異種金屬焊縫射線檢測可靠性研究

1 引言
無損檢測技術的可靠性可以從二個方面來分析，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，準確地檢測到某個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尺寸之間的誤差關系，狹義可靠性只是無損檢測系統的檢測能力。

無損檢測廣義可靠性的概念包含了更為廣泛的意義，體現了無損檢測的綜合質量。無損檢測的可靠性受到一系列因素的綜合影響，它是對檢測能力，方法的適用和可操作性，運用檢測方法的正確性，對缺陷判定的準確性，記錄報告的完整性及追溯性，以及對檢測過程控制能力等的綜合體現。
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
在設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，同時異種鋼和異種金屬焊接接頭也是連接質量最為不穩定的部位之一。在異種金屬焊接過程中，被焊材料在極短的時間內被熔化，在加熱和冷卻過程中存在著極大的溫度梯度，也伴隨著材料力學性能的極大變化，因而在焊接區產生極不均勻組織、性能、應力與變形，而且具有極大的三維非線性和大梯度特征。會產生延展性突降裂紋（ductility dip cracking）、液化裂紋（liquation cracking）、固態裂紋（solidification cracking）。它不僅會影響焊接質量，而且會極大的影響結構的斷裂、應力腐蝕、疲勞損傷行為和結構的安全性。

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

3 人工缺陷試塊設計和布置
3.1試塊規格
設計的異種金屬焊縫試塊規格為Φ335×33mm，管段長度為300mm，高強度低合金鋼（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，在整個圓周上共預埋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在整個圓周上共預埋8處未熔合。
②        在鎳基預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，在整個圓周上共預埋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，在整個圓周上共預埋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，在整個圓周上共預埋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，每個未熔合的長度為10±2mm，在整個圓周上共預埋8處未熔合。
每件試塊預埋48處人工自然缺陷，二件試塊共預埋96處人工自然缺陷（其中裂紋48條，未熔合48條）。

4 射線檢測設備和檢驗工藝
4.1射線檢驗設備
①Ir192?射線探傷機，源焦點尺寸?3×3mm，活度大于70Ci；
②Kodak M工業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象質計： II號Fe 6/12，鉛字標記等；
⑥暗室處理和底片評定設備。

4.2 射線檢驗工藝
由于異種金屬焊接接頭存在嚴重的組織不均勻性和非線性大梯度特征，射線檢驗這類焊縫時，相鄰材料對射線的吸收差異或兩者結合，會在底片上觀察到材料的分區現象，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，分析識別和裂紋長度定量有相當的難度，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人員的關注。
根據法國RSEM《壓水堆核島機械部件在役檢查規范》和異種金屬焊縫射線檢測的經驗，常規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的缺陷。為了檢出人工模擬自然缺陷試塊中的缺陷 ，本實驗通過采用三種射線檢驗透照方法（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II級資格證的人員，對二件試塊拍攝的264張射線底片進行了評定，得出了11種透照方式下每個缺陷的大小和性質。

5  缺陷檢測結果與解剖結果對比分析
5.1試塊標識
為了有規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單元不被混淆，每個圓環試塊切割成多個小塊，在每個小塊的上端面用振動筆打上永久標識號。
5.2 試塊的解剖
根據缺陷設計的預埋位置，使用線切割來解剖試塊，共進行了380次的切割。對切割后的760個切割面進行了液體滲透檢查，拍攝液體滲透結果照片760張，其中切割面上發現有631個缺陷顯示。通過這些顯示，可判斷二件試塊中所埋藏的96條人工缺陷的起點和終點，確定每個缺陷在試塊中的實際長度，找出了預埋的缺陷在試塊中所處的位置和真實尺寸的大小。典型的模擬裂紋、未熔合解剖后缺陷經液體滲透顯示的像片見圖13。

5.3  缺陷寬度尺寸測量
以射線底片上評定裂紋長度尺寸的二個端點的位置，作為射線檢驗能夠發現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端點處裂紋的寬度，找出了射線檢驗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 缺陷射線檢測結果與解剖結果對比分析

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人員評定得到的缺陷長度和解剖后檢驗出的缺陷真實長度的數據組。中心透照(BZ 0o)時，射線檢驗人員評定裂紋長度與解剖測量出的缺陷真實長度的數據關系見圖15，雙壁單影透照(AS 0o)時，射線檢驗人員評定未熔合缺陷長度與解剖測量出的缺陷真實長度的數據關系見圖16。

