异种金属焊缝射线检测可靠性研究

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查看10518 | 回复23 | 2014-2-25 10:33:50 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 海天一色 于 2014-2-25 11:44 编辑

1 引言
无损检测技术的可靠性可以从二个方面来分析,一是狭义可靠性,二是广义可靠性。
无损检测狭义可靠性是指在某种特定的条件下,检测人员采用某种特定的检测方法,准确地检测到某个给定大小缺陷的能力。狭义可靠性除了考虑缺陷检出概率(POD)以外,还需要考虑被检出缺陷的尺寸与缺陷真实尺寸之间的误差关系,狭义可靠性只是无损检测系统的检测能力。

无损检测广义可靠性的概念包含了更为广泛的意义,体现了无损检测的综合质量。无损检测的可靠性受到一系列因素的综合影响,它是对检测能力,方法的适用和可操作性,运用检测方法的正确性,对缺陷判定的准确性,记录报告的完整性及追溯性,以及对检测过程控制能力等的综合体现。
本文以异种金属管道焊缝射线检测为例探讨射线检测可靠性。

2 异种金属焊缝的特点
在设备制造和安装过程中采用的材料种类比较多,如低合金钢、奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、Inconel合金等。焊接常常被作为一种重要的连接方式之一,异种钢和异种金属间的连接不可避免,同时异种钢和异种金属焊接接头也是连接质量最为不稳定的部位之一。在异种金属焊接过程中,被焊材料在极短的时间内被熔化,在加热和冷却过程中存在着极大的温度梯度,也伴随着材料力学性能的极大变化,因而在焊接区产生极不均匀组织、性能、应力与变形,而且具有极大的三维非线性和大梯度特征。会产生延展性突降裂纹(ductility dip cracking)、液化裂纹(liquation cracking)、固态裂纹(solidification cracking)。它不仅会影响焊接质量,而且会极大的影响结构的断裂、应力腐蚀、疲劳损伤行为和结构的安全性。

常见的异种金属焊缝是在高强度低合金钢(508-III)的坡口上堆焊一层厚度为6-20mm以上的镍基合金预堆边,然后再与不锈钢管道进行对接焊。见图1。




3 人工缺陷试块设计和布置
3.1试块规格
设计的异种金属焊缝试块规格为Φ335×33mm,管段长度为300mm,高强度低合金钢(508-III钢)段长度为150mm,不锈钢段长度为150mm。
3.2 缺陷布置
    缺陷在试块中的位置布置如下:
①        在508-III钢的焊缝坡口面上,直径为φ317mm处,沿圆周方向,从0°开始,每隔45°做人工缺陷裂纹一条,每条裂纹的长度为10±2mm,在整个圆周上共预埋8处裂纹;在同一圆周上,从22.5°开始,每隔45°做人工缺陷未熔合一条,每条未熔合的长度为10±2mm在整个圆周上共预埋8处未熔合。
②        在镍基预堆边的焊缝坡口面上,直径为297mm处,沿圆周方向,从0°开始,每隔45°做人工缺陷未熔合一条,未熔合的长度为10±2mm,在整个圆周上共预埋8处未熔合;在同一圆周上,从22.5°开始,每隔45°做人工缺陷裂纹一条,每条裂纹的长度为10±2mm,在整个圆周上共预埋8处裂纹。
③        在不锈钢段的焊缝坡口面上,直径为307mm处,沿圆周方向,从0°开始,每隔45°做人工缺陷裂纹一条,每条裂纹的长度为10±2mm,在整个圆周上共预埋8处裂纹。在同一圆周上,从22.5°开始,每隔45°做人工缺陷未熔合一条,每个未熔合的长度为10±2mm,在整个圆周上共预埋8处未熔合。
每件试块预埋48处人工自然缺陷,二件试块共预埋96处人工自然缺陷(其中裂纹48条,未熔合48条)。

4 射线检测设备和检验工艺
4.1射线检验设备
①Ir192射线探伤机,源焦点尺寸3×3mm,活度大于70Ci;
②Kodak M工业胶片和与之相匹配的Kodak 手工显、定影液;
③铅增感屏长240mm,宽100mm,厚度为前屏=后屏=0.2mm,中屏2×0.1mm ;
④铅滤光板:厚为0.5mm ;防背散射铅板:厚2.0mm;
⑤象质计: II号Fe 6/12,铅字标记等;
⑥暗室处理和底片评定设备。

