明燈、運(yùn)行指示燈(含喇叭)、輻射報(bào)警喇叭(含指示燈)和供電電纜等設(shè)備。

如圖3所示,掛壁車上安裝有兩個(gè)電機(jī),行走電機(jī)用于在管壁頂部實(shí)現(xiàn)沿管壁的水平移動(dòng),為適應(yīng)不同儲(chǔ)罐直徑的不同曲率,行走輪設(shè)計(jì)了可旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),可根據(jù)罐壁曲率進(jìn)行調(diào)節(jié)。提升電機(jī)帶動(dòng)鋼絲繩用于懸掛射線機(jī)組,實(shí)現(xiàn)射線機(jī)組的上下移動(dòng),頂部適當(dāng)位置處安裝有上限位傳感器,射線機(jī)組上升到該位置時(shí),能自動(dòng)停止提升。罐壁車上安裝有一個(gè)垂直軌道,射線機(jī)組可沿著軌道上下移動(dòng),用于保證射線機(jī)水平方向固定。在軌道中部設(shè)計(jì)了一個(gè)橫梁,橫梁上有4個(gè)支腿,支腿末端安裝有水平可以滾動(dòng)的輪子。該橫梁有兩個(gè)作用,一是保持軌道平穩(wěn),防止橫梁的水平擺動(dòng);二是保持焦距固定,需要調(diào)整焦距時(shí),可以調(diào)整橫梁的支腿長(zhǎng)度。 小車和射線機(jī)組部分裝置設(shè)計(jì)了防雨,以保證不進(jìn)水,不漏電。

圖3 罐壁車結(jié)構(gòu)組成

射線機(jī)組由射線機(jī)組框架、射線機(jī)、射線機(jī)操作臺(tái)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、副控制器、瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)等組成,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。其是一個(gè)能同時(shí)固定安裝4臺(tái)射線機(jī)的框架,通過(guò)射線機(jī)端環(huán)將射線發(fā)生器固定,射線機(jī)操作臺(tái)固定在射線機(jī)旁邊,兩者通過(guò)短電纜相連,4臺(tái)射線機(jī)的電源線并聯(lián)后接到外部供電電纜上。

圖4 射線機(jī)組結(jié)構(gòu)示意

當(dāng)用于縱縫透照時(shí),4臺(tái)射線機(jī)組成的射線機(jī)組呈上下排列;當(dāng)透照環(huán)縫時(shí),通過(guò)設(shè)計(jì)的框架旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),先拆下鎖緊螺栓,然后將射線機(jī)組旋轉(zhuǎn)90°并再次鎖緊螺栓,即可使用。

第一臺(tái)射線機(jī)旁邊安裝一個(gè)帶聚焦功能的強(qiáng)光LED燈,以提供模擬的射線束,便于操作人員知曉透照的位置。

2.2 電路及軟件設(shè)計(jì)

(1) 電路結(jié)構(gòu)及軟件邏輯關(guān)系

多機(jī)自動(dòng)聯(lián)照射線檢測(cè)裝置電路結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示,以三菱FX1S 30MR-001可編程控制器(PLC)作為主控電腦,工業(yè)無(wú)線遙控組件作為遙控輸入界面。

圖5 多機(jī)自動(dòng)聯(lián)照射線檢測(cè)裝置電路結(jié)構(gòu)框圖

PLC根據(jù)操作人員的遙控指令分時(shí)控制水平電機(jī)與提升電機(jī),實(shí)現(xiàn)射線機(jī)組的上下左右移動(dòng),同時(shí)開啟運(yùn)動(dòng)指示燈。

安裝在提升電機(jī)附近的限位傳感器,用于在射線機(jī)組提升到頂部后,使其停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

輻射傳感器將來(lái)自射線機(jī)的電離輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換為開關(guān)量信號(hào),輸入到PLC,PLC根據(jù)射線機(jī)打開狀態(tài)與輻射傳感器輸入信號(hào)綜合判斷,用于打開或關(guān)閉輻射報(bào)警喇叭。

工作環(huán)境燈可通過(guò)無(wú)線遙控組件單獨(dú)打開或關(guān)閉,射線曝光預(yù)警時(shí),無(wú)論當(dāng)前是開燈還是關(guān)燈狀態(tài),均自動(dòng)打開燈光(曝光時(shí)關(guān)閉,曝光后再次打開)。

射線機(jī)操作臺(tái)上安裝有一個(gè)控制插座,用于控制該射線機(jī)的開關(guān)機(jī)和向PLC提供射線機(jī)反饋信號(hào)。開關(guān)機(jī)信號(hào)通過(guò)中間繼電器接入PLC輸出端,反饋信號(hào)與PLC輸入端子直接相連。

需要曝光時(shí),操作人員通過(guò)遙控組件按鍵發(fā)出曝光指令,PLC接收到后,首先發(fā)出10 s預(yù)警音,用于提醒人員迅速撤離曝光控制區(qū),然后依次向4臺(tái)射線機(jī)發(fā)出曝光信號(hào),并開始監(jiān)測(cè)每臺(tái)射線機(jī)反饋信號(hào),任何一臺(tái)射線機(jī)出現(xiàn)故障時(shí),均停止所有射線機(jī)的本次曝光,當(dāng)所有射線機(jī)均正常曝光完畢后,此次曝光才算完成。

射線束指示燈位于第一臺(tái)射線機(jī)射線窗口附近,其作用是通過(guò)角度調(diào)整,使燈光與X射線束在罐壁表面重合,指示射線束位置,曝光時(shí)也可通過(guò)不同的閃動(dòng)代表曝光、射線機(jī)自動(dòng)休息、故障機(jī)器號(hào)碼等功能。