通過缺陷寬度尺寸測量（開口）分析得出，射線檢測能夠發現開口大于0.09mm開口寬度的缺陷（裂紋），對這樣的缺陷（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

無損檢驗技術的可靠性是指無損檢驗技術對缺陷的檢驗能力。是對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?？蓮囊韵路矫孢M行分析：
（1）從二項式分布法獲得檢驗概率函數。用該方法估計檢驗概率和置信下限。這種方法對單一尺寸缺陷給出了成功的統計估計，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，提出了新的各種分析數據的方法。
（2）從檢出/漏檢數據中獲得檢驗概率函數。
（3）從信號響應數據中獲得檢驗概率函數。近些年，在可靠性分析的基礎上提出了檢驗概率函數可用累加對數正態分布函數表示，其分布參數可用最大似然估計方法進行統計估計，對不同類型可靠性數據可以采用標準的統計回歸分析或方差，協方差來計算檢驗概率的置信下限。

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

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

7 缺陷射線檢驗可靠性分析
從圖15和圖16中，射線檢驗人員對缺陷的評定結果與解剖后檢驗出的缺陷的真實結果對比分析的均方根誤差①計算如下：①見ASME XI -2004 Ⅷ-3120






由表1和表2中可以看出，未熔合的檢驗可靠性高于裂紋檢驗可靠性。從透照方式上（源在焊縫平面）中心透照BZ 0°檢驗可靠性要高于其它檢驗方式的檢驗可靠性。這是因為源在管內中心透照具有透照厚度比K＝1，橫向裂紋檢出角θ＝0的優點。源在管內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，為了發現沿預堆邊方向的裂紋或未熔合等缺陷，將源沿鎳基預堆邊方向進行偏斜透照，提高異種金屬焊縫的射線檢驗可靠性，推薦采用（源在焊縫平面）中心透照BZ 0°以及源沿鎳基預堆邊方向進行偏斜透照的組合方式。

8 討論
（1）對缺陷的檢驗概率分析，如果缺陷達到一定尺寸，射線檢驗一般可以達到100%的缺陷檢出概率，實際上大部分缺陷檢驗尺寸和真實尺寸存在較大的差異（如裂紋尺寸），這種測量結果的差異顯然談不上檢驗結果“可靠”。除了用缺陷檢出概率來考慮檢驗可靠性外，還要考慮缺陷檢驗精確度的因素。
（2）射線檢驗可靠性還應該包含更為廣泛的意義，應該是一系列綜合特性的綜合體現，包括：射線檢驗方法對缺陷的檢驗能力（狹義可靠性）；射線檢驗方法的適用性及可操作性；射線檢驗方法的正確性；對缺陷判定的準確性；記錄、報告的完整性；對檢驗過程的控制能力等。
要提高射線檢驗可靠性，必須優化射線檢驗活動中的每一個過程。
（3）射線透照方法的影響：當射線源放在焊縫中心平面時,缺陷與射線束平行,缺陷最容易被檢驗出來。當射線束的角度與缺陷平面成一定角度時，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，缺陷在射線底片上的影像從有到無，或從大到小。所以對于沿徑向（壁厚方向）變化的缺陷容易被檢驗出來，而這類缺陷從受力和安全方面考慮是最危險的缺陷。因此，為了更好地發現缺陷，透照時應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：從評片結果表中可以看出，解剖后裂紋的真實長度比射線檢驗底片上評片得出的影像長度長。經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，射線檢驗不可能檢出。裂紋開口寬度大于0.09 mm，但與射線夾角大于15°時，射線檢出率明顯下降。
9 結論
對預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，射線檢驗可靠性分析研究可以得出如下結論：
① 相同透照方式時，未熔合的檢驗可靠性高于裂紋檢驗可靠性；
② 對試塊中預埋的人工自然裂紋來說，如果裂紋開口尺寸大于0.09mm時，檢驗可靠性可以大于90%。
③ 中心透照法BZ 0°檢驗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的檢驗可靠性；
④ 在進行射線透照時，優先選用中心透照法，可以達到較高的檢驗可靠性。

參考文獻
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周大禹（1954-）男，研究員級高工，從事核動力裝置的無損檢測技術研究。

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