船舶建造焊缝缺陷DRT与常规胶片RT的等效性分析

刘思明, 卢志鹏, 黄凯华, 周昌智, 尹嘉雯

(上海船舶工艺研究所，上海 200032)

0 引 言

焊接是船舶建造必不可少的重要施工技术，焊缝质量直接影响船舶的结构、使用寿命和安全可靠性，必须对焊缝进行无损检测(Non-Destructive Testing，NDT)。目前在船舶建造焊缝质量检测中常规胶片射线检测(Radiography Testing，RT)应用十分广泛，而数字射线检测(Digital Radiography Testing，DRT)应用较少，一个较重要的原因在于DRT技术是否与常规胶片RT技术具有同等缺陷检测能力，即等效性问题[1]，在检测图像上可否正确地显示缺陷的形状、尺寸、分布，给出正确的缺陷性质和质量级别的评判。对于等效性问题，目前船舶建造领域研究较少。近些年，国内外主要是进行大量缺陷检测对比试验和像质计识别对比试验，讨论两种技术的缺陷检测能力问题。国内外的研究以成像过程基本理论为基础，将DRT技术和常规胶片RT技术作为成像系统[2]，从是否构成具有同等成像质量的成像系统角度在理论上讨论等效性问题。

X射线DRT技术等级分为2级：AB级为中灵敏度技术；B级为高灵敏度技术[3]。RT技术等级分为3级：A级为低灵敏度技术；AB级为中灵敏度技术；B级为高灵敏度技术[4]。针对钢材料平对接焊缝，采用7.000～32.000 mm的母材，以AB级技术等级为例进行研究。

1 检测技术标准等效性要求

1.1 灵敏度指标

DRT与RT的基本原理为利用射线穿透厚度的不同，造成辐射探测器接收的射线强度不同，通过DRT与RT影像上的不均匀识别缺陷。DRT与RT图像质量的一个重要指标为对比度，通常定义为检测图像2个区域的信号差ΔS与图像信号S之比，即为小厚度差ΔT引起的一次射线强度差ΔI与射线强度I之比。检测图像质量参数如图1所示，其中，T为透照厚度。

图1 检测图像质量参数示例

检测图像对比度C为

(1)

式中：μ为射线的线衰减系数；n为散射比(一次射线强度与散射线强度之比)。

通常DRT与RT图像的对比度通过线型像质计评定。文献[3]和文献[4]对线型像质计的要求完全相同。线型像质计灵敏度(单壁透照、像质计置于射线源侧)如表1所示。

表1 线型像质计灵敏度(单壁透照、像质计置于射线源侧) mm

1.2 不清晰度指标

DRT与RT的不清晰度主要分为几何不清晰度与固有不清晰度。RT技术标准仅规定几何不清晰度指标，通过规定限制允许的最高透照射线能量控制固有不清晰度，没有对总不清晰度给出具体指标；而DRT标准规定采用双线型像质计，根据公称厚度应达线号值测量图像空间分辨率，控制数据图像的总不清晰度。按DRT与RT技术理论，根据RT标准中的技术条件要求，推导RT应达不清晰度U，确定空间分辨率和RT应达双线型像质计线号值[5]。

不清晰度U由几何不清晰度Ug和固有不清晰度Ui决定，其关系式为

(2)

Ug由透照布置射线源至工件距离和工件厚度决定，文献[3]和文献[4]对射线源至工件距离的要求相同，公式为

f≥10db2/3

(3)

式中：f为射线源至工件表面距离；d为焦点尺寸；b为工件表面至探测器距离。

可得出Ug为

(4)

对于RT技术，其常规胶片的固有不清晰度Ui胶片由照射至常规胶片的射线在乳剂层中激发的电子散射所产生，Ui胶片大小即为散射电子在常规胶片乳剂层中作用的平均距离[6]，主要取决于射线能量大小。在X射线管电压为100～400 kV时，表达常规胶片Ui胶片的经验公式为

Ui胶片=0.001 3V0.79

(5)

式中：V为管电压，kV。

在RT技术中，不同透照厚度允许的X射线最高透照管电压(钢)[7]如图2所示。

图2 不同透照厚度允许的X射线最高透照管电压(钢)

