異種金屬焊縫射線檢測可靠性研究

1 引言
無損檢測技術(shù)的可靠性可以從二個(gè)方面來分析，一是狹義可靠性，二是廣義可靠性。
無損檢測狹義可靠性是指在某種特定的條件下，檢測人員采用某種特定的檢測方法，準(zhǔn)確地檢測到某個(gè)給定大小缺陷的能力。狹義可靠性除了考慮缺陷檢出概率（POD）以外，還需要考慮被檢出缺陷的尺寸與缺陷真實(shí)尺寸之間的誤差關(guān)系，狹義可靠性只是無損檢測系統(tǒng)的檢測能力。

無損檢測廣義可靠性的概念包含了更為廣泛的意義，體現(xiàn)了無損檢測的綜合質(zhì)量。無損檢測的可靠性受到一系列因素的綜合影響，它是對(duì)檢測能力，方法的適用和可操作性，運(yùn)用檢測方法的正確性，對(duì)缺陷判定的準(zhǔn)確性，記錄報(bào)告的完整性及追溯性，以及對(duì)檢測過程控制能力等的綜合體現(xiàn)。
本文以異種金屬管道焊縫射線檢測為例探討射線檢測可靠性。

2 異種金屬焊縫的特點(diǎn)
在設(shè)備制造和安裝過程中采用的材料種類比較多，如低合金鋼、奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、Inconel合金等。焊接常常被作為一種重要的連接方式之一，異種鋼和異種金屬間的連接不可避免，同時(shí)異種鋼和異種金屬焊接接頭也是連接質(zhì)量最為不穩(wěn)定的部位之一。在異種金屬焊接過程中，被焊材料在極短的時(shí)間內(nèi)被熔化，在加熱和冷卻過程中存在著極大的溫度梯度，也伴隨著材料力學(xué)性能的極大變化，因而在焊接區(qū)產(chǎn)生極不均勻組織、性能、應(yīng)力與變形，而且具有極大的三維非線性和大梯度特征。會(huì)產(chǎn)生延展性突降裂紋（ductility dip cracking）、液化裂紋（liquation cracking）、固態(tài)裂紋（solidification cracking）。它不僅會(huì)影響焊接質(zhì)量，而且會(huì)極大的影響結(jié)構(gòu)的斷裂、應(yīng)力腐蝕、疲勞損傷行為和結(jié)構(gòu)的安全性。

常見的異種金屬焊縫是在高強(qiáng)度低合金鋼（508-III）的坡口上堆焊一層厚度為6-20mm以上的鎳基合金預(yù)堆邊，然后再與不銹鋼管道進(jìn)行對(duì)接焊。見圖1。

3 人工缺陷試塊設(shè)計(jì)和布置
3.1試塊規(guī)格
設(shè)計(jì)的異種金屬焊縫試塊規(guī)格為Φ335×33mm，管段長度為300mm，高強(qiáng)度低合金鋼（508－III鋼）段長度為150mm，不銹鋼段長度為150mm。
3.2 缺陷布置
    缺陷在試塊中的位置布置如下：
①        在508－III鋼的焊縫坡口面上，直徑為φ317mm處，沿圓周方向，從0°開始，每隔45°做人工缺陷裂紋一條，每條裂紋的長度為10±2mm，在整個(gè)圓周上共預(yù)埋8處裂紋；在同一圓周上，從22.5°開始，每隔45°做人工缺陷未熔合一條，每條未熔合的長度為10±2mm在整個(gè)圓周上共預(yù)埋8處未熔合。
②        在鎳基預(yù)堆邊的焊縫坡口面上，直徑為297mm處，沿圓周方向，從0°開始，每隔45°做人工缺陷未熔合一條，未熔合的長度為10±2mm，在整個(gè)圓周上共預(yù)埋8處未熔合；在同一圓周上，從22.5°開始，每隔45°做人工缺陷裂紋一條，每條裂紋的長度為10±2mm，在整個(gè)圓周上共預(yù)埋8處裂紋。
③        在不銹鋼段的焊縫坡口面上，直徑為307mm處，沿圓周方向，從0°開始，每隔45°做人工缺陷裂紋一條，每條裂紋的長度為10±2mm，在整個(gè)圓周上共預(yù)埋8處裂紋。在同一圓周上，從22.5°開始，每隔45°做人工缺陷未熔合一條，每個(gè)未熔合的長度為10±2mm，在整個(gè)圓周上共預(yù)埋8處未熔合。
每件試塊預(yù)埋48處人工自然缺陷，二件試塊共預(yù)埋96處人工自然缺陷（其中裂紋48條，未熔合48條）。

