复合陶瓷保温结构压力容器CR检测工艺优化

刘会彬1,2，陆树华1,2，莫荣明，莫仁江，李福生

(1.浙江省特种设备科学研究院，杭州 310020；2.浙江省特种设备安全检测技术研究重点实验室，杭州 310020；3.浙江嘉名染整有限公司，嘉兴 314505)

某企业在高温染色机上涂覆了一种新型的陶瓷隔热涂料，该涂料可显著提升隔热效果及降低蒸气耗用量。因工艺生产的需要，染色车间内的染色机、换热器及过滤器外表面涂覆的隔热涂料厚度会有所不同，为了保证焊接质量，部分焊缝会采用附加垫板结构，垫板材料均为316不锈钢。

对该类压力容器结构的无损检测存在以下问题：① 该类压力容器材料为316不锈钢，焊缝厚度为36 mm，材料声衰减系数大，散射严重，加之壁厚薄，不适合采用常规超声检测法检测；② 涂覆的是不同厚度的复合陶瓷隔热材料(厚度最大部位达到80 mm)，受提离效应的限制，电磁超声检测法也不适用；③ 过滤器设备直径小，壁厚薄，封头与筒体连接的环焊缝采用附加垫板结构，常规的无损检测方法难以满足该类设备的检测要求。CR(计算机射线照相)检测技术具有检测速度快、成像质量高的优点，对上述结构的无损检测具有良好的应用前景。

陈小明等[1]阐述了CR检测的分辨力、系统分辨率、图像分辨率、扫描分辨率的内在联系与区别;李永君等[2]以含人工裂纹缺陷的精密铸造平板为对象，研究了管电压、曝光量、焦距对图像质量的影响;毛国均等[3]研究了管道是否带料、采用不同射线源和是否考虑介质这3种影响因素下CR检测技术的可靠性与有效性；陈乐等[4]研究了管电压、后置防护铅板对射线数字成像检测质量的影响；蒋雪松[5]分析了扫描参数对CR图像质量的影响；李亚军等[6]针对不同检测技术等级提出了CR检测的灰度范围。

笔者研究了复合陶瓷保温结构射线检测时垫板结构对射线穿透性能的影响，分析了复合陶瓷保温层厚度、附加垫板结构及射线透照工艺中管电压、曝光时间等关键参数对检测图像质量的影响。

1 试验过程与结果

1.1 不同厚度复合陶瓷保温层对图像质量的影响

IP板具有环保、高效、可重复使用、可降低成本等优点，成像后可以通过图像处理技术提高图像质量，但是图像质量会因操作人员使用习惯不同而存在差异，即使对同一张数字射线图像进行图像处理，数字射线图像的缺陷评判结果也会不一致。目前，对于图像质量控制，国内外相关CR检测标准通常规定采用像质计来测定图像质量，包括对比灵敏度和数字图像分辨率，同时采用系统软件测量图像信噪比，即通过采用对比灵敏度、数字图像分辨率和归一化信噪比这3个技术参数来衡量CR图像的质量。相关术语和定义取自NB/T 47013.14-2016 《承压设备无损检测 第14部分：X射线计算机辅助成像检测》 标准中。

为了分析涂覆不同厚度复合陶瓷保温层对图像质量的影响，依据现场复合陶瓷保温层的厚度(10～80 mm)，依次对铺设复合陶瓷保温层厚度为18，30，50，70，88 mm的压力容器用钢板对接焊缝(厚度为12 mm,材料为316L不锈钢)进行CR透照试验，以统一的透照工艺(单壁透照，管电压为180 kV，曝光时间为3 min，管电流为3 mA，焦距为700 mm)透照成像后，对CR数字图像进行图像质量评定。复合陶瓷材料厚度与CR图像质量的关系曲线如图1所示。

图1 复合陶瓷材料厚度与CR图像质量的关系曲线

从图1可以看出，复合陶瓷保温层铺设厚度小于88 mm时，随着复合陶瓷铺设厚度的增加，总体上可识别的最小丝号减小，在一定程度上对比灵敏度降低；不铺设陶瓷保温材料时可分辨出第9对线号，铺设陶瓷保温材料厚度为15 mm时，可分辨出第8对线号，铺设厚度为3070 mm时，可分辨出第7对线号，铺设厚度达到88 mm时，可分辨第6对线号，数字图像分辨率呈现出随着复合陶瓷保温层铺设厚度的增加而下降的趋势；在热影响区测量的归一化信噪比随着复合陶瓷保温层铺设厚度的增加呈现出下降的趋势。