4.2 射线检验工艺
由于异种金属焊接接头存在严重的组织不均匀性和非线性大梯度特征,射线检验这类焊缝时,相邻材料对射线的吸收差异或两者结合,会在底片上观察到材料的分区现象,即形成带状影像的黑度差,黑度差与焊缝中某些缺陷形成的显示类似,极易混淆,分析识别和裂纹长度定量有相当的难度,如何提高接管异种金属焊缝的射线检测可靠性一直受到广大无损检测技术人员的关注。
根据法国RSEM《压水堆核岛机械部件在役检查规范》和异种金属焊缝射线检测的经验,常规射线检测方法是将射线源位于焊缝中心平面的垂直透照不易检出镍基堆焊层内的缺陷。为了检出人工模拟自然缺陷试块中的缺陷 ,本实验通过采用三种射线检验透照方法(中心透照法、偏心透照法、双壁单影透照法),即:11种不同射线源位置和胶片的透照方式。(见图2-图12)






将源放在不锈钢侧坡口延长线上偏斜250
上述11种透照方式,共拍片264张,得出了试块焊缝中人工模拟自然缺陷在射线底片上缺陷影像变化和不同射线角度缺陷的检出情况。
具有射线检验II级资格证的人员,对二件试块拍摄的264张射线底片进行了评定,得出了11种透照方式下每个缺陷的大小和性质。

5  缺陷检测结果与解剖结果对比分析
5.1试块标识
为了有规律地切割人工模拟自然缺陷试块中的缺陷,使切割后试块的每个单元不被混淆,每个圆环试块切割成多个小块,在每个小块的上端面用振动笔打上永久标识号。
5.2 试块的解剖
根据缺陷设计的预埋位置,使用线切割来解剖试块,共进行了380次的切割。对切割后的760个切割面进行了液体渗透检查,拍摄液体渗透结果照片760张,其中切割面上发现有631个缺陷显示。通过这些显示,可判断二件试块中所埋藏的96条人工缺陷的起点和终点,确定每个缺陷在试块中的实际长度,找出了预埋的缺陷在试块中所处的位置和真实尺寸的大小。典型的模拟裂纹、未熔合解剖后缺陷经液体渗透显示的像片见图13。



5.3  缺陷宽度尺寸测量
以射线底片上评定裂纹长度尺寸的二个端点的位置,作为射线检验能够发现该裂纹开口宽度的最大尺寸。解剖后在金相显微镜下测量这二个端点处裂纹的宽度,找出了射线检验该裂纹的最小宽度尺寸为0.09mm。模拟裂纹解剖的金相显微镜像片见图14。



5.4 缺陷射线检测结果与解剖结果对比分析

由于有些缺陷制作得不太成功,只选取了21条裂纹和29条未熔合人工模拟缺陷的射线检验人员评定得到的缺陷长度和解剖后检验出的缺陷真实长度的数据组。中心透照(BZ 0º)时,射线检验人员评定裂纹长度与解剖测量出的缺陷真实长度的数据关系见图15,双壁单影透照(AS 0º)时,射线检验人员评定未熔合缺陷长度与解剖测量出的缺陷真实长度的数据关系见图16。



通过缺陷宽度尺寸测量(开口)分析得出,射线检测能够发现开口大于0.09mm开口宽度的缺陷(裂纹),对这样的缺陷(裂纹)射线检测有较高的检测可靠性。

6 检出概率分析方法和检出概率曲线
6.1 检出概率分析方法

无损检验技术的可靠性是指无损检验技术对缺陷的检验能力。是对用该方法检出特定类型、特定尺寸缺陷有效性所作的一种定量度量。可从以下方面进行分析:
(1)从二项式分布法获得检验概率函数。用该方法估计检验概率和置信下限。这种方法对单一尺寸缺陷给出了成功的统计估计,但其要求很大的样本容量。在缺少大量同样尺寸的缺陷样品时,提出了新的各种分析数据的方法。
(2)从检出/漏检数据中获得检验概率函数。
(3)从信号响应数据中获得检验概率函数。近些年,在可靠性分析的基础上提出了检验概率函数可用累加对数正态分布函数表示,其分布参数可用最大似然估计方法进行统计估计,对不同类型可靠性数据可以采用标准的统计回归分析或方差,协方差来计算检验概率的置信下限。