4 射線檢測設(shè)備和檢驗(yàn)工藝
4.1射線檢驗(yàn)設(shè)備
①Ir192?射線探傷機(jī)，源焦點(diǎn)尺寸?3×3mm，活度大于70Ci；
②Kodak M工業(yè)膠片和與之相匹配的Kodak 手工顯、定影液；
③鉛增感屏長240mm，寬100mm，厚度為前屏=后屏=0.2mm，中屏2×0.1mm ；
④鉛濾光板：厚為0.5mm ；防背散射鉛板：厚2.0mm；
⑤象質(zhì)計(jì)： II號(hào)Fe 6/12，鉛字標(biāo)記等；
⑥暗室處理和底片評(píng)定設(shè)備。

4.2 射線檢驗(yàn)工藝
由于異種金屬焊接接頭存在嚴(yán)重的組織不均勻性和非線性大梯度特征，射線檢驗(yàn)這類焊縫時(shí)，相鄰材料對(duì)射線的吸收差異或兩者結(jié)合，會(huì)在底片上觀察到材料的分區(qū)現(xiàn)象，即形成帶狀影像的黑度差，黑度差與焊縫中某些缺陷形成的顯示類似，極易混淆，分析識(shí)別和裂紋長度定量有相當(dāng)?shù)碾y度，如何提高接管異種金屬焊縫的射線檢測可靠性一直受到廣大無損檢測技術(shù)人員的關(guān)注。
根據(jù)法國RSEM《壓水堆核島機(jī)械部件在役檢查規(guī)范》和異種金屬焊縫射線檢測的經(jīng)驗(yàn)，常規(guī)射線檢測方法是將射線源位于焊縫中心平面的垂直透照不易檢出鎳基堆焊層內(nèi)的缺陷。為了檢出人工模擬自然缺陷試塊中的缺陷 ，本實(shí)驗(yàn)通過采用三種射線檢驗(yàn)透照方法（中心透照法、偏心透照法、雙壁單影透照法），即：11種不同射線源位置和膠片的透照方式。（見圖2－圖12）

將源放在不銹鋼側(cè)坡口延長線上偏斜250
上述11種透照方式，共拍片264張，得出了試塊焊縫中人工模擬自然缺陷在射線底片上缺陷影像變化和不同射線角度缺陷的檢出情況。
具有射線檢驗(yàn)II級(jí)資格證的人員，對(duì)二件試塊拍攝的264張射線底片進(jìn)行了評(píng)定，得出了11種透照方式下每個(gè)缺陷的大小和性質(zhì)。

5  缺陷檢測結(jié)果與解剖結(jié)果對(duì)比分析
5.1試塊標(biāo)識(shí)
為了有規(guī)律地切割人工模擬自然缺陷試塊中的缺陷，使切割后試塊的每個(gè)單元不被混淆，每個(gè)圓環(huán)試塊切割成多個(gè)小塊，在每個(gè)小塊的上端面用振動(dòng)筆打上永久標(biāo)識(shí)號(hào)。
5.2 試塊的解剖
根據(jù)缺陷設(shè)計(jì)的預(yù)埋位置，使用線切割來解剖試塊，共進(jìn)行了380次的切割。對(duì)切割后的760個(gè)切割面進(jìn)行了液體滲透檢查，拍攝液體滲透結(jié)果照片760張，其中切割面上發(fā)現(xiàn)有631個(gè)缺陷顯示。通過這些顯示，可判斷二件試塊中所埋藏的96條人工缺陷的起點(diǎn)和終點(diǎn)，確定每個(gè)缺陷在試塊中的實(shí)際長度，找出了預(yù)埋的缺陷在試塊中所處的位置和真實(shí)尺寸的大小。典型的模擬裂紋、未熔合解剖后缺陷經(jīng)液體滲透顯示的像片見圖13。

