管道环焊缝数字射线成像检测最少透照次数的确定

刘长山

(四川迪派锐科技有限公司，绵阳 621000)

国内现行的数字射线成像检测常用标准主要有GB/T 3323.2-2019,NB/T 47013.11-2015,SY/T 4109.5-2013等，选择管道环焊缝数字射线成像的最少透照次数时几乎都是参照胶片射线检测标准，但是直接引用会存在很大的局限性，主要是因为平板探测器呈刚性，无法像胶片一样紧贴焊缝，且出于对平板探测器安全的考虑，其需要与焊缝表面保持一定距离，这样存在的几何放大效应远远大于胶片检测的，因此必须要考虑进行搭接，以避免漏检的情况发生，此外平板探测器有效成像长度很有限，常用的大面积平板探测器有效成像长度约为300 mm，这就进一步影响了透照次数。管道环焊缝射线检测的主要透照方式为双壁单影透照和中心内透照两种，从理论或标准角度考虑，两种方式最少透照次数所涉及的控制指标主要有几何不清晰度、横向裂纹检出角、几何放大倍数比、平板探测器的有效成像长度以及X射线机辐射场范围等，笔者依据标准SY/T 4109.5-2013分别对两种透照方式影响透照次数的控制指标进行逐条分析。

1 双壁单影透照方式最少透照次数的计算

利用数字射线成像技术对环焊缝进行双壁单影透照的透照布置如图1所示。

图1 双壁单影透照布置示意

1.1 满足几何不清晰度的最少透照次数N1

图1中，线段AC≈GI，则

(1)

(2)

根据标准SY/T 4109.5-2013要求有

1≥10d·2·T-1/3

(3)

则解出满足几何不清晰度的最少透照次数

N1=π/α

(4)

1.2 满足K值(控制横向裂纹检出角)的最少透照次数N2

可以采用公式计算[1]或直接查标准附录的最少透照次数图来确定最少透照次数N2。因为计算公式和标准附录的最少透照次数图均以胶片射线照相检测为基础，计算焦距F时未考虑h，所以计算数字射线成像检测的最少透照次数时，需要将F-h作为公式中或查图纵坐标中的F值，代入计算公式求出N2。

1.3 满足几何放大倍数比的最少透照次数N3

标准SY/T 4109.5-2013，GB/T 3323.2-2019均规定了最大几何放大倍数Mmax与最小几何放大倍数Mmin之比应不大于1.25，即

Mmax=F/1

(5)

Mmin=F/(φo+H)

(6)

Mmax/Mmin≤1.25

(7)

因此

N3=π/α

(8)

1.4 满足探测器有效成像长度的最少透照次数4

SY/T 4109.5-2013及NB/T 47013.11-2015标准均规定分段透照时，两边相邻搭接长度ΔL不小于10 mm，根据几何关系

(9)

(10)

(11)

N4=π/α

(12)

式中:l为图1中D点到M点的距离；N4为最大长度对应的最小透照次数。

1.5 辐射场范围对最少透照次数的影响

双壁单影透照一般使用定向X射线机，按靶面角度(定向X射线机固有的半辐射角)为20°计算，则有效辐照场长度为2Ftan 20°≈0.73F，对于常规透照，其远大于有效评定长度Leff，因此除小径管平移法双壁双影椭圆成像外，可以不考虑辐射场的影响。

1.6 小结

综上，N1，N2，N3，4向上取最小整数值，然后选择4个数值中最大值作为双壁单影透照最终的最少透照次数N，并可得半圆心角α=π/N；一次透照长度L3=πφo/N。由于探测器与探测器侧管道外壁存在一定距离(h)，且探测器为刚性平面，因此探测器采集的数字图像上有效评定长度Leff要大于L3，可根据几何关系求出Leff，即

Leff=Fφisinα/1

(13)

现以双壁单影透照φ813 mm×22 mm(外径×公称厚度)管道环焊缝为例计算平板探测器满足SY/T 4109.5-2013标准的最少透照次数N及有效评定长度Leff。对于典型的管道环焊缝双壁单影透照数字射线自动检测系统，d为3 mm，H为250 mm，h为25 mm，L为305 mm，k为1.1。

根据1.11.4节分别求得N1=7，N2=5，N3=4，4=10，因此最少透照次数为10次，对应的α=18°，有效评定长度Leff=268.27 mm，每边的搭接长度ΔL=18.37 mm。使用SOLIDWORKS软件进行构图验算，当N=10时，α=17.99°，k=1.02，1=1 020.84 mm，2=67.16 mm，有效评定长度Leff=261.91 mm，每边的搭接长度ΔL=21.54 mm，可见误差并不大，且文章中计算的ΔL比真实ΔL小，更加有利于缺陷的检出。

由N1,N2,N3,4可知，按不同条件演算出的最少透照次数差距很大，原因在于管径曲率的影响和探测器有效成像长度的限制。对于直径较大管道(φo≥508 mm;常用厚度)，实际应用可以直接计算N2，4，然后取最大值作为最少透照次数，一般可以满足标准要求。

2 中心内透照方式最少透照次数的计算

利用平板探测器对环焊缝进行中心内透照的透照布置如图2所示。

图2 中心内透照布置示意

2.1 满足几何不清晰度的最少透照次数N5

图2中，CD≈2，则

(14)

(15)

根据标准SY/T 4109.5-2013有

1≥10d·2·T-1/3

(16)

则满足几何不清晰度的最少透照次数

N5=π/α

(17)

CD为图中C点到D点的距离。

2.2 满足几何不清晰度的最少透照次数N6

计算原理与上节相同，则有

Mmax=F/1

(18)

(19)

Mmax/Mmin≤1.25

(20)

N6=π/α

(21)

2.3 满足探测器有效成像长度的最少透照次数N7

计算原理与上节相同，则有

(22)

N7=π/α

(23)

2.4 小结

综上，N5，N6，N7向上取最小整数值，然后选择3个数值中的最大值作为中心内透照最终的最少透照次数N，并可得半圆心角α=π/N及一次透照长度L3=π·φo/N。然后根据几何关系求出Leff，即

Leff=F·φi·sinα/1

(24)

现以中心内透照φ1 422 mm×25 mm(外径×壁厚)管道环焊缝为例计算平板探测器满足SY/T 4109.5-2013标准的最少透照次数及有效评定长度。对于典型的管道环焊缝中心内透照数字射线自动检测系统，d为3 mm，h为25 mm，L为305 mm。

根据2.12.3节分别求得N5=16，N6=6，N7=17，因此最少透照次数取17，对应的α=10.59°，有效评定长度Leff=275.60 mm，每边的搭接长度ΔL=14.70 mm。同样使用SOLIDWORKS软件进行构图验算，当N=17时，α=10.58°，1=674.33 mm，2=61.67 mm，有效评定长度Leff=275.02 mm，每边的搭接长度ΔL=14.99 mm，可见误差并不大。

3 结语

标准SY/T 4109-2013附录G中确定最少透照次数的公式综合考虑了几何不清晰度和探测器固有不清晰度，但是由于涉及隐函数较多，求解很复杂，此外图像不清晰度(分辨率)可以使用补偿原则进行补偿，也可以使用双线型像质计直接测定，因此并未考虑此方法。笔者所用方法借助EXCEL软件或者数学软件构建关系，可以方便、快捷地确定管道环焊缝的最少透照次数，比直接参照射线胶片照相检测相关标准来确定最少透照次数更加严谨，可为从事环焊缝数字射线成像检测的人员提供参考。