李越成

(中國核工業(yè)第五建設(shè)有限公司，上海 201512)

1 設(shè)備閘門概況

設(shè)備閘門為法蘭型環(huán)狀閘門，其貫穿核電站反應(yīng)堆安全殼，是安全殼上的重要設(shè)備。設(shè)備閘門由閘門封頭、閘門筒體、提升裝置和懸掛裝置等幾大部分組成。其中，設(shè)備閘門筒體的補強板和安全殼筒體的連接方式為全熔透對接。為了保證安全殼的整體密封性，需要對焊縫進行100%滲透檢測(清根及完成焊接后各進行一次)和100%射線檢測。為了避免焊接變形，閘門套筒補強板與筒體板焊接時，在焊接應(yīng)力引起的法蘭變形減到最小之前，法蘭接合面不能被打開。

2 設(shè)備閘門補強板焊接特點

2.1 補強板焊接坡口加工

設(shè)備閘門補強板材料為SA 738Gr.B，厚度為95.3 mm，坡口形式為不對稱X型，其設(shè)計尺寸及坡口形式如圖1所示。坡口實際加工尺寸和設(shè)計尺寸會存在一定的偏差。

圖1 設(shè)計尺寸及坡口形式示意

2.2 補強板焊接坡口對中

補強板定位焊后，進行間隙和錯邊量檢查時發(fā)現(xiàn)，在保證錯邊量滿足要求的前提下，由于實際坡口加工存在偏差，使得補強板的鈍邊位置和鋼制安全殼筒體上的鈍邊位置無法對中。對補強板8個方位點進行鈍邊距離測量，鈍邊測量位置及閘門分區(qū)如圖2所示(圖中T1為底封頭板厚度,T2為第一圈筒體板厚度,T3為第二圈筒體板厚度)，鈍邊距離測量結(jié)果如表1所示。

圖2 鈍邊測量位置及閘門分區(qū)示意

表1 鈍邊距離測量結(jié)果 mm

由測量得知，補強板的鈍邊位置x為43～70 mm，平均值為52.5 mm，補強板坡口上、下位置出現(xiàn)負(fù)偏差，左、右位置出現(xiàn)正偏差，并在1#,3#,5#,7#位附近偏差值較大。

2.3 補強板焊接坡口寬度

由于坡口加工時出現(xiàn)偏差，焊接完成后，部分焊縫寬度達到90 mm(一般為35 mm)，對補強板8個方位點的內(nèi)、外側(cè)進行焊縫寬度測量(內(nèi)外側(cè)焊縫寬度示意見圖3)，發(fā)現(xiàn)上、下方位外側(cè)焊縫比內(nèi)側(cè)焊縫寬，而左、右方位內(nèi)側(cè)焊縫比外側(cè)焊縫寬。

圖3 內(nèi)外側(cè)焊縫寬度示意

由測量得知，補強板的內(nèi)焊縫寬度為36～88 mm，從1#位到8#位呈現(xiàn)先變大，后變小，再變大的趨勢，在3#,7#位附近達到最大；外焊縫寬度為40～75 mm，從1#位到8#位呈現(xiàn)先變小，后變大，再變小的趨勢，在1#,5#位附近達到最大，與內(nèi)側(cè)焊縫寬度變化趨勢剛好相反。

3 補強板焊縫射線檢測技術(shù)難點

3.1 射線檢測技術(shù)要求

射線檢測技術(shù)文件要求將工件焊縫及熱影響區(qū)影像全部顯示在底片上，底片標(biāo)識不得遮蓋焊縫有效評定區(qū)影像；X射線底片有效評定區(qū)黑度要求在1.8～4.0，γ射線底片有效評定區(qū)黑度要求在2.0～4.0。對于厚度變化不大的焊縫(常規(guī)焊縫)，只需對同一片位分兩個區(qū)域透照即能滿足檢測技術(shù)文件要求，其分區(qū)如圖4所示。

圖4 常規(guī)焊縫分區(qū)示意

一般而言，不對稱X型坡口焊接的補強板內(nèi)側(cè)焊縫比外側(cè)焊縫寬，底片標(biāo)識放在內(nèi)側(cè)焊縫熱影響區(qū)外，分區(qū)標(biāo)記放置在有效評定區(qū)以外的焊縫上，用以識別有效區(qū)域。透照由內(nèi)側(cè)向外側(cè)進行，標(biāo)記影像不會投影到焊縫影像區(qū)域內(nèi)。

3.2 射線檢測難點分析

對補強板焊縫超寬區(qū)域進行射線檢測時發(fā)現(xiàn)，由于部分位置內(nèi)外側(cè)焊縫寬窄不一，厚度較厚(部分位置甚至超過了X射線機的最大透照厚度), 厚度差大，拍攝的底片質(zhì)量很難達到要求，特別是靠近補強板一側(cè)。其技術(shù)困難主要表現(xiàn)在以下兩個方面。

