核電PTR儲(chǔ)罐下封頭帶墊板對(duì)接焊縫射線檢測(cè)底片的黑線影像

王俊龍，張 洋，楊建龍，劉子淇

(核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司,北京 101300)

某核電站反應(yīng)堆換料水池和乏燃料水池冷卻和處理系統(tǒng)(PTR儲(chǔ)罐)下封頭發(fā)生泄漏事件，因此后續(xù)對(duì)該堆型核電的PTR儲(chǔ)罐焊接工藝進(jìn)行了改進(jìn)，將焊接工藝由搭接焊改成帶墊板的對(duì)接焊工藝，并新增了射線檢測(cè)。變更前只需進(jìn)行100%滲透檢測(cè)(PT)和100%泄漏檢測(cè)(LT)，變更后檢測(cè)方法增加了100%射線檢測(cè)(RT)。PTR儲(chǔ)罐下封頭位置受限，為滿足射線檢測(cè)條件，設(shè)計(jì)增加了矩形檢測(cè)通道，其規(guī)格為12 000 mm×200 mm×100 mm(長(zhǎng)×寬×高)，因此，PTR儲(chǔ)罐下封頭對(duì)接焊采用帶墊板的焊接工藝(見圖1)。PTR儲(chǔ)罐下封頭材料為鎳基合金不銹鋼，其厚度為6 mm，矩形探傷通道壁厚為6 mm。射線檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)底片中容易出現(xiàn)黑線形狀的異常影像，筆者對(duì)該現(xiàn)象展開了研究。

圖1 帶墊板的對(duì)接焊縫結(jié)構(gòu)示意

1 底片黑線影像特征

射線檢測(cè)時(shí)大量的底片中會(huì)出現(xiàn)兩種黑線影像(見圖2)，圖2(a)中，一種黑線影像位于距離焊縫中心線兩側(cè)1 mm范圍內(nèi)(有時(shí)也只出現(xiàn)在焊縫中心線單側(cè))，該影像有時(shí)酷似線狀、條狀缺陷的影像，且平行于焊縫，還伴有羽毛狀條紋，出現(xiàn)條狀黑線影像的焊縫中心黑度低于焊縫其他部位的[1]；圖2(b)中，另一種黑線影像位于焊縫坡口根部邊緣附近，一般會(huì)出現(xiàn)在整條焊縫的兩端，由于焊縫背面帶墊板，無法對(duì)照其外觀進(jìn)行核實(shí)。

圖2 射線檢測(cè)底片中出現(xiàn)的黑線影像

2 黑線影像分析

2.1 宏觀金相檢驗(yàn)

在鄰近焊縫中心線位置的黑線和坡口根部邊緣附近位置的黑線處各截取了一個(gè)試樣，同時(shí)也在沒有黑線顯示的位置截取了一個(gè)試樣，對(duì)3個(gè)試樣進(jìn)行宏觀金相檢驗(yàn)(見圖3)。結(jié)果表明，圖3(a)，3(b)，3(c)中均未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，僅在圖3(c)中發(fā)現(xiàn)墊板與PTR底板貼合不緊密，存在一定的間隙，且PTR底板坡口位置向內(nèi)傾斜并帶有一定的幅度[見圖3(c)中紅圈位置]。初步分析可知，造成底板向內(nèi)彎曲變形的原因有兩種：① 焊接熱輸入不均勻造成的收縮變形；② 底板被剪板機(jī)剪切時(shí)造成的變形。由于PTR底板局部有彎曲的部分,無法與墊板貼合緊密，就會(huì)形成一定的空間；射線檢測(cè)時(shí)，由于空氣的密度和鋼的密度不同，透過完好工件的透射線強(qiáng)度與透過帶有空氣工件的透射線強(qiáng)度不一致，所以在底片上形成了黑線影像[2]。

圖3 試樣的宏觀金相檢驗(yàn)結(jié)果(15×)

通過宏觀金相分析可知，圖3(b)中位于焊縫中心1 mm以內(nèi)的黑線，不是由焊接缺陷造成的影像，同時(shí)薄壁不銹鋼焊縫容易產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，因此，初步判斷此種黑線可能是衍射影像，后續(xù)將通過相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證其是否為衍射影像。從圖3的宏觀金相檢驗(yàn)結(jié)果中并未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，僅發(fā)現(xiàn)了PTR底板與墊板貼合不緊密形成的間隙，由此可見，該間隙是產(chǎn)生黑線的根本原因。該黑線影像不具備根部未熔合的底片影像特征，不在根部焊趾線上，靠近母材側(cè)沒有明顯鈍邊加工痕跡的影像，靠近焊縫中心側(cè)也不呈曲齒狀，黑度也不減小。根部未熔合影像一般在焊縫根部焊趾線上，靠近母材側(cè)有明顯的鈍邊加工痕跡的影像，靠近焊縫中心側(cè)呈曲齒狀，且黑度減小[1]。