5.3  缺陷寬度尺寸測量
以射線底片上評(píng)定裂紋長度尺寸的二個(gè)端點(diǎn)的位置，作為射線檢驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)該裂紋開口寬度的最大尺寸。解剖后在金相顯微鏡下測量這二個(gè)端點(diǎn)處裂紋的寬度，找出了射線檢驗(yàn)該裂紋的最小寬度尺寸為0.09mm。模擬裂紋解剖的金相顯微鏡像片見圖14。

5.4 缺陷射線檢測結(jié)果與解剖結(jié)果對(duì)比分析

由于有些缺陷制作得不太成功，只選取了21條裂紋和29條未熔合人工模擬缺陷的射線檢驗(yàn)人員評(píng)定得到的缺陷長度和解剖后檢驗(yàn)出的缺陷真實(shí)長度的數(shù)據(jù)組。中心透照(BZ 0o)時(shí)，射線檢驗(yàn)人員評(píng)定裂紋長度與解剖測量出的缺陷真實(shí)長度的數(shù)據(jù)關(guān)系見圖15，雙壁單影透照(AS 0o)時(shí)，射線檢驗(yàn)人員評(píng)定未熔合缺陷長度與解剖測量出的缺陷真實(shí)長度的數(shù)據(jù)關(guān)系見圖16。

通過缺陷寬度尺寸測量（開口）分析得出，射線檢測能夠發(fā)現(xiàn)開口大于0.09mm開口寬度的缺陷（裂紋），對(duì)這樣的缺陷（裂紋）射線檢測有較高的檢測可靠性。

6 檢出概率分析方法和檢出概率曲線
6.1 檢出概率分析方法

無損檢驗(yàn)技術(shù)的可靠性是指無損檢驗(yàn)技術(shù)對(duì)缺陷的檢驗(yàn)?zāi)芰ΑＪ菍?duì)用該方法檢出特定類型、特定尺寸缺陷有效性所作的一種定量度量。可從以下方面進(jìn)行分析：
（1）從二項(xiàng)式分布法獲得檢驗(yàn)概率函數(shù)。用該方法估計(jì)檢驗(yàn)概率和置信下限。這種方法對(duì)單一尺寸缺陷給出了成功的統(tǒng)計(jì)估計(jì)，但其要求很大的樣本容量。在缺少大量同樣尺寸的缺陷樣品時(shí)，提出了新的各種分析數(shù)據(jù)的方法。
（2）從檢出/漏檢數(shù)據(jù)中獲得檢驗(yàn)概率函數(shù)。
（3）從信號(hào)響應(yīng)數(shù)據(jù)中獲得檢驗(yàn)概率函數(shù)。近些年，在可靠性分析的基礎(chǔ)上提出了檢驗(yàn)概率函數(shù)可用累加對(duì)數(shù)正態(tài)分布函數(shù)表示，其分布參數(shù)可用最大似然估計(jì)方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)估計(jì)，對(duì)不同類型可靠性數(shù)據(jù)可以采用標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)計(jì)回歸分析或方差，協(xié)方差來計(jì)算檢驗(yàn)概率的置信下限。

6.2 檢出概率曲線
用第3種檢驗(yàn)概率分析方法＿從信號(hào)響應(yīng)數(shù)據(jù)中獲得檢驗(yàn)概率函數(shù)。圖17為采用中心透照法時(shí)（源在焊縫中心平面BZ 0°），不同檢驗(yàn)人員檢出裂紋缺陷的檢驗(yàn)概率曲線。

曲線是檢驗(yàn)人員C的概率曲線，藍(lán)色（blue）曲線是檢驗(yàn)人員D的概率曲線，黑色（black）曲線是檢驗(yàn)人員E的概率曲線，粉紅（pink）曲線F是平均線。

7 缺陷射線檢驗(yàn)可靠性分析
從圖15和圖16中，射線檢驗(yàn)人員對(duì)缺陷的評(píng)定結(jié)果與解剖后檢驗(yàn)出的缺陷的真實(shí)結(jié)果對(duì)比分析的均方根誤差①計(jì)算如下：①見ASME XI -2004 Ⅷ-3120






