技术 | 镍基合金焊接接头DR技术检测试验研究

摘 要：9%Ni钢制LNG储罐常用焊接材料为镍基合金,因其材料的特殊性,焊接接头的无损检测往往采用射线检测方法。母材与焊缝金属对射线吸收性不同,单片透照无法同时满足母材及焊缝金属的黑度要求。文章分别对采用射线检测方法中的单胶片技术、双胶片技术和数字成像技术进行的比对试验作了介绍,并对试验结果进行分析,制定了满足镍基合金母材及焊缝金属检测要求的检测工艺。

关键词：LNG储罐 9%Ni钢 镍基合金 双胶片 成像检测

LNG低温储罐是在超低温环境下工作的,对材料的低温性能要求很高。目前常用于LNG储罐的材料有9%Ni钢、5%Ni钢、奥氏体不锈钢和铝镁合金钢等,而9%Ni钢以其强度高、易于加工、焊接性好等优点,广泛应用于LNG储罐建设中。上述材料中,9%Ni钢是唯一可以在-196 ℃环境下使用的铁素体低温用钢,是深冷环境下使用时韧性最好的材料。

LNG属于易燃易爆物品,危险性高,故储罐焊接质量的好坏直接关系到操作人员的生命安危【1】。目前,LNG储罐的对接焊缝内部缺陷检测主要有超声检测和射线检测两种方法。采用超声检测方法进行检测时,9%Ni钢与常规碳钢的材料声学特性差异较大,材料晶粒粗大且呈各项异性,超声传播过程中容易发生散射和波形畸变,造成检测信噪比低、定位误差大等现象。特别是9%Ni钢对接接头,其Ni含量往往超过50%,声学特性差异更大,与母材的焊接近似于异种钢焊接,因此,9%Ni钢的超声检测一直以来都是超声检测领域的难点。9%Ni钢中含有原子序数比Fe高的重金属Ni,采用射线检测方法进行检测时,材质对射线的吸收系数也较大,因此照相对比度和灵敏度较高。另一方面,要穿透高原子序数的9%Ni钢,需要较高的射线能量,从而使采用常规胶片技术检测时的线质变硬,吸收系数减少,对比度下降。因此,常规胶片技术应在保证穿透力的前提下,尽量选择较低的管电压。但数字射线技术(DR)则不同,提高射线能量会使吸收系数增大、对比度增大,可进一步提高对小缺陷的检出率。常规单胶片射线检测方法的透照工艺无法同时满足母材及焊缝金属的黑度要求,而采用本文推荐的双胶片透照技术和数字射线检测技术则不会产生上述问题。数字射线检测技术能在较低的曝光量条件下,直接获得优质的检测图像,且兼具较高的安全性和工作效率,在现场检测中得到了越来越广泛的应用。

1 双胶片透照技术与DR检测技术

1.1 双胶片透照技术

双胶片透照技术就是对同一道焊缝拍摄2张射线底片,一张底片针对焊缝,另一张底片针对热影响区及母材,使底片达到黑度及灵敏度要求,从而不产生漏检,保证焊缝检测的整体质量。使用该技术进行透照时,暗盒内装2张胶片和3片增感屏(前、中、后屏)进行曝光,在观片灯上采用双片叠加方式进行底片观察【2】。

在NB/T 47013.2—2015标准中,对底片黑度范围有较明确的规定。采用多片曝光法叠合观察时,叠合底片中的每一张底片的黑度最小均为1.3;无论叠合观察,还是单片观察,最大黑度均为4.5。对于双胶片技术来说,叠合观察2张底片的最小黑度为2.7,比单胶片技术中的最小黑度1.3提高了很多【3】,但是对于每一张底片单独来讲,黑度却是降低了一些,这样在实际检测中,使用较少的曝光时间或曝光量就可以满足标准要求的黑度,可以提高检测效率。

本文所述试验所用的9%Ni钢对接焊缝,因线衰减系数差较大,故采用双胶片技术。常用的双胶片技术从应用角度分为以下2类:

第一类,被检区厚度差大而采用的技术。特点是,2张感光速度不同的胶片一同曝光,每张单片黑度均应在标准要求范围内,而且单片观察评定时采用感光速度快的一张底片,用来评定被检区较厚部分,感光速度慢的一张底片,用来评定被检区较薄部分。

第二类,要缩短曝光时间或提高透照穿透力而采用的技术。特点是,2张感光速度相同的胶片一同曝光,2张胶片的叠合黑度应在标准要求范围内,同时,强调单片黑度不小于1.3。

1.2 DR检测技术

DR(Digital Radiography)成像检测是近年来较成熟的一种数字成像技术,是由射线接受/转换装置(平板探测器)和监视器来代替传统射线照相中的胶片得到射线图像的新型无损检测技术。该技术使用射线接受/转换装置将不可见的X射线转换为数字信号,经过图像处理后显示在显示器上,显示的图像能提供有关材料内部缺陷性质、大小、位置等的信息,进一步参照有关标准对检测结果进行缺陷等级评定【4】,即可达到检测的目的【5】。