综上表明，在研究计算DRT与RT在不清晰度指标的等效性时，两者的Ug相同，仅需要根据允许通过的最高透照射线能量计算常规胶片的Ui胶片，而DRT的Ui数字受探测器本身像素尺寸限定，可通过式(6)简单计算。最终根据式(2)的计算结果讨论DRT与RT相应检测标准的等效性。

Ui数字≈2P

(6)

式中：P为探测器有效像素尺寸。

1.3 归一化信噪比SNRn

在文献[4]中，常规胶片RT技术定义“信噪比”为底片黑度与该黑度下的颗粒度之比，正相关于梯度与噪声的比。可按梯度数据计算信噪比，关系式为

(7)

式中：G2为黑度D=2.0的梯度；σD为射线胶片颗粒度，颗粒度规定值如表2所示。

表2 工业射线胶片系统的主要特性指标

根据文献[4]要求，AB级技术等级应采用C5或更高类别的射线胶片(C1为最高类别)，黑度D应不小于2.0。常规胶片RT的AB级技术等级归一化信噪比SNRn应大于62.50(2.0/0.032)。

文献[3]规定钢材料DRT的SNRn最低要求，如表3所示。

表3 DRT的SNRn最低要求(钢)

1.4 检测技术标准等效性评定

汇总文献[3]和文献[4]的AB级技术等级数据，如表4所示。

表4 AB级技术等级数据对比

由表4可知：关于检测图像的3个方面质量指标，文献[3]规定的要求均达到文献[4]的要求，即DRT的AB级技术等级要求满足常规胶片RT的AB级技术等级要求。

2 检测等效性试验

2.1 试验参数

常规胶片RT与DRT的试验参数如下：

(1)常规胶片RT试验参数

型号：AGFA C7；射线源焦点尺寸：1.000 mm；焦距：800.000 mm；曝光时间：3 s；管电流：5 mA；3种不同厚度试板管电压：250 kV (18.000 mm)、260 kV (20.000 mm)、265 kV (22.000 mm)。

(2)DRT试验参数

探测器像素尺寸：100.00 μm；射线源焦点尺寸：1.000 mm；曝光时间：3 s；管电流：3 mA；平均次数：5次；3种不同厚度试板管电压：175 kV (18.000 mm)、190 kV (20.000 mm)、200 kV (22.000 mm)。

2.2 试验结果

等效性试验试板由专业NDT试板加工厂加工和制作，共36个，试板超声波检测(Ultrasonic Testing，UT)出厂报告共有99个人工缺陷，含夹渣32个、气孔9个、裂纹24个、未熔合34个。部分试验结果对比如表5所示。

表5 部分试验结果对比

在常规胶片RT试验结果中，黑度最小为2.1，线型像质计灵敏度为W12，满足文献[4]AB级技术等级要求。

在DRT试验结果中，SNRn最小为124.32；双线型像质计灵敏度最小为D9；线型像质计灵敏度最小为W13，满足文献[3]AB级技术等级要求。

2.3 试验数据对比分析

相对于试板出厂UT报告，DRT结果未检出2个未熔合缺陷，常规胶片RT结果未检出1个未熔合缺陷。以43号试板的未熔合缺陷为例，RT检出，而DRT未检出，如图3和图4所示。未熔合缺陷属于面积型缺陷，由于透照角度的影响较大，因此RT相对于UT对未熔合类缺陷的检出率有所降低。其他类试板缺陷DRT均可检出。与常规胶片RT结果相比，DRT结果的缺陷测量长度平均相差2.600 mm，缺陷性质判别相同。

图3 43号试板DRT试验结果

图4 43号试板常规胶片RT试验结果

3 结 论

(1)通过对比度指标、不清晰度指标和SNRn指标对比，文献[3]AB级技术等级要求均达到文献[4]AB级技术等级要求，即针对钢材料平对接焊缝，采用7.000～32.000 mm的母材，文献[3]AB级技术等级与文献[4]AB级技术等级具有相同的缺陷检测能力。

(2)按文献[3]AB级技术等级要求实施DRT，按文献[4]AB级技术等级要求实施常规胶片RT，通过试验验证，两者具有相同的缺陷检测能力。