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嘉峪檢測網(wǎng) 2024-06-17 15:22
前言
試驗快堆作為一種研究堆型,燃料元件使用的材料、零部件的結(jié)構(gòu)、組裝方式等均區(qū)別于目前國內(nèi)普遍使用的壓水堆燃料元件。
由此針對快堆燃料元件的制造工藝研究至關(guān)重要。
快堆相關(guān)組件的結(jié)構(gòu)基本類似，均采用六邊形外套管與操作頭或過渡接頭配合，內(nèi)部裝有單棒及其他結(jié)構(gòu)件，其中外套管與過渡接頭焊接是快堆組件制作的最后一道工序，其焊接質(zhì)量直接關(guān)系組件在堆內(nèi)的穩(wěn)定運行與換料過程中組件的安全度，目前，針對焊縫質(zhì)量的監(jiān)控采用射線照相的方法。
數(shù)字成像技術(shù)是一種可以直接獲得數(shù)字化圖像的射線檢測技術(shù)，其檢測成像質(zhì)量特性主要由靈敏度、清晰度和灰度來描述。
探測效率高、輻射劑量小、價格成本低、更能適應現(xiàn)代工業(yè)快速生產(chǎn)在線檢測的要求等諸多優(yōu)點使其迅速成為射線檢測技術(shù)研究的熱點。
與膠片相比，更能適應當前自動化生產(chǎn)線的檢測節(jié)奏，檢測結(jié)果可實時呈現(xiàn)，避免因洗片、評片的時間過長增加不合格產(chǎn)品的數(shù)量,排除結(jié)果反饋的滯后性。
方法原理
根據(jù)X射線檢測原理，被檢材料與缺陷材料 射線的吸收系數(shù)有一定差異。
當被檢測位置出現(xiàn)材質(zhì)不連續(xù)時,透過缺陷部位和完好部位的射線強度就會不同。
用一定能量的X射線透照待檢焊縫和空腔，通過膠片或平板數(shù)字成像探測器的成像，在X射線底片或顯示器上相應部位就會出現(xiàn)黑度差異的被檢測位置影像。
通過對被檢測位置影像進行觀察，評定缺陷的類型、大小和數(shù)量等,從而對被檢測位置質(zhì)量做出評價。
X射線機及配套高壓發(fā)生器、冷卻系統(tǒng)與控制系統(tǒng)，平板探測器及圖像采集處理軟件組成,如圖1所示。
系統(tǒng)配置既要具有足夠大的能量穿透透照產(chǎn)品：又需要檢測細節(jié)滿足靈敏度要求。
以下為檢測系統(tǒng)核心部件：
(1)X射線機：COMET 450型固定式高頻工業(yè)X射線機，焦點(0.4/1.0)mm。
(2)探測器：PE 0822型平板數(shù)字成像探測器,像素尺寸0.2mm。
圖1 檢測系統(tǒng)布局圖
檢測方法
六邊形外套管為等厚薄壁管，過渡接頭外邊界為正六邊形，內(nèi)邊界為圓；
裝配后其界面厚度存在差異，中間厚度最小，兩邊最大，其焊縫位置如圖2所示。
圖２ 外套管與操作頭裝配示意圖
數(shù)字圖像特征分析
外套管與過渡接頭對接焊縫，透照區(qū)域結(jié)構(gòu)相對復雜,既存在搭接配合間隙，又存在沿外套管軸向截面和周向界面焊縫厚度的差異，同時材料及工藝在國內(nèi)可借鑒的經(jīng)驗較少，焊接過程中會出現(xiàn)不同的異常影像,增加了X射線評判的難度。
圖像中存在氣孔、對接未焊透、錯邊未焊透、氣脹等缺陷影像。
其中氣孔通常為圓形缺陷,且灰度特征明顯,容易識別與區(qū)分。
錯邊未焊透、對接根部未焊透、氣脹均為條形缺陷,其影像特征存在差異性,且對焊縫質(zhì)量的危害性存在一定差異，因此，需對其特征進行分析匯總，準確識別焊縫缺陷，保證評價結(jié)果的準確性，不出現(xiàn)漏檢、錯檢情況。
3.1 魚鱗紋成像特征分析
由于界面上X射線和物質(zhì)的相互作用與產(chǎn)品內(nèi)部X射線和物質(zhì)的相互作用基本相同。