2 常规射线透照技术试验研究

本节主要介绍利用单胶片技术和双胶片技术分别对碳钢焊接接头和9%Ni钢焊接接头进行检测试验的比对研究。实验一共进行了2组,其中,实验一为06Ni9DR钢焊接接头双胶片技术检测试验,实验二为2种不同材料(碳钢焊接接头与06Ni9DR钢焊接接头)检测底片的成像黑度比对。实验一采用12 mm 的06Ni9DR试件进行试验。将试件分为3段,第一段将单侧余高磨平,第二段保留两侧余高,第三段将两侧余高磨平。采用双胶片技术进行透照,暗室处理后,测量2张底片上不同区段的黑度值是否满足标准要求。实验二将同一厚度的普通材料(碳钢)焊接接头与06Ni9DR钢焊接接头同时曝光进行黑度对比,检测射线对2种材质穿透力的区别。

从表1、表2的黑度数据和图3的底片情况中可以发现:双侧余高磨平的部位成像质量最好,单侧余高磨平的部位成像质量次之,余高不磨平的部位成像质量最差。实验一上层底片(见图2)的母材黑度超标,焊缝黑度满足标准要求;实验一下层底片(见图3)的母材黑度满足标准要求,焊缝黑度不满足要求。因此,可以选择上层底片观察母材情况,下层底片观察焊缝情况。从表3的黑度数据和图4的底片对比情况中可以发现:采用相同透照工艺,射线对06Ni9DR母材和镍基焊缝的穿透力明显小于对普通碳钢的穿透力;底片上06Ni9DR母材与06Ni9DR镍基焊缝的黑度差明显大于Q345的母材与焊缝的黑度差。

根据上述2组实验可知,06Ni9DR对接接头镍基焊缝与母材元素含量有较大区别,导致单胶片技术在相同检测参数和条件下同一张射线底片中焊缝区域与母材区域的黑度存在很大差异,底片很难满足要求。为了保证母材和焊缝的黑度和灵敏度要求,往往需要将焊缝余高磨平,这大大增加了检测工作量,也不符合工程实际检测要求。采用双胶片技术则可以很好地解决这一难题,一张底片针对焊缝,另一张底片针对热影响区及母材,使底片同时达到黑度及灵敏度要求,从而不产生漏检,保证焊缝检测的整体质量。但是,双胶片技术需要特殊的洗片和评片过程,不仅检测效率较低,而且总体检测费用偏高,而在大型LNG低温储罐罐体施工过程中,射线检测结果出具的时间直接关系到罐内焊接平台上升的进度,进而直接影响总工期。因此,双胶片射线检测并非LNG储罐缺陷检测方法的最佳选择。

3 数字射线成像试验

3.1 试件制作

为了比较镍基合金的焊缝余高高度对数字射线图像宽容度的影响,研制了如图5所示的焊接试件。采用厚度22 mm、材质为06Ni9DR的焊接试件,并将其分为3段,第一段焊缝单侧余高磨平(A面-1),第二段焊缝两侧保留余高(A面-2),第三段焊缝两侧余高磨平(A面-3)。

3.2 数字成像结果

镍基合金的焊缝数字成像图像如图6～图8所示。

图6 A面-1数字成像效果(焊缝单侧余高磨平)

图7 A面-2数字成像效果(焊缝两侧保留余高)

图8 A面-3数字成像效果(焊缝双侧余高磨平)

采用技术等级AB级进行检测。从数字成像图中可以发现,3种不同焊缝余高情况下的母材和焊缝的检测灵敏度、分辨力和信噪比均符合标准要求。

3.3 标准评定结果

通过上述数字射线成像试验的结果可得出以下结论:

1) DR数字成像检测技术等级选用AB级,灰度值在满量程的20%～80%之间,满足NB/T 47013.11—2015标准要求的范围。

2) 测量图像分辨率为D10,高于AB级像质应达到的D8。

3) 测量图像灵敏度值为W12,高于AB级图像灵敏度值应达到的W11。

4) 测量图像归一化信噪比为140,高于AB级归一化信噪比最低要求100。

经实验比对,DR数字成像图像所有指标测量值均优于或满足检验标准要求值,说明DR检测工艺可满足检测要求。

4 结语

通过双胶片透照技术与单胶片技术对镍基合金的对接焊缝进行检测比对试验,得出以下结论:射线对镍基合金焊缝与普通材料的穿透能力相差较大,镍基合金焊缝更难穿透,而且镍基合金对接焊缝与母材元素含量有较大区别,导致在相同检测参数和条件下同一张射线底片中焊缝区域与母材区域的黑度存在很大差异;单独一张底片很难满足检测标准黑度要求,而采用双胶片透照技术可同时满足母材和焊缝的黑度及灵敏度标准要求,但是在检测前,被检测处对接焊缝两侧余高必须磨平,才能使底片效果达到最佳状态。

相较于X射线底片成像技术,采用数字成像技术对镍基合金对接焊缝进行检测,无需磨平焊缝成像效果即可满足NB/T 47013.11—2015标准要求。此外,DR数字成像检测还具有以下优势:1)不需要暗室,可见光工作环境即可;2)成像迅速,仅需几秒或更少,曝光结束能立即观察,无中间处理步骤,检测结果可进行及时评判;3)数字资料便于复查、整理、转移、共享;4)宽广的曝光宽容度,较强的降噪能力;5)不需要胶片存放室和严格的保存环境;6)DR系统可集成为全自动化。

单胶片、双胶片和数字成像3种射线技术检测9%Ni钢焊接接头的比对试验和工程应用实例说明,单胶片技术难以满足检测要求,双胶片技术和数字成像技术能实现该类焊缝的检测,尤其是数字成像技术,具有成像快速高效、信噪比高以及透照厚度宽容度大等优势,在能够满足检测要求的条件下,建议优先采用数字成像方法进行检测。