換熱器管-板角焊縫射線檢測方法分析

滿開遠(yuǎn)

（西安航天華威化工生物工程有限公司， 西安710100）

換熱器廣泛應(yīng)用于石油、 化工、 機(jī)械、 食品及生物醫(yī)藥等行業(yè)。 管-板角焊縫是換熱器的重要組成部分， 在換熱器的產(chǎn)品制造過程中， 換熱管與管板常采用氬弧焊的焊接方式， 焊縫的焊接質(zhì)量是換熱器長期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。 管-板角焊縫通常采用磁粉、 滲透等無損檢測方法， 該方法僅能檢測表面及近表面缺陷， 對焊縫內(nèi)部裂紋、 未熔合、 氣孔、 夾渣等缺陷無法檢出， 不能從根本上確保管-板角焊縫的焊接質(zhì)量。 利用棒陽極X 射線機(jī)對管-板角焊縫進(jìn)行檢測， 具有靈敏度好、 缺陷檢出率高等優(yōu)點(diǎn)， 但這種方法對射線檢測技術(shù)要求較高， 工藝相對較為復(fù)雜， 且射線檢測底片影像成像較為特殊， 國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)鮮有介紹，本研究針對這一問題展開討論。

1 管-板角焊縫結(jié)構(gòu)形式

目前， 常規(guī)換熱器管-板的焊接接頭有管外伸式角接、 管內(nèi)縮式角接、 管管孔平齊端接和無間隙式接頭。 其中， 外伸式管-板接頭由于便于裝配與焊接、 可見度好、 檢測方便的特點(diǎn)， 得到了較為廣泛的應(yīng)用。 管-板焊接方法通常按接頭的形式、 焊接位置、 管子規(guī)格和對接接頭的質(zhì)量要求來選擇。 在實(shí)際制造中最常見的焊接方法有焊條電弧焊、 鎢極氬弧焊和熔化極氣體保護(hù)焊等。 對于管壁2 mm 以下的外伸式角接結(jié)構(gòu)可以采用填絲和不填絲的鎢極氬弧焊。 本研究著重探討外伸式管-板角接結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。 該結(jié)構(gòu)管子伸出長度2 mm， 管-板開坡口角度45°， 深度2 mm。 第一遍焊接采用不填絲鎢極氬弧焊焊接， 第二遍填絲鎢極氬弧焊焊接處理。

圖1 外伸式管-板角接結(jié)構(gòu)示意圖

2 射線檢測工藝

2.1 檢測原理

本研究采用棒陽極X 射線機(jī)檢測管-板角焊縫結(jié)構(gòu)。 棒陽極X 射線管的焦點(diǎn)位于陽極棒中，在靶極部位產(chǎn)生X 射線， 穿透管壁及管板向后透照， 從而將管-板角焊縫區(qū)域投影到膠片上，從而完成成像， 如圖2 所示。

圖2 棒陽極X 射線檢測原理

陽極棒尺寸為Φ12 mm， 為減少散射線和透照厚度差， 通常匹配相應(yīng)尺寸的補(bǔ)償塊。 補(bǔ)償塊材質(zhì)應(yīng)與換熱管材質(zhì)相同， 并能夠保證射線源對中。

2.2 檢測靈敏度試塊

使用像質(zhì)計(jì)會增大焊縫到膠片之間的距離， 從而降低成像質(zhì)量， 因此管-板角焊縫在進(jìn)行X 射線檢測時通常不要求使用像質(zhì)計(jì)。在X 射線檢測時采用靈敏度鑒定試驗(yàn)， 鑒定試驗(yàn)需要制作專用的管-板角焊縫靈敏度焊接試樣， 試樣的材質(zhì)、 規(guī)格與實(shí)際產(chǎn)品相同。 在焊縫中心線上采用沖或鉆的方法至少加工等間隔90°的4 個孔， 孔的深度為0.5 mm， 孔徑為0.6 mm，人工孔位置如圖3 所示。