由表1和表2中可以看出，未熔合的檢驗(yàn)可靠性高于裂紋檢驗(yàn)可靠性。從透照方式上（源在焊縫平面）中心透照BZ 0°檢驗(yàn)可靠性要高于其它檢驗(yàn)方式的檢驗(yàn)可靠性。這是因?yàn)樵丛诠軆?nèi)中心透照具有透照厚度比K＝1，橫向裂紋檢出角θ＝0的優(yōu)點(diǎn)。源在管內(nèi)偏心透照比源在外透照法具有更小的透照厚度差和橫向裂紋檢出角。
考慮到異種金屬焊縫焊接工藝特殊性，為了發(fā)現(xiàn)沿預(yù)堆邊方向的裂紋或未熔合等缺陷，將源沿鎳基預(yù)堆邊方向進(jìn)行偏斜透照，提高異種金屬焊縫的射線檢驗(yàn)可靠性，推薦采用（源在焊縫平面）中心透照BZ 0°以及源沿鎳基預(yù)堆邊方向進(jìn)行偏斜透照的組合方式。

8 討論
（1）對(duì)缺陷的檢驗(yàn)概率分析，如果缺陷達(dá)到一定尺寸，射線檢驗(yàn)一般可以達(dá)到100%的缺陷檢出概率，實(shí)際上大部分缺陷檢驗(yàn)尺寸和真實(shí)尺寸存在較大的差異（如裂紋尺寸），這種測量結(jié)果的差異顯然談不上檢驗(yàn)結(jié)果“可靠”。除了用缺陷檢出概率來考慮檢驗(yàn)可靠性外，還要考慮缺陷檢驗(yàn)精確度的因素。
（2）射線檢驗(yàn)可靠性還應(yīng)該包含更為廣泛的意義，應(yīng)該是一系列綜合特性的綜合體現(xiàn)，包括：射線檢驗(yàn)方法對(duì)缺陷的檢驗(yàn)?zāi)芰ΓíM義可靠性）；射線檢驗(yàn)方法的適用性及可操作性；射線檢驗(yàn)方法的正確性；對(duì)缺陷判定的準(zhǔn)確性；記錄、報(bào)告的完整性；對(duì)檢驗(yàn)過程的控制能力等。
要提高射線檢驗(yàn)可靠性，必須優(yōu)化射線檢驗(yàn)活動(dòng)中的每一個(gè)過程。
（3）射線透照方法的影響：當(dāng)射線源放在焊縫中心平面時(shí),缺陷與射線束平行,缺陷最容易被檢驗(yàn)出來。當(dāng)射線束的角度與缺陷平面成一定角度時(shí)，如：源與焊縫中心平面傾斜度從0°到15°，再傾斜到25°，角度逐漸增加時(shí)，缺陷在射線底片上的影像從有到無，或從大到小。所以對(duì)于沿徑向（壁厚方向）變化的缺陷容易被檢驗(yàn)出來，而這類缺陷從受力和安全方面考慮是最危險(xiǎn)的缺陷。因此，為了更好地發(fā)現(xiàn)缺陷，透照時(shí)應(yīng)盡量讓源處在焊縫中心平面上或讓射線束的方向與缺陷平面平行。
（4）裂紋開口寬度和裂紋平面與射線夾角：從評(píng)片結(jié)果表中可以看出，解剖后裂紋的真實(shí)長度比射線檢驗(yàn)底片上評(píng)片得出的影像長度長。經(jīng)金相顯微鏡放大裂紋的開口寬度測量得出：裂紋開口寬度小于0.09 mm時(shí)，射線檢驗(yàn)不可能檢出。裂紋開口寬度大于0.09 mm，但與射線夾角大于15°時(shí)，射線檢出率明顯下降。
9 結(jié)論
對(duì)預(yù)埋在異種金屬焊縫試塊（厚度T=33mm）中一定位置（焊縫坡口角度）上的人工缺陷，射線檢驗(yàn)可靠性分析研究可以得出如下結(jié)論：
① 相同透照方式時(shí)，未熔合的檢驗(yàn)可靠性高于裂紋檢驗(yàn)可靠性；
② 對(duì)試塊中預(yù)埋的人工自然裂紋來說，如果裂紋開口尺寸大于0.09mm時(shí)，檢驗(yàn)可靠性可以大于90%。
③ 中心透照法BZ 0°檢驗(yàn)可靠性要高于偏心透照法BP 0°、BP1、 BP3和雙壁單影透照法AS 0°、AS1、AS3的檢驗(yàn)可靠性；
④ 在進(jìn)行射線透照時(shí)，優(yōu)先選用中心透照法，可以達(dá)到較高的檢驗(yàn)可靠性。