6.2 检出概率曲线
用第3种检验概率分析方法_从信号响应数据中获得检验概率函数。图17为采用中心透照法时(源在焊缝中心平面BZ 0°),不同检验人员检出裂纹缺陷的检验概率曲线。


曲线是检验人员C的概率曲线,蓝色(blue)曲线是检验人员D的概率曲线,黑色(black)曲线是检验人员E的概率曲线,粉红(pink)曲线F是平均线。

7 缺陷射线检验可靠性分析
从图15和图16中,射线检验人员对缺陷的评定结果与解剖后检验出的缺陷的真实结果对比分析的均方根误差①计算如下:①见ASME XI -2004 Ⅷ-3120






由表1和表2中可以看出,未熔合的检验可靠性高于裂纹检验可靠性。从透照方式上(源在焊缝平面)中心透照BZ 0°检验可靠性要高于其它检验方式的检验可靠性。这是因为源在管内中心透照具有透照厚度比K=1,横向裂纹检出角θ=0的优点。源在管内偏心透照比源在外透照法具有更小的透照厚度差和横向裂纹检出角。
考虑到异种金属焊缝焊接工艺特殊性,为了发现沿预堆边方向的裂纹或未熔合等缺陷,将源沿镍基预堆边方向进行偏斜透照,提高异种金属焊缝的射线检验可靠性,推荐采用(源在焊缝平面)中心透照BZ 0°以及源沿镍基预堆边方向进行偏斜透照的组合方式。

8 讨论
(1)对缺陷的检验概率分析,如果缺陷达到一定尺寸,射线检验一般可以达到100%的缺陷检出概率,实际上大部分缺陷检验尺寸和真实尺寸存在较大的差异(如裂纹尺寸),这种测量结果的差异显然谈不上检验结果“可靠”。除了用缺陷检出概率来考虑检验可靠性外,还要考虑缺陷检验精确度的因素。
(2)射线检验可靠性还应该包含更为广泛的意义,应该是一系列综合特性的综合体现,包括:射线检验方法对缺陷的检验能力(狭义可靠性);射线检验方法的适用性及可操作性;射线检验方法的正确性;对缺陷判定的准确性;记录、报告的完整性;对检验过程的控制能力等。
要提高射线检验可靠性,必须优化射线检验活动中的每一个过程。
(3)射线透照方法的影响:当射线源放在焊缝中心平面时,缺陷与射线束平行,缺陷最容易被检验出来。当射线束的角度与缺陷平面成一定角度时,如:源与焊缝中心平面倾斜度从0°到15°,再倾斜到25°,角度逐渐增加时,缺陷在射线底片上的影像从有到无,或从大到小。所以对于沿径向(壁厚方向)变化的缺陷容易被检验出来,而这类缺陷从受力和安全方面考虑是最危险的缺陷。因此,为了更好地发现缺陷,透照时应尽量让源处在焊缝中心平面上或让射线束的方向与缺陷平面平行。
(4)裂纹开口宽度和裂纹平面与射线夹角:从评片结果表中可以看出,解剖后裂纹的真实长度比射线检验底片上评片得出的影像长度长。经金相显微镜放大裂纹的开口宽度测量得出:裂纹开口宽度小于0.09 mm时,射线检验不可能检出。裂纹开口宽度大于0.09 mm,但与射线夹角大于15°时,射线检出率明显下降。
9 结论
对预埋在异种金属焊缝试块(厚度T=33mm)中一定位置(焊缝坡口角度)上的人工缺陷,射线检验可靠性分析研究可以得出如下结论:
① 相同透照方式时,未熔合的检验可靠性高于裂纹检验可靠性;
② 对试块中预埋的人工自然裂纹来说,如果裂纹开口尺寸大于0.09mm时,检验可靠性可以大于90%。
③ 中心透照法BZ 0°检验可靠性要高于偏心透照法BP 0°、BP1、 BP3和双壁单影透照法AS 0°、AS1、AS3的检验可靠性;
④ 在进行射线透照时,优先选用中心透照法,可以达到较高的检验可靠性。

