射线检测的灵敏度与底片黑度到底有着何种关系

Release date:2021-03-29
导读

X射线探伤是锅炉制造中质量检验的重要方法之一,正因为其重要,则要求X射线探伤自身的工作质量要精益求精,要求具有高灵敏度以防止漏检。

所谓X射线探伤灵敏度,是指在X射线底片上所能够发现的焊缝内部最小缺陷的能力,它是衡量X射线探伤自身工作质量的重要指标,X射线探伤的技术水平和所用的器材性能水平较集中地反映在这项指标上。

探伤灵敏度又与底片黑度、对比度(反差)、清晰度等因素有一定内在联系。

为了集中地讨论其中的某一问题,本文仅就是灵敏度与底片黑度之间的相互关系作较深入的探讨。

1.用于无损探伤的X射线通常是由高速运动的电子撞击物质的原子所产生的波长为10^(-6)~10^(-10)厘米的电磁波,它具有穿透金属和其它物质的能力,同时能使胶片感光。当X射线穿透工作时,由于基本金属(如锅炉筒体的母材和焊缝)和内部缺陷(如焊缝内部的气孔、夹渣、未熔合、未焊透、裂纹等)的密度不同,它们对X射线的吸收亦有所不同,使贴在焊缝背面的X光胶片的感光量也有所不同,经暗室显影处理后根据底片上黑化程度的差异,判断是否有“伤”,这就是X射线照相探伤方法的基本原理。领翼NDT商城astm原装进口射线底片选购!

底片黑化程度称为黑度。

黑度是指X射至底片上的光通量与透过的光通量的常用对数的比值D。
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底片的对比度(反差)是指底片上相邻两有个区域黑度的差异。
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对比度愈大,则缺陷与焊缝金属之间的轮廓界线愈分明,就愈容易判“伤”,因此,探伤灵敏度愈高。

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图1  X射线的衰减

X射线穿透物质后,由于被物质所吸收(产生光电效应和散射效应)而消耗能量,射线强度将显著减弱。

实验证明,射线减弱具有自然衰减的规律。

通过厚度为dt微小薄层物质时,X射线强度衰减量di正比于X射线强度I和穿透层的厚度(如图1)即:

di ∝-Idt或di= -μdt ---(3)

式中μ为比例常数,与X射线的波长及物质有关系,称为该物质的衰减系数,其单位为厘米-1,负号“-”表示强度的变化是由强变弱,即衰减的意思。

由(3)式积分得:∫(dI/I) = -∫μdt  ,ln I = -μt + C,当X=0时,I=I,故c=tnI。

代入上式得:lnI + lnI0 =ln(I/I0)= -μt因此 I/I0 = e–μt ----(4) 或 I=I0e-μt----(4-1)

式中:e自然对数的底,e=2.718…;t为穿过物质的厚度;I0为入射X射线的强度,I为透过T厚物质后的X射线强度,由(4-1)式可看出:X射线通过物质时,将按照指数函数的规律迅速衰减。

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图2  胶片特性曲线

X射线探伤工艺证明:底片黑度程度(黑度)主要与X射线透照曝光量有关,X射线强度I与爆光时间T的乘积为常数,表示为曝光量E。

一般来说,曝光量大,底片黑度大,但是,底与黑度与曝光量之间关系不是简单的递增关系,仅是在某一定范围内才依值线关系递增(如图2所示)。

图2中横座标为曝光量E的常用对数值,纵坐标为底片上黑度D,这样绘制的一条曲线通常称为胶片特性曲线。

现将曲线中直线部分延长并与横轴相关成夹角θ,取夹角θ的正切值r,称之为胶片反差系数:r=tgθ=(D2-D1)/(lgE2-lgE1)---(5)

若有一束入射强度为I的X射线取某工件进行探伤,假设工件内部有一缺陷,其厚度为X,经X射线透照拍片后,透过基本金属部的X射线强度为I,其底片部位的黑度为D1,透过有缺陷部位的X射线强度为I,其底片部位的黑度为D2,因为基本金属与缺陷的密度不同,一般是D2>D1,则I2

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图3 工件无损探伤示意图

因为基本金属部位和有缺陷部位是以同样的时间T进行探伤的,代入(5)式,则有:
r= D/(lgI2T-lgI1T)= D/( lgI2-lgI1)----(5-1)

根据(4-1)式,分别代图3中符号,则有:
I1=I0e-μt;I2=I0e-μ(t-x)

上二式两端分别取常用对数,然后相减得:
lgI2-lgI1=lg|(I0e-μ(t-x))|-lg|(I0e-μt)|=μxlge=0.43μx(lge=0.43)

代入(5-1)式得D=0.43μxr---(6)或D2-D1= 0.43μxr或者D2=D1+ 0.43μxr---(6-1)

在进行X射线探伤时,工件材料的μ值、工件内部缺陷厚度x和胶片的反差系数的r均是固定的,故(0.43μxr)是常数。

从(6-1)式看出,适当提高射线能和量曝光量,底片上基本金属部位黑度D1会提高,底片上有缺陷部位黑度D2亦随之提高;

两者在底片上黑度差异(反差)也相应增加(D=0.43μxr),这样,底片上缺陷部位的影象与基本金属部位的影象之间轮廓界线更加清晰可辨,更细小的缺陷也能检测出来了,探伤灵敏度也会随之提高。

结论:

在进行X射线照相法探伤时,适当提高射线能和量曝光量会提高基本金属部位的黑度和有缺陷部位黑度,能够提高探伤灵敏度,相反黑度降低,灵敏度也会有所下降。

经验证明:正常人的肉眼可分辨出的最小黑度差值为0.02,即Dmin=0.02,再小就无法分辨了,代入(6)式变换得:

xmin=0.02/0.43μr=0.046/μr ---(7)

它表明:当工件材料的衰减系数μ值一定时,胶片反差系数r愈大,能够发现的缺陷尺寸就愈小,探伤灵敏度愈高,这就是探伤人员喜欢使用高反差的胶片的理由。

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图4  底片黑度与灵敏度的关系

如前所述,提高底片黑度对提高探伤灵敏度有利,但是,随着黑度的提高,对底片观察的高度要求愈高,假设底黑度D=4,根据黑度的定义:

D=lg(J0/J)=4则J0/J=104=10000或J0= 10000J

这就是说,如果要能观察到底片灵敏度下的某一细小缺陷,则要求入射光通量至少是透过光通量的1万倍,显然要获得这样强大的光源是有困难的,而且这样强的光对人眼刺激太大,使评片人员无法工作,再说要获得这样高的黑度的底片,X射线探伤的曝光参数要大大提高,是很不经济的。

由此可见,底片的黑度规定应有一个适合的范围。

GB3323-82标准规定黑度范围内1.2-3.0,在实际探伤中,应推荐一个中间范围的黑度值,以保证所拍底片均在正常黑度范围之内。

实践还证明,能够发现最小缺陷的黑度范围又往往是在推荐黑度范围内较窄的一部分,这就是所谓最佳黑度范围,探伤人员的工作应将底片黑度控制在最佳黑度范围之内,以求获得最佳探伤底片质量,这三者之间关系可由图4表示。

底片正常黑度按照GB3323-82标准规定在1.2-3.0之间,低于下限或超过上限为废片,需重新拍片,推荐黑度规定在1.5-2.8之间,这是同常探伤工作所要求达到的范围,最佳黑度则控制在1.8-2.5之间,这是经过多次试验求得的黑度范围,可获得最佳灵敏效果,当然这并不是仅仅通过提高底片黑度来取得的,还有其他方面的努力,它们与本文题意无关,这里就不赘述。
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