2.2 微觀金相檢驗(yàn)

對(duì)上述3個(gè)解剖試樣進(jìn)行顯微金相分析，放大倍數(shù)為200倍，3個(gè)試樣墊板間隙的金相檢驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明，3個(gè)試樣中也未發(fā)現(xiàn)微觀焊接缺陷，在沒有黑線顯示區(qū)域和焊縫中心線位置附近有黑線區(qū)域，PTR板與墊板間隙很小，幾乎可以忽略不計(jì)[見圖4(a)，4(b)]；而坡口根部邊緣位置附近黑線顯示區(qū)域底板與墊板之間的間隙非常大[見圖4(c)]，在宏觀金相檢驗(yàn)時(shí)(放大倍數(shù)為15倍)就已經(jīng)能清晰地分辨。由此可知，小的間隙沒有在底片上產(chǎn)生黑線影像，較大的間隙會(huì)在底片上形成黑線影像，通過解剖試驗(yàn)也證實(shí)坡口根部邊緣位置附近產(chǎn)生的黑線影像不是根部未熔合，只是由工件結(jié)構(gòu)異?；蛘叩装迮c墊板貼合不緊密產(chǎn)生的間隙所導(dǎo)致的。

圖4 3個(gè)試樣墊板間隙的金相檢驗(yàn)結(jié)果(200×)

3 衍射影像辨識(shí)與去除

通過宏觀和顯微金相分析，驗(yàn)證了焊縫坡口根部邊緣位置附近射線檢測(cè)影像中黑線產(chǎn)生的原因，但并未發(fā)現(xiàn)焊縫中心黑線產(chǎn)生的原因，考慮焊縫中心區(qū)域的黑線顯示為衍射影像。衍射影像常位于焊縫中心線兩側(cè)，且距離焊縫中心線一般不超過1 mm，該影像有時(shí)似線狀、條狀缺陷影像，且平行于焊縫，還伴有羽毛狀條紋，出現(xiàn)條狀黑線影像的焊縫中心黑度低于焊縫其他部位。

與真實(shí)的焊接缺陷影像相比，衍射影像有以下幾個(gè)特點(diǎn)：① 圖像比較虛；② 影像輪廓線并不是很清晰；③ 焊縫中心會(huì)出現(xiàn)亮度區(qū)；④ 距離焊縫中心線不超過1 mm；⑤ 條狀黑線與焊縫縱向平行或羽毛狀與焊縫波紋平行[2]。另外，還可通過試驗(yàn)來確定黑線影像是否為衍射影像，衍射影像可以通過改變X射線入射角度和管電壓的方法來消除，而改變X射線入射角度和管電壓對(duì)真實(shí)的焊接缺陷影響不大[3]。

筆者改變了X射線入射角度并進(jìn)行試驗(yàn)，X射線入射角度為90°時(shí)，黑線影像顯示清晰；X射線入射角度為80°時(shí)，黑線影像顯示模糊；X射線入射角度為70°時(shí)，黑線影像消失。改變X射線管電壓并進(jìn)行試驗(yàn)，管電壓為120 kV時(shí)，黑線影像顯示清晰；管電壓為150 kV時(shí)，黑線影像顯示模糊；管電壓為180 kV時(shí)，黑線影像消失。試驗(yàn)結(jié)果表明，衍射影像可通過改變X射線入射角度和管電壓來消除。

4 結(jié)語

綜上所述，對(duì)不銹鋼薄板帶墊板的對(duì)接焊焊縫，采用X射線透照時(shí)，底片上不僅會(huì)出現(xiàn)宏觀的焊接缺陷影像，還會(huì)出現(xiàn)因PTR底板與墊板貼合不緊密產(chǎn)生的間隙影像和晶體的衍射影像。衍射影像可以通過改變X射線入射角度和改變電壓的方法來消除，焊接缺陷則不能。對(duì)于焊接缺陷影像、衍射影像和PTR底板與墊板間隙影像的判定，評(píng)片人員可以通過對(duì)工件材料、焊接工藝、透照條件等因素進(jìn)行綜合分析,進(jìn)而給出正確的評(píng)判結(jié)果。