圖3 靈敏度試樣人工孔示意圖

2.3 檢測試驗(yàn)

檢測設(shè)備采用棒陽極X 射線機(jī)， 管電壓范圍0～130 kV， 最大管電流0.6 mA， 焦點(diǎn)尺寸0.4×0.5 mm， 靶角168°×360°， 補(bǔ)償器規(guī)格為Φ19 mm、 Φ25 mm 和 Φ30 mm。 膠片為FOMA R4， 采用自動洗片機(jī)沖洗。

2.3.1 射線能量選擇

X 射線能量的選擇首先應(yīng)保證足夠的穿透力， 通常由管電壓決定。 隨著管電壓的升高， X射線的平均波長變短， 有效能量增加， 穿透能力增強(qiáng)， 但衰減系數(shù)減小， 對比度降低， 固有不清晰度增大， 最終導(dǎo)致X 射線檢測靈敏度下降。因此， 在保證穿透力的前提下， 盡量選擇能量較低的管電壓。 對于管-板角焊縫X 射線檢測， 采用的管電壓通常在100 kV 左右。

2.3.2 曝光量選擇

曝光量為管電流與照射時間的乘積。 曝光量不僅影響底片的黑度， 也影響影像的對比度、 顆粒度以及信噪比， 從而影響底片上可記錄的最小細(xì)節(jié)尺寸。 經(jīng)試驗(yàn)， 管-板角焊縫X 射線照射時間一般不少于30 s。

2.3.3 焦距選擇

棒陽極X 射線檢測在檢測工藝的設(shè)計(jì)方面應(yīng)盡可能降低膠片的幾何不清晰度。 膠片的幾何不清晰度Ug主要取決于射線源的焦點(diǎn)尺寸F[15]、射線源至被檢焊縫的距離D、 被檢焊縫射線源至膠片的距離d。

式中： F——射線源焦點(diǎn)尺寸， mm；

d——被檢焊縫射線源至膠片的距離， mm；D——射線源至被檢焊縫的距離， mm。

由公式 （1） 可以看出， 為降低底片的幾何不清晰度， 應(yīng)盡可能增加射線源至被檢焊縫的距離， 即棒陽極插入深度。

對4 個靈敏度試塊進(jìn)行射線檢測， 經(jīng)過反復(fù)對比試驗(yàn)， 得到靈敏度試塊X 射線檢測數(shù)據(jù)（ 見 表1） 。 從 表1 可 以 看 出 ， 參 數(shù) 選 擇 符 合NB/T 47013.2—2015 標(biāo)準(zhǔn)要求， 試驗(yàn)結(jié)果滿足檢測靈敏度要求。

表1 靈敏度試塊X 射線檢測結(jié)果及相關(guān)參數(shù)

3 典型缺陷底片評定

NB/T 47013.2—2015 附錄A 規(guī)定： 管-板角焊縫中的缺陷按性質(zhì)可分為裂紋、 未熔合、 條形氣孔、 蟲形氣孔、 局部密集氣孔、 球形氣孔、 夾渣、 夾鎢和氧化物夾雜及根部咬邊。 該標(biāo)準(zhǔn)未將根部未焊透列入， 這主要由管-板角焊縫焊接結(jié)構(gòu)決定。 通常管子與管板采用脹接形式連接， 僅能部分焊接， 管-板間隙與焊縫根部界限較難區(qū)分。 管-板角焊縫剖面圖如圖4 所示。

圖4 管-板角焊縫剖面圖

3.1 裂紋

管-板焊接過程中焊縫熔池的冷卻速度較快，焊縫在結(jié)晶的過程中極易形成晶內(nèi)和晶間偏析，偏析物通常為低熔點(diǎn)共晶物和雜質(zhì)， 由于其熔點(diǎn)比焊縫金屬低， 在金屬結(jié)晶過程中以液態(tài)間層的形式存在， 焊縫在冷卻結(jié)晶過程中受到拉伸應(yīng)力的作用， 當(dāng)應(yīng)力累積到一定值時， 液態(tài)間層處被拉開又沒有液態(tài)金屬及時充滿， 從而形成裂紋。管-板角焊縫裂紋如圖5 所示。 裂紋多位于焊縫表面， 嚴(yán)重時可延伸至管子及管板。