(1) 補強板焊縫超寬，合理分區(qū)困難

典型偏差焊縫截面如圖5所示，可見補強板內(nèi)、外焊縫寬窄不一。

圖5 典型偏差焊縫截面

經(jīng)分析，這種情況是補強板坡口鈍邊加工位置出現(xiàn)偏差及不同位置的筒體板標(biāo)稱厚度不同引起的。當(dāng)不出現(xiàn)偏差時，x為60.3 mm(見圖1)。

(2) 厚度差梯度過大，工藝制定困難

在可透照范圍內(nèi)，不同片位透照寬度和厚度不一，厚度方向的梯度變化不規(guī)律，從而較難確定透照工藝，易造成底片黑度不均、黑度超標(biāo)、標(biāo)識不全等，難以達到標(biāo)準(zhǔn)要求[1]。透照厚度方向的梯度如圖6所示(圖中T為工件厚度)。

圖6 透照厚度方向的梯度示意

4 射線檢測方案與工藝的制定

4.1 射線檢測方案制定

補強板焊縫的透照經(jīng)過綜合分析制定了如下工藝方案：對于分區(qū)，將補強板一側(cè)的焊縫邊界畫到另一側(cè)的焊縫上，綜合起來進行透照區(qū)域劃分；對于參數(shù)選擇，測量出各個片位及區(qū)域的透照厚度，分別制定相應(yīng)的曝光參數(shù)進行透照。

按照以上方案進行試片時發(fā)現(xiàn)，內(nèi)、外焊縫筒體板側(cè)邊界的距離差也有較大變化，使得在將補強板一側(cè)的焊縫邊界畫到另一側(cè)的焊縫上時失去基準(zhǔn)，出現(xiàn)誤差。因此,首先需要通過定位片確定內(nèi)外焊縫筒體板側(cè)邊界的相對位置。

4.1.1 焊縫邊界測定

在焊縫1#～8#位置附近分別選擇特征片位，利用定位片進行焊縫邊界測定。

定位片標(biāo)識及鉛字標(biāo)記布置如圖7所示，將鉛字“V”“XX”放置在內(nèi)焊縫邊界(“XX”代表片位)，將鉛字“A”“B”放置在外焊縫邊界，通過鉛字標(biāo)記在底片上的投影位置來推測焊縫邊界的大致變化規(guī)律。

圖7 定位片標(biāo)識及鉛字標(biāo)記布置示意

方位特征片定位數(shù)據(jù)如表2所示[以內(nèi)側(cè)(V)邊界為零位，“內(nèi)(V)-外(A)”為正數(shù)，表示外焊縫筒體板側(cè)邊界在底片上的投影在內(nèi)側(cè)焊縫的投影內(nèi),反之在外]，其影像及尺寸如圖8所示。

圖8 方位特征片的影像及尺寸

由表2可知，不同位置的內(nèi)外焊縫筒體板側(cè)邊界都不同。根據(jù)數(shù)據(jù)模擬補強板內(nèi)、外焊縫的位置走勢如圖9所示。其中紅色區(qū)域為外側(cè)焊縫變化影像位置，黑色區(qū)域為內(nèi)側(cè)焊縫影像位置。

4.1.2 焊縫厚度測量

若要制定合理可行的檢測工藝，就需要了解焊縫的坡口形式和焊縫透照厚度(T)，由圖9可知，部分坡口鈍邊不對中導(dǎo)致焊縫超寬，實際透照厚度變化較大，故擬對每個片位分薄、中、厚3個區(qū)域進行透照(見圖10)，若要準(zhǔn)確控制底片黑度，就應(yīng)了解各個區(qū)域的透照厚度變化和最厚處的厚度情況。例如，需要知道線條3處的T，只需要測出圖中Y1和Y2，即在內(nèi)外側(cè)X1值相等處測量焊縫相對于筒體板的余高，則T=T1+Y1+Y2(T1為筒體板厚度)。

表2 方位特征片定位數(shù)據(jù) mm

圖9 補強板內(nèi)、外側(cè)焊縫位置示意(模擬結(jié)果)

圖10 焊縫透照厚度測量模型

具體測算方法如下：① 分別測量并記錄補強板焊縫所有片位的內(nèi)、外焊縫寬度；② 根據(jù)定位片測量結(jié)果描繪出內(nèi)、外側(cè)焊縫邊界，根據(jù)每個片位的厚度變化趨勢在內(nèi)外焊縫上分別畫出補強板焊縫的3次透照區(qū)域，如圖10所示的1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)；③ 分別測出如圖10所示線條1，2，3處的Y1,Y2；④ 記錄各區(qū)透照厚度，T=T1+Y1+Y2。

根據(jù)測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)部分焊縫厚度較大，有的甚至超出了SMART-300HP恒壓X射線機的最大穿透厚度(按說明書中最大鋼穿透厚度為65 mm)，大厚度焊縫所占百分比如表3所示。