所以在X射線圖像中，無法區(qū)分沿射線透照方向上的表面缺陷與內(nèi)部缺陷。外套管與過渡接頭對接氬弧焊在焊接過程中會由于能量的不連續(xù)性，以脈沖形式釋放能量導致焊接過程中金屬融化不連續(xù)，形成類似魚鱗的紋路，如圖4所示。
在焊縫表面的魚鱗紋由于高低起伏，射線透照厚度存在差異，所以射線影像存在黑白相間的條紋，如圖5所示。
圖4 焊縫表面魚鱗紋實物圖
圖5 魚鱗紋 X射線數(shù)字圖像
由于魚鱗紋形態(tài)特征明顯，各條紋基本保持連續(xù)，且基本呈現(xiàn)等間距排列。
當出現(xiàn)氣孔或裂紋等缺陷時會隔斷條紋顯示或覆蓋魚鱗紋。
所以魚鱗紋在實際檢測中通常不會對缺陷識別產(chǎn)生影響。
氣孔直徑約為φ0.25mm的情況可清晰檢出，未焊透、氣脹等條形缺陷也可清晰檢出，在圖像中會隔斷魚鱗紋,如圖6所示。
圖6 魚鱗紋焊縫中的缺陷圖像
3.2 焊瘤成像特征分析
在金屬物焊接過程中，由于焊點局部高溫融化，液體金屬凝固時，在自重作用下金屬流淌會形成的形態(tài)像微小疙瘩，即焊瘤。
焊瘤與融化區(qū)域邊界圓滑過渡，不存在應力集中引起的強度減弱問題，因此該影像定義為非缺陷影像。
如圖7所示，在X射線圖像中的“疙瘩”，這種影像主要出現(xiàn)在焊縫邊緣。
通過分析分布位置及結(jié)構(gòu)特點可識別焊瘤,排除其對結(jié)果評判的干擾。
圖7 焊瘤X射線數(shù)字圖像
3.3 厚度差成像特征分析
由圖8可知雙邊周向厚度差最大為29.00mm。在不考慮焊縫余高的情況下，軸向雙邊最大厚度差為5.98mm。
因此在透照區(qū)域范圍內(nèi)，無論沿軸向或周向均存在厚度差。
圖8透照厚度沿軸向的變化
相同的射線強度下,圖像在橫向和縱向均存在黑度差。
若黑度差較大時,圖像質(zhì)量不滿足檢測靈敏度要求。
如圖9所示，箭頭方向為灰度逐漸變小的方向，即透照厚度變大的方向。在厚度差較大X射線檢測中，為使有效評價區(qū)域內(nèi)靈敏度滿足要求，可通過增加透照電壓的方式實現(xiàn)。
同時可通過調(diào)節(jié)射線能量及圖像處理擴大有效評價范圍。X射線檢測中，為使有效評價區(qū)域內(nèi)靈敏度滿足要求，可通過增加透照電壓的方式實現(xiàn)。
同時可通過調(diào)節(jié)射線能量及圖像處理擴大有效評價范圍。
厚度差的存在所引起的圖像灰度變化為均勻過渡，因此無論是缺陷定義或圖像評價均無影響，實際檢測過程中可不做考慮。
圖9透照區(qū)域黑度沿軸向的變化
3.4 錯邊未焊透成像特征分析
外套管與過渡接頭在裝配過程中由于制造誤差，6個配合面中存在配合間隙，裝配時由于根部間隙太大，增大焊縫應力，容易產(chǎn)生焊接變形，變形會導致六角管和操作頭之間的間隙增大，對接接頭處會形成典型的錯邊，依據(jù) SY/T 4109-2020《石油天然氣鋼質(zhì)管道無損檢測》標準,將由于錯邊引起的單邊根部未焊透稱為“錯邊未焊透”。
如圖10所示，由于裝配是本身存在的配合間隙，在焊接的過程中熱量的輸人會擴大配合間隙的影響，形成如圖11所示的錯邊未焊透，及融化區(qū)域未包含過渡接頭直角區(qū)域根部。
由此在X射線成像中出現(xiàn)一條黑線如圖 12 所示。
分析其原因可知，由于間隙的存在在透照方向上存在厚度差，導致X射線透過的能量不同，造成成像時產(chǎn)生灰度差。
圖10外套管與過渡接頭配合區(qū)域示意圖
理論上在邊界兩側(cè)灰度會突變，且相應區(qū)域灰度均勻，即邊界兩側(cè)界限明顯。
但在實際中邊界區(qū)域往往會存在一條灰度值較低且有一定寬度的過渡線。
一方面是因為射線照相不清晰度引起的灰度值曲線過渡，另一方面由于該區(qū)域散射作用增強，邊界散射線與投射射線重合導致過渡線加寬。
同時從圖像中可以看出有兩條過渡線，原因是透照方式為雙壁單影透照，透照方向與雙壁間隙邊界對應位置連線不平行時，在成像板上的投影錯位導致出現(xiàn)兩條過渡線。
圖11 配合間隙金相剖面圖
圖12配合間隙的 X射線圖像