参考文献
[1]  RSE-M Code Surveillance and ISI rules for mechanical components of PWR nuclear islands,2005[S].
[2]  ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section XI Rules for In-service Inspection of NPP Components, 2004[S].
[3]  曾秋成 技术数据统计方法 .第二版1983
[4]  郑世才  无损检验技术的可靠性.无损检验.1995,17(8);211-215
[5]  Alan P Berens. NDE Reliability Data Analysis. Quantitative Non_
Destructive Evaluation. 689-701
[6]  程志虎等  常规无损检验可靠性概念的分析与修正无损检验.1999,21(1)
[7]  刘品等  可靠性工程基础.中国计量出版社,2002
[8]  王纪林等  概率论与数理统计.科学出版社,2000
[9] 王沫然  MATLAB6.0与科学计算.电子出版社,2001

周大禹(1954-)男,研究员级高工,从事核动力装置的无损检测技术研究。

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独钓长江雪 | 2014-2-25 11:14:19 | 显示全部楼层
希望能看到,学习了!
xq279930372 | 2014-3-7 11:43:42 | 显示全部楼层
好东西,下载了
梁金昆 | 2014-3-8 07:31:59 | 显示全部楼层
本帖最后由 梁金昆 于 2014-3-8 07:37 编辑

好文章,下载了,学习了!几年前,我在网上发表过学习周大禹先生文章的日志。在此向周大禹等先生\向楼主表示衷心谢意!
梁金昆 | 2014-3-8 08:50:26 | 显示全部楼层
本帖最后由 梁金昆 于 2014-3-8 09:11 编辑

已在远东网发表的日志:射线检测到底能发现多大的裂纹?
                                  ——读文笔记
    这是个灵敏度问题,也是个可靠性的问题。本文如有不当,请指正。
    有人可能会说:这个题目似乎让人摸不着头脑,不提母材材质、厚度,也不说射线源和胶片类别等必要条件,别人怎么好回答呢?我认为:既便给出了非常具体完善的条件,X或γ射线检到底能发现多大的裂纹?恐怕也很难回答,射线或其它检测方法可靠的研究,还需要NDT研究人员做许多艰苦的试验工作。
    笔者去年读了下面一篇好文章:
    周大禹等.不同透照工艺对焊缝中缺陷的射线检验可靠性的影响〔J〕.无损检测,2010,32(9):718.
   文中列出的条件为:母材材质0Cr18Ni10Ti+高强度低合金钢508-,厚度T=33mm,射线源Ir192,源焦点尺寸3mmX3mm,胶片为Kodak M,其余条件似为常规。焊缝中埋藏了人工制造的多条裂纹和未熔合。
    关于可检出的裂纹尺寸,文章是这样叙述的:“经金相显微镜放大裂纹的开口宽度(射线底片上评定裂纹尺寸两个端点位置处的开口宽度——梁金昆注)测量得出:裂纹开口宽度<0.09mm时,射线检验不可能检出。裂纹开口宽度>0.09mm,但与射线夹角›150时,射线检出率明显下降。”笔者认为:这样的叙述,对可检出裂纹尺寸而言,是不全面的。根椐文章内容,笔者替作者归纳出(但不一定对),γ射线、既定胶片等条件下,可检出裂纹尺寸为:开口宽度W≥0.09mm,长度L≥10mm,照射角θ≤15度。但可惜的是缺少裂纹深度这一重要指标。只提裂纹的宽度,或提裂纹的宽度和长度,不涉裂纹深度,就当成灵敏度、可靠性的讨论文章、书籍,可以说并不鲜见。笔者在一篇关于PT的文章〔1中就呼吁过这个问题。但我又不得不说:能够见到周大禹等先生提供的试验资料也就非常可贵了!!
    射线检测到底能发现多大的裂纹?笔者所见试验性资料很少,多是空泛性的可靠性理论文章。希望专家和读者朋友参与这一问题的讨论,更希望多做些这方面试验工作。
备注:〔1〕梁金昆.关于渗透探伤四个基础理论问题的讨论〔J〕.无损检测,2005,27(5).
    读者可自己在远东网上搜索,还有一篇我的日志----"周大禹等先生文章的有用信息和我的遗憾"。

liudong_60 | 2014-5-11 21:01:54 | 显示全部楼层
很不错的贴子
liurong | 2014-5-11 22:37:57 | 显示全部楼层
好资料,学习了。谢谢版主!
开心每一天
agzcfo | 2014-7-23 21:35:05 | 显示全部楼层
很及时,牛人啊
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