表3 大厚度焊縫百分比

4.2 射線檢測工藝

根據(jù)測量結(jié)果分析,將補強板焊縫在寬度方向上分3個區(qū)域進行射線檢測,片位分區(qū)如圖11所示。

圖11 片位分區(qū)

4.2.1 射線源種類及能量選擇

依據(jù)測量出的補強板焊縫各區(qū)域的厚度情況和射線檢測設(shè)備的穿透能力可選擇合適的射線源，對1區(qū)、2區(qū)及厚度小于65 mm的3區(qū)片位使用X射線進行透照，對超過射線機透照厚度范圍的剩余3區(qū)片位使用γ射線進行透照(只有3區(qū)存在厚度超過65 mm的情況)。

由焊縫厚度測量結(jié)果可知，同區(qū)的各個片位厚度存在厚度差，并且厚度變化梯度不盡相同。由曝光曲線可知，同等條件下，適當(dāng)提高X射線機的管電壓，在規(guī)定的黑度范圍內(nèi)可容許更大的厚度變化范圍，即增大了寬容度，同時可以減小散射比和邊蝕效應(yīng)。結(jié)合曝光時間和設(shè)備性能，X射線管電壓選擇280 kV。而γ射線能量比X射線能量大，具有更大的寬容度，但限于γ射線能量不可調(diào)節(jié)，若透照3區(qū)片位寬容度不滿足要求時，應(yīng)增加4區(qū)進行單獨曝光。

根據(jù)焊縫厚度測量結(jié)果，3區(qū)最大厚度差部位評定區(qū)黑度為2.213.64，符合2.004.00要求，即3區(qū)進行γ射線透照寬容度符合要求。

由曝光曲線可知，規(guī)格為41.3，44.45，47.6 mm的筒體板焊縫1區(qū)曝光量分別為21，27，33 mA·min；2區(qū)曝光量分別為27，32，37 mA·min；3區(qū)曝光量分別為30，35，40 mA·min。3區(qū)透照厚度為58～84 mm(實測)的部分，曝光量分別為2 040～6 783 Ci·min。實際曝光量可根據(jù)測量厚度進行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整。

4.2.2 透照方式及焦物距的選擇和確定

根據(jù)補強板焊縫的位置特點和透照方式的選用原則，在進行X和γ射線透照時均采用環(huán)縫單壁內(nèi)透法。再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的幾何不清晰度的要求和現(xiàn)場實際工況確定實際透照時的焦物距。

對補強板焊縫進行X射線透照時，根據(jù)幾何不清晰度限值和焦點尺寸，要求的最小焦物距為280 mm。綜合底片質(zhì)量和一次透照長度考慮，焦物距可選擇600 mm，此時，Ug(幾何不清晰度)為0.27 mm，小于0.51 mm[ASME(美國機械工程師協(xié)會)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值]。

對補強板焊縫進行γ射線透照時，根據(jù)幾何不清晰度限值和焦點尺寸，厚度為75 mm處最小焦物距為300 mm，厚度為84 mm處最小焦物距為250 mm。綜合底片質(zhì)量和一次透照長度考慮，焦物距可選擇400 mm，此時，75 mm厚處最大的Ug為0.56 mm，小于0.76 mm(ASME標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值)，84 mm厚處最大的Ug為0.63 mm，小于1.02 mm(ASME標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值)。

4.2.3 膠片及增感屏的選用

膠片選用規(guī)格(長×寬)為360 mm×100 mm的AGFA牌C7型膠片，增感屏選用厚為0.15 mm的鉛增感屏。

4.3 底片的評定

在嚴(yán)格按照規(guī)程要求控制底片黑度的同時，需特別注意熱影響區(qū)的黑度控制，X射線底片黑度要求在1.8～4.0，γ射線單張底片黑度要求在2.0～4.0，一般進行γ射線檢測時，不建議進行雙片疊加觀察(底片質(zhì)量偏低，不利于發(fā)現(xiàn)缺陷)。

4.4 過程控制

在檢測時注意記錄過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如分區(qū)位置、測量厚度、曝光參數(shù)等，根據(jù)檢測結(jié)果，對分區(qū)大小及透照參數(shù)進行動態(tài)修正并應(yīng)用到之后的檢測當(dāng)中。

4.5 檢測結(jié)果

通過對設(shè)備閘門補強板焊縫進行分區(qū)域透照，焊縫影像能夠清晰完整地呈現(xiàn)在底片上，達到了預(yù)期效果，底片影像如圖12所示。所拍底片的質(zhì)量參數(shù)如表4所示(使用的像質(zhì)計為ASME像質(zhì)計)。

圖12 補強板焊縫的底片影像

表4 焊縫底片質(zhì)量參數(shù)

5 結(jié)語

探討了一種不等厚焊縫的射線檢測方法，通過測量不同位置的厚度和焊縫寬度，對工件進行分區(qū)、分段透照，得到的底片質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求，為類似結(jié)構(gòu)焊縫的射線檢測提供參考。