安裝在第一臺(tái)射線機(jī)窗口附近的霍爾傳感器,用于提供自動(dòng)曝光定位識(shí)別信號(hào),在每道焊縫的內(nèi)側(cè)焊縫旁邊50～100 mm以外適當(dāng)位置貼一個(gè)小圓形磁鐵,經(jīng)過(guò)位置校準(zhǔn)后,即可用于全自動(dòng)拍照。當(dāng)罐壁車帶動(dòng)射線機(jī)組左右運(yùn)動(dòng)時(shí),隨其移動(dòng)的定位霍爾傳感器將隨時(shí)檢測(cè)定位磁鐵,當(dāng)檢測(cè)到定位信號(hào)后,將其輸入到PLC,PLC控制運(yùn)動(dòng)電機(jī)立即停止運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)定位,同時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)射線機(jī)曝光, 曝光完畢后射線機(jī)自動(dòng)休息,休息完后,罐壁車將按曝光前的運(yùn)動(dòng)方向自動(dòng)向下一個(gè)定位點(diǎn)行走,并再次曝光,從而實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)拍片。

(2) 射線機(jī)改造技術(shù)要求

在射線機(jī)操作臺(tái)上增加一個(gè)4芯插座,為PLC提供4芯通訊接口,其中2芯為無(wú)極性直流24 V輸入,射線機(jī)接收PLC 24 V直流控制信號(hào)后開啟,直流電流持續(xù)供給則持續(xù)曝光,當(dāng)直流電平消失時(shí),立即關(guān)閉射線機(jī)。

當(dāng)射線機(jī)工作正常,管電流穩(wěn)定后,為PLC提供一路開關(guān)量數(shù)據(jù)信號(hào),如果射線機(jī)出現(xiàn)任何故障,立即通過(guò)信號(hào)線將故障信號(hào)傳遞給PLC。

(3) 檢測(cè)軟件運(yùn)行流程圖

檢測(cè)軟件提供了手動(dòng)和全自動(dòng)拍片兩種功能,手動(dòng)狀態(tài)下,可實(shí)現(xiàn)射線機(jī)組的上下左右移動(dòng),以及射線機(jī)的訓(xùn)機(jī)、曝光、曝光后自動(dòng)休息、緊急停止曝光等功能;全自動(dòng)模式下,可通過(guò)組合按鍵啟動(dòng)全自動(dòng)曝光功能,檢測(cè)軟件運(yùn)行流程圖如圖6所示。

圖6 檢測(cè)軟件運(yùn)行流程圖

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備

(1) 儲(chǔ)罐檢測(cè)前,應(yīng)根據(jù)儲(chǔ)罐大小和電纜長(zhǎng)度提供3或4個(gè)專用插座,插座應(yīng)直接從配電箱中引出,以提供足夠的220 V交流電源,推薦電流不小于40 A,每檢測(cè)一定距離后停機(jī)更換電源插座。

(2) 供電電纜應(yīng)選用截面積不小于10 mm2的銅制導(dǎo)線。

(3) 射線機(jī)的電源及主電纜應(yīng)固定在一起,防止多機(jī)線纜纏繞、混亂。

3.2 安裝就位

現(xiàn)場(chǎng)需要一臺(tái)吊車配合吊裝設(shè)備,罐壁上應(yīng)將計(jì)劃透照區(qū)域的其他設(shè)備清空。就位后的儲(chǔ)罐射線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 就位后的儲(chǔ)罐射線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

3.3 勞動(dòng)組織及工效

自動(dòng)射線檢測(cè)與常規(guī)方法的勞動(dòng)組織對(duì)比如表2所示。

表2 自動(dòng)射線檢測(cè)與常規(guī)方法的勞動(dòng)組織對(duì)比

以檢測(cè)某150 000 m3儲(chǔ)罐環(huán)焊縫為例,其直徑為96 m,罐高23.02 m,第一節(jié)壁板厚為39 mm,底片有效長(zhǎng)度為330 mm,拍攝環(huán)焊縫底片936張,每次曝光時(shí)間為7 min,射線機(jī)按2.5:1休息(工作2.5 min,休息1 min),使用一套常規(guī)裝置,需要約39 h可完成環(huán)焊縫的100%射線透照。如果采用人工4機(jī)透照,需要8個(gè)人,組成4個(gè)小機(jī)組,兩人同時(shí)布片,同時(shí)移動(dòng)及定位射線機(jī),由于高空移動(dòng)對(duì)準(zhǔn)機(jī)頭工作較為繁重,所需時(shí)間至少為自動(dòng)檢測(cè)方法的5倍,且勞動(dòng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于自動(dòng)透照機(jī)組的強(qiáng)度。

4 結(jié)語(yǔ)

將所提射線自動(dòng)檢測(cè)裝置應(yīng)用于某儲(chǔ)罐工程的實(shí)際檢測(cè)中,結(jié)果表明,所提裝置具有很好的使用性能,且穩(wěn)定可靠、操作靈活,所需操作人數(shù)和人員勞動(dòng)強(qiáng)度大大減少,簡(jiǎn)化了原本繁重的機(jī)頭定位工作,極大改善了夜間高空作業(yè)的工作環(huán)境,減少了人員所受射線輻射劑量,操作人員只需在地面通過(guò)視頻觀察定位點(diǎn)并遙控曝光,及時(shí)整理供電電纜線即可。