X射线探伤技术对埋弧焊管焊缝检测中气孔缺陷的判定方法

董　斌杨剑峰

（1.宝山钢铁股份有限公司钢管条钢事业部，上海201900；2.宝山钢铁股份有限公司制造部，上海201900）

埋弧焊管的焊接质量直接影响着油气输送管线的安全运行。埋弧焊管焊缝由于焊丝、焊剂以及焊接工艺等的影响，容易出现气孔、夹渣等缺陷，从而影响焊管的焊接质量。按照API SPEC 5L和ISO 3183等标准[1-2]规定，应对焊缝进行X射线和超声波等无损检验。笔者主要针对焊接常见气孔缺陷的大小和深度两方面的判断方法进行了分析。

1　X射线探伤原理

1.1　X射线管

为获得工业射线照相所需要的具有一定穿透力的射线能量，须向电子提供一定的加速电压，有两种方法:①用X射线管，在阴极灯丝（电子源）与阳极靶之间，直接施加高电压；②用加速器，反复施加较小的加速电压，直到电子转向靶时达到预定的极高能量。本研究采用的设备是利用X射线管来施压[3]。

通常，X射线管由密封、绝缘的高真空玻璃管或金属陶瓷管构成，管壳靠坚固的金属防护罩防止壳体损伤。管内有聚焦杯、阴极灯丝、阳极体和阳极靶。X射线管（玻璃真空管）结构如图1所示[4]。

图1　X射线管（玻璃真空管）结构示意图

X射线管内的阴极由绕成螺旋形的钨丝构成，钨丝被作为金属电极的聚焦杯围住。聚焦杯起着静电透镜的作用，能控制灯丝发射的电子束形状。焦点大小取决于聚焦杯的尺寸和相对于阴极灯丝的位置。阳极由具有高导热性的电极——阳极体和镶嵌在阳极体中的阳极靶组成。阳极靶常用高熔点的钨或其他高原子序数材料制作。铜制阳极体在X射线管壳中有一铜制延伸体，通过多种布置将阳极靶面产生的热量传导散发出去。

阳极靶面与阴极灯丝相对，与X射线管轴有一倾角。这样，阴极发射的电子束能量可在靶的较大面积内转换成X射线光子能量，但从X射线束中心轴来观察，靶的有效尺寸（即有效焦点尺寸）要比靶的实际尺寸小得多（如图2所示）。借此，可从较小的焦点获得较大的X射线输出，而无靶材烧损危险[5]。

1.2　X射线照相原理

图2　X射线管的有效焦点示意图

材料中如有缺陷存在会影响射线的吸收，使透过射线强度发生变化，用胶片可测量出这一变化。射线照相法原理如图3所示，厚度为T的物体中有厚度为ΔT的缺陷时，射线穿透无缺陷部位，透过射线强度为I，曝光得到的底片黑度为D，而射线穿透有缺陷部位，透过射线强度为I+ΔI，曝光得到的底片黑度应为D+ΔD，把曝过光的胶片在暗室中进行显影、定影、水洗和干燥。再将底片放在观片灯上观察，根据底片上的黑度变化所形成的图像，就可以判断出有无缺陷，以及缺陷的种类、数量等。这就是射线照相法的原理[6]。

图3　射线照相法原理

2　焊缝气孔缺陷深度的定位

用相似三角形法对气孔缺陷进行深度定位的原理为:射线源在平行于胶片平面的两个位置分别曝光一次，根据缺陷影像在射线底片上的位移距离，有相似三角形关系即可计算出气孔缺陷在工件中的深度和位置[7]。当缺陷靠近胶片侧时，缺陷影像在底片上的位移距离较小；当缺陷远离胶片侧时，缺陷影像在底片上的位移距离较大。即缺陷影像在底片上的位移量正比于射线源到缺陷的距离。缺陷深度三角形定位的几何原理如图4所示。从图4中可以得出,

式中:A为两次曝光中焦点位移距离；B为射线底片上缺陷影像位移距离；C为焦点与缺陷距离（焦距）；D为缺陷与胶片距离；H为缺陷与工件底面距离；G为工件底面与胶片距离；F为焦点与胶片距离；T为工件厚度。

图4　缺陷深度相似三角形定位法

已知或测出前3个参数（A，B和F），由相似三角形关系可算出第4个参数D，而后求得缺陷与工件底面距离H，由此可判断缺陷的深度位置。该方法适用于胶片紧贴工件底面、焦距较大时的情况，宝钢UOE现场的射线装置就符合该情况。此外上述相似三角形关系不仅可计算气孔的深度位置，还可以计算出其他缺陷的深度位置。

3　焊缝气孔缺陷大小的判定

气孔缺陷大小的判定方法为:

（1）先测量出像质计中相邻两根金属丝的距离，本研究中测出为5 mm；

（2）再根据像质计在底片上的图像（如图5所示），测量底片上像质计中相邻两根金属丝的距离，本研究中测出为6 mm。由此可得底片图像与实际图像的大小比例为1∶1.2；

图5　像质计在底片上的图像

（3）底片评审时，若发现气孔缺陷存在，可按比例关系推算出气孔在水平方向的长轴和短轴长度。图6为焊缝气孔缺陷实例，实测大小分别为2 mm，1.5 mm和1.2 mm，按1∶1.2推算气孔实际大小分别为2.4 mm，1.8 mm和1.4 mm。

该判定方法结合项目标准，非常容易判定该气孔缺陷大小是否超标。

图6　焊缝气孔检测实例

4　结论

（1）通过相似三角形关系，可以比较准确地推算出气孔缺陷在深度方向的位置，从而为埋弧焊的焊接工艺改进提供指导；

（2）可以根据实际图像和底片图像的比例，推算出气孔在水平方向的长轴和短轴长度，结合项目标准，非常便于现场判定是否超标。

参考文献：

［1］API Specification 5L(44 Edition):2007，Specification for Line Pipe［S］.

［2］GB/T 9711.2—2005/ISO 3183：1999， 石油天然气工业输送钢管交货技术条件第2部分:B级钢管［S］.

［3］王晓雷.承压类特种设备无损检测相关知识［M］.2版.北京:中国劳动社会保障出版社，2007.

［4］郑世才.射线检测［M］.北京:机械工业出版社，2004.

［5］日本无损检测学会.射线探伤［M］.北京:机械工业出版社，1988.

［6］MEES C E K（美），JAMES T H（美）.照相过程理论［M］.2版.陶宏，译.北京:科学出版社，1986.

［7］屠耀元.射线检测技术［M］.上海:世界图书出版公司，1997.