配合間隙導致的錯邊未焊透為非危害性缺陷，此影像結(jié)果與根部對接未焊透、氣脹等缺陷影像基本相同，無法通過圖像分析進行準確區(qū)分，因此劃分為缺陷影像。
結(jié)合X射線圖像及金相檢測結(jié)果分析，該結(jié)果是由在間隙起始位置存在厚度突變引起，因此采用加工斜槽的方式消除厚度突變，如圖13所示的金相解剖內(nèi)部結(jié)構(gòu)，透照厚度由突變改善為緩慢變化。
通過X射線檢測進行驗證,驗證結(jié)果如圖14所示過渡線影像基本消失。
圖13 開斜槽后的金相檢測圖
3.5 對接根部未焊透成像特征分析
對接根部未焊透為焊接時接頭根部未完全熔透的現(xiàn)象，對于對接根部焊縫，也指熔敷深度未達到設(shè)計要求的現(xiàn)象：未焊透直接危害是減小承載面積，降低焊接接頭力學性能，引起應力集中，導致脆斷。
在六邊形外套管與過渡接頭對接環(huán)焊中，未焊透極少單獨出現(xiàn)，多出現(xiàn)配合間隙導致的錯邊未焊透與對接位置未焊透在數(shù)字圖像中重疊，金相解剖結(jié)果如圖15所示。
均在影像中出現(xiàn)具有一定寬度的“條形”影像,如圖6(b)所示。其影像特征不明顯,不易與間隙導致的條形影像進行區(qū)分。
圖14 開斜槽后的X射線檢測圖像
圖15 未焊透金相檢測圖
3.6氣脹成像特征分析
氣脹為包殼管環(huán)焊縫根部咬邊的現(xiàn)象；氣脹的直接危害是壁厚減薄，且存在應力集中，降低焊縫強度的風險：依據(jù) GB/T 11809-2021《壓水堆燃料棒焊縫檢驗方法金相檢驗和射線照相驗》標準，如圖16所示的缺陷應評定為氣脹。
當透照角度完全垂直于焊縫，其X射線影像與錯邊未焊透與對接未焊透影像的區(qū)別為氣脹條形影像兩側(cè)灰度變化基本對稱或相似，如圖6(c)所示而錯邊未焊透條形影像兩側(cè)有明顯區(qū)別。
圖16 氣脹金相檢測圖
3.7 氣孔成像特征分析
氣孔為焊接過程中產(chǎn)生的氣體來不及溢出熔池而產(chǎn)生的；氣孔的直接危害是截面積減小導致強度變小，通常氣孔為圓形，不存在應力集中,也會以較低的概率出現(xiàn)條形氣孔。
圖6(a)、圖17為氣孔的金相解剖驗證圖及X射線數(shù)字圖像，從圖像中可以看出氣孔的影像特征較明顯，與背景灰度相差較大，形狀通常為近似圓形。
在實際檢測評判過程中容易區(qū)分。
圖17氣孔直徑接近?0.25 mmm 時的金相圖
通過以上分析，因間隙引起的錯邊未焊透、對接根部熔合深度不夠引起的對接根部未焊透以及氣脹，其金相檢測結(jié)果及產(chǎn)生機理存在較大差異，可準確區(qū)分。
但其在數(shù)字圖像中均顯示為“條形"影像通過對大量數(shù)據(jù)的收集與對比分析，其中錯邊未焊透出現(xiàn)概率最高，對接根部未焊透與氣脹出現(xiàn)頻率較低。
對比影像結(jié)果，其中兩類未焊透在圖像中特征相似不易區(qū)分，“條形"影像兩側(cè)灰度不對稱，因此均按未焊透進行評判。
氣脹因其影像中“條形”兩側(cè)的對稱性與未焊透存在一定差異,因此可進行區(qū)分。
結(jié)語
透照厚度差較大時會影響評價區(qū)域的靈敏度可通過增加透照電壓的方式，以及利用數(shù)字成像圖像處理和動態(tài)范圍大的優(yōu)點進行調(diào)節(jié)；
配合間隙(錯邊未焊透)與對接未焊透影像存在重疊,實際評判過程中均評定為未焊透。
通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)消除配合間隙的厚度突變,從而消除配合間隙影像對結(jié)果評判的干擾。
氣脹與未焊透影像存在兩側(cè)相似度的差異,因此可進行區(qū)分。
來源：人工智能工業(yè)影像
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