1.2 CR透照工艺对图像质量的影响

以铺设了一定厚度(29.5 mm)复合陶瓷材料的过滤器纵缝(厚度为4 mm)为研究对象，通过改变管电压和曝光时间，研究了管电压及曝光时间对图像质量的影响。采用双壁单影透照方式，以170 kV为初始管电压，以10 kV为增量逐级增加至200 kV，最后以220 kV管电压进行透照，保持曝光时间为110 s，管电流为5 mA，焦距为350 mm不变，得到管电压与CR图像质量的关系曲线(见图2)。

图2 管电压与CR图像质量的关系曲线

从图2可以看出，随着管电压的升高，在170 kV200 kV时，图像能分辨出第15号丝，在200 kV时，能分辨出第14号丝，对比灵敏度降低。随着管电压的升高，数字图像分辨率从管电压170 kV时可分辨出第9对线号过渡到管电压190 kV时可分辨出第11对线号，管电压继续升高时，可分辨的线号又逐步降低至第9对线号，在管电压为190 kV时，数字图像分辨率呈现出最佳值；在电压为170 kV190 kV时，归一化信噪比呈现单调递增的规律。

采用双壁单影透照方式，由图3可知，管电压为190 kV时，数字图像分辨率最佳，选取管电流为5 mA，焦距为350 mm，通过改变曝光时间，分别采集不同曝光时间的CR图像，得到曝光时间与CR图像质量的关系曲线(见图3)。

图3 曝光时间与CR图像质量的关系曲线

从图3可以看出，对比灵敏度从曝光时间为60 s时的14号丝过渡到曝光时间为110180 s时的第15号丝，可看出曝光时间的延长可提高对比灵敏度；数字图像分辨率从曝光时间为60 s的第10对线号过渡为曝光时间为110 s时的第11对线号，再下降至曝光时间为120 s时的第9对线号，最后依次上升至曝光时间为180 s时的第12对线号；在60180 s时，归一化信噪比总体上随曝光时间的延长呈现递增的规律。

1.3 附加垫板结构对图像质量的影响

在染色机及过滤器的封头与筒体连接的环焊缝中，至少有一道环焊缝采用附加垫板结构，此结构的焊接接头会产生射线透照的厚度，同时会产生散射线而在一定程度上影响图像质量。将附加垫板结构与同设备上无垫板结构的同类型焊缝进行射线透照对比试验，分析垫板对图像质量的影响。

现场透照的染色筒体壁厚为5 mm，垫板厚度为5 mm，容器外部涂覆一定厚度的复合陶瓷保温层，对附加垫板结构的容器环焊缝分两次进行透照，透照参数分别为：① 管电压为200 kV，曝光时间为2 min，焦距为700 mm；② 管电压为220 kV，曝光时间为2 min，焦距为700 mm。对该容器无垫板结构的同类环焊缝采用透照参数①进行透照，试验结果如表1所示。附加垫板结构及无垫板结构都以透照参数①进行透照时，附加垫板获得的对比灵敏度、数字图像分辨率、归一化信噪比均比无垫板时的要低，垫板结构降低了图像质量；当提高管电压，以透照参数②进行透照时，其图像质量均可达到甚至超过无垫板时的，可见提高管电压能弥补附加垫板结构对图像质量产生的影响。

表1 附加垫板结构与无垫板结构的CR图像质量

2 结语

(1) 附加垫板与压力容器筒材料均为316不锈钢，从射线检测理论可知，垫板结构对压力容器焊缝射线检测的影响可归类为不同厚度压力容器焊缝对射线检测的影响，按照NB/T 47013.14-2016标准中表57可知，随着透照厚度的增加其可识别的单丝像质计丝号减小，其对比灵敏度降低，按照NB/T 47013.14-2016标准中表8可知，随着透照厚度的增加,其可识别的双丝像质计丝号减小，数字图像分辨率也呈下降趋势。

(2) 复合陶瓷与钢材的射线衰减系数存在差异，复合陶瓷与附加垫板对压力容器焊缝射线检测的影响类似，都会降低对比灵敏度与图像分辨率。

(3) 以复合陶瓷层厚度为29.5 mm，压力容器焊缝厚度为4 mm为例，随着管电压的升高，图像对比灵敏度下降，当管电压为190 kV时，图像分辨率达到最佳值。

(4) 曝光时间的延长可以提高对比灵敏度和归一化信噪比，能改善图像质量。