參考文獻(xiàn)
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[9] 王沫然  MATLAB6.0與科學(xué)計(jì)算.電子出版社，2001

周大禹（1954-）男，研究員級(jí)高工，從事核動(dòng)力裝置的無損檢測技術(shù)研究。

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好文章，下載了，學(xué)習(xí)了！幾年前，我在網(wǎng)上發(fā)表過學(xué)習(xí)周大禹先生文章的日志。在此向周大禹等先生\向樓主表示衷心謝意！

已在遠(yuǎn)東網(wǎng)發(fā)表的日志:射線檢測到底能發(fā)現(xiàn)多大的裂紋？

                                  ——讀文筆記

    這是個(gè)靈敏度問題，也是個(gè)可靠性的問題。本文如有不當(dāng)，請(qǐng)指正。

    有人可能會(huì)說：這個(gè)題目似乎讓人摸不著頭腦，不提母材材質(zhì)、厚度，也不說射線源和膠片類別等必要條件，別人怎么好回答呢？我認(rèn)為：既便給出了非常具體完善的條件，X或γ射線檢到底能發(fā)現(xiàn)多大的裂紋？恐怕也很難回答，射線或其它檢測方法可靠的研究，還需要NDT研究人員做許多艱苦的試驗(yàn)工作。

    筆者去年讀了下面一篇好文章：

    周大禹等.不同透照工藝對(duì)焊縫中缺陷的射線檢驗(yàn)可靠性的影響〔J〕.無損檢測，2010，32(9)：718.

   文中列出的條件為：母材材質(zhì)0Cr18Ni10Ti+高強(qiáng)度低合金鋼508-Ⅲ，厚度T=33mm，射線源Ir192，源焦點(diǎn)尺寸3mmX3mm，膠片為Kodak M，其余條件似為常規(guī)。焊縫中埋藏了人工制造的多條裂紋和未熔合。

    關(guān)于可檢出的裂紋尺寸，文章是這樣敘述的：“經(jīng)金相顯微鏡放大裂紋的開口寬度(射線底片上評(píng)定裂紋尺寸兩個(gè)端點(diǎn)位置處的開口寬度——梁金昆注)測量得出：裂紋開口寬度<0.09mm時(shí)，射線檢驗(yàn)不可能檢出。裂紋開口寬度>0.09mm，但與射線夾角?150時(shí)，射線檢出率明顯下降。”筆者認(rèn)為：這樣的敘述，對(duì)可檢出裂紋尺寸而言，是不全面的。根椐文章內(nèi)容，筆者替作者歸納出(但不一定對(duì))，γ射線、既定膠片等條件下，可檢出裂紋尺寸為：開口寬度W≥0.09mm，長度L≥10mm，照射角θ≤15度。但可惜的是缺少裂紋深度這一重要指標(biāo)。只提裂紋的寬度，或提裂紋的寬度和長度，不涉裂紋深度，就當(dāng)成靈敏度、可靠性的討論文章、書籍，可以說并不鮮見。筆者在一篇關(guān)于PT的文章〔1〕中就呼吁過這個(gè)問題。但我又不得不說：能夠見到周大禹等先生提供的試驗(yàn)資料也就非常可貴了！！

    射線檢測到底能發(fā)現(xiàn)多大的裂紋？筆者所見試驗(yàn)性資料很少，多是空泛性的可靠性理論文章。希望專家和讀者朋友參與這一問題的討論，更希望多做些這方面試驗(yàn)工作。

備注：〔1〕梁金昆.關(guān)于滲透探傷四個(gè)基礎(chǔ)理論問題的討論〔J〕.無損檢測，2005，27(5).

    讀者可自己在遠(yuǎn)東網(wǎng)上搜索，還有一篇我的日志----"周大禹等先生文章的有用信息和我的遺憾"。

學(xué)習(xí)了！

很不錯(cuò)的貼子

好資料，學(xué)習(xí)了。謝謝版主！

很及時(shí)，牛人啊