圖5 管-板角焊縫裂紋照片

管-板角焊縫射線檢測因其結(jié)構(gòu)原因， 采用向后透照方式， 射線束不能垂直穿透焊縫， 通常與焊縫成一定夾角θ， 如圖6 所示。

式中： R——管子半徑， mm；

F——焦距， mm。

焦距越小， 管徑越大， 則 θ 越大， 導(dǎo)致投射角度變大， 底片影像畸變也越大。 對垂直焊縫的裂紋缺陷， 隨著θ 增大， 缺陷檢出率降低。 因此，在條件允許的情況下， 應(yīng)盡可能增大焦距， 并結(jié)合必要的表面檢測。 圖7 所示為裂紋底片影像。

圖8 管-板角焊縫未熔合缺陷

圖6 X 射線檢測射線束夾角

圖7 管-板角焊縫裂紋X 射線底片影像

3.2 未熔合

管-板角焊縫的未熔合類缺陷多為坡口處未熔合。 未熔合屬于面積型缺陷， 對承載截面積的減小非常明顯， 應(yīng)力集中也較嚴(yán)重。 特別是換熱器類容器在高溫高壓環(huán)境下長期運(yùn)行后， 應(yīng)力集中將焊縫撕裂， 從而造成泄露， 其危害性僅次于裂紋。 產(chǎn)生未熔合的主要原因有： 焊接電流過小、 焊接速度過快、 焊條角度不對、 管-板坡口角度過小、 產(chǎn)生弧偏吹等。 未熔合類缺陷底片影像表現(xiàn)為連續(xù)或斷續(xù)的黑色弧線， 寬度不一， 黑度不均勻， 一側(cè)輪廓較齊， 另一側(cè)輪廓較不規(guī)則， 如圖8 所示。

3.3 氣孔

氣孔的產(chǎn)生原因之一是由于管-板焊接結(jié)構(gòu)原因?qū)е碌摹?在管-板角焊縫焊接過程中， 產(chǎn)生的熱量使焊縫根部管子與管板間隙中的氣體膨脹逸出而形成氣孔， 這種氣孔一般位于焊縫表面。焊接熔池在高溫環(huán)境下吸收過多氣體， 在冷卻過程中， 氣體在金屬中的溶解度迅速下降， 部分氣體來不及逸出殘留于焊縫金屬中， 最終形成氣孔， 該類型氣孔通常位于焊縫內(nèi)部。 此外， 焊接部位的油污、 銹蝕以及水分等， 都可以形成氣孔。 氣孔X 射線底片影像如圖9 所示。 氣孔影像通常位于焊縫顯示區(qū)域， 可按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合點(diǎn)數(shù)進(jìn)行評定。

圖9 管-板角焊縫氣孔X 射線底片影像

3.4 夾鎢

管-板角焊縫常采用鎢極氬弧焊焊接， 焊接電流過大或鎢極直徑過小、 氬氣保護(hù)不良等使部分鎢極金屬熔入焊縫， 從而形成夾鎢。 夾鎢X 射線底片影像較易辨認(rèn)， 為一個白點(diǎn)， 如圖10 所示。

圖10 管-板角焊縫夾鎢X 射線底片影像

4 結(jié)束語

對管-板角焊縫采用棒陽極X 射線檢測， 具有靈敏度好、 缺陷檢出率高等優(yōu)點(diǎn)。 通過分析該類型焊縫焊接結(jié)構(gòu)、 射線檢測工藝及典型缺陷成因， 對射線檢測底片影像分析研究， 積累技術(shù)經(jīng)驗(yàn)， 為管-板角焊縫射線檢測的底片評定工作提供技術(shù)參考。