儲罐焊縫的多機自動聯照射線檢測裝置

張宏亮,藏婷婷,祖寶華,張 旭,彭衛華

(廊坊北檢無損檢測有限公司,廊坊 065001)

檢測對象為某國家戰略石油儲備庫中建設的雙盤浮頂油罐,其單罐容積達150 000 m3,檢測根據業主技術條件、標準GB 50341—2014 《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》 和GB 50128—2014 《立式圓筒形鋼制焊接儲罐施工規范》 要求進行,需要對兩環三縱在內的大量焊縫進行射線檢測,射線檢測時采用標準NB/T 47013.2—2015《承壓設備無損檢測 第2部分:射線檢測》,檢測內容包括邊緣板、罐壁縱向焊縫,罐壁環向焊縫等,其中兩環三縱焊縫合計占比超過80%,工期短任務重。

常規檢測方法是操作人員利用施工單位的罐壁小車、手動葫蘆、繩索等將一臺射線機固定到需要曝光的位置,布片人員在罐壁對側的腳手架上貼片,雙方依靠對講機互相溝通,然后曝光人員通知貼片人員撤離,曝光后貼片人員拆片換片,外部人員再人工拉動罐壁車和繩索把射線機重新固定在下一張片的位置,如此反復循環。該方法存在人員勞動強度大、夜間工作易疲勞、高空作業存在風險、射線輻射強度大等風險,檢測效率較低,容易出現檢測滯后的情況。

也有一些手工或半自動工裝可應用于該情況的現場檢測[1-2],一種是通過一個固定4臺射線機的支架,采用多機聯拍方式進行透照[3],能在很大程度上提高工作效率,但檢測人員勞動強度仍然較大。另一種是采用電動罐壁掛車實現水平和垂直運動,再配合人工遙控進行對位逐張曝光,實現了單機透照,但工效不高,適合補片及丁字縫透照。還有一種采用磁吸附運動的射線機裝置[4],其可以隨意在管壁上運動,雖然機動靈活,但移動緩慢且定位困難,工作效率極低,不適合儲罐大批量拍片。上述方法都能在某方面提高檢測效率或安全性,但目前還沒有發現能同時滿足高工效、高安全性的自動拍照裝置。

為此,筆者在儲罐射線檢測多機聯拍法的基礎上,設計制作了罐壁車、升降軌道、旋轉機構、水平和垂直運動機構、射線機組等設備,通過遙控實現了一次控制4臺射線機曝光,極大地提高工作效率。

1 方案原理與工藝驗證

1.1 工藝原理

以某150 000 m3儲罐為例,其罐壁板長度為12 571 mm,寬度為2 580 mm,最大壁厚為39 mm。單個縱向焊縫拍攝8張底片,單個壁板環向焊縫拍攝39張底片,縱向焊縫總片數為192張,環向焊縫總片數為936張。

所提方案工藝原理為,在當日需要拍照的罐壁上先貼布完成所有奇數底片,采用固定焦距,間距為2個有效透照長度的4臺射線機同時曝光,一次透照4張奇數膠片,如1,3,5,7底片曝光,然后再將裝置移動到下一個奇數片位置透照9,11,13,15底片,依次類推,完成當日所有奇數底片透照后,取下所有已經曝光完成的底片,并再次貼布所有偶數底片,將裝置移動回第一個偶數片位置,開始2,4,6,8底片的曝光,采用同樣方法完成所有偶數片拍照,奇數-偶數輪流透照原理如圖1所示。

圖1 奇數-偶數輪流透照原理示意

1.2 工藝參數設計

檢測所采用的射線機能量為280 kV,焦點尺寸為2 mm×2 mm(長×寬),焦距為710 mm,射線機射線束擴散角為40°×60°。

根據NB/T 47013.2—2015標準,150 000 m3儲罐第一層罐壁單片透照工藝計算結果如表1所示,可見實際透照焦距為710 mm,滿足幾何不清晰度要求的焦距長度為269 mm,K值為1.029,不大于標準要求的1.03,能滿足標準要求。

為了確定射線機的實際輻射場能否滿足一次透照長度對曝光區域大小的需求,進行如下理論驗證:射線機輻射角按最小值40°計算,在焦距為710 mm時的可曝光長度為517 mm,通過計算可以滿足一次有效透照長度330 mm的要求。若因條件變化而不能滿足要求時,則應增加焦距或增加透照次數(即減少一次透照長度,使K值更小)。

根據表1的計算,考慮到效率、幾何不清晰度、K值的要求,選擇4臺射線機是一個比較理想的方案,其曝光2次剛好可以滿足一個縱縫8張底片曝光的需要,縱縫透照工藝布置如圖2所示。

表1 150 000 m3儲罐第一層罐壁單片透照工藝計算結果

圖2 縱縫透照工藝布置示意

1.3 工藝驗證

雖然根據計算可知射線束不會影響到間隔為330 mm的相鄰奇數或偶數膠片,但為了驗證所提方案的可行性,避免出現類似第一張底片射線影響第三張底片的問題,筆者進行了臨近底片本底灰霧度試驗。

試驗制備:杭州惠威RD-2805A型射線機1臺;AGFA C7型膠片(長為1.5 m);配套的增感屏和暗袋;搭接標記2個;39 mm厚鋼板1塊。

試驗步驟為:① 將長度為1 500 mm的膠片裝入暗袋中;② 在鋼板背面中心部位黏貼暗袋,確保暗袋后部2 m內除空氣以外無其他物體;③ 源測相隔330 mm貼2個搭接標記;④ 設置射線能量為280 kV,焦距為710 mm,曝光后沖洗成底片,測量曝光底片中心處黑度值及搭接標記以外330 mm處的旁邊底片有效長度邊緣處黑度值。

測試得到左側黑度為0.16,中心黑度為3.25,右側黑度為0.15。

由實測值可見,當前透照底片未影響到旁邊相隔一個有效透照長度的底片邊緣處的本底灰霧度,本底灰霧度均低于0.3,因此該方案原理可行。

2 裝置介紹

2.1 機械設計

罐壁車由車體、驅動機構、主控制器、提升機構、從動輪、軌道、橫梁、射線機組框架、射線機、射線機操作臺、旋轉機構、副控制器、背部支輪、調焦支輪等組成,罐壁車結構組成如圖3所示。

此外還包括應急用防墜器、工作環境照明燈、運行指示燈(含喇叭)、輻射報警喇叭(含指示燈)和供電電纜等設備。

如圖3所示,掛壁車上安裝有兩個電機,行走電機用于在管壁頂部實現沿管壁的水平移動,為適應不同儲罐直徑的不同曲率,行走輪設計了可旋轉機構,可根據罐壁曲率進行調節。提升電機帶動鋼絲繩用于懸掛射線機組,實現射線機組的上下移動,頂部適當位置處安裝有上限位傳感器,射線機組上升到該位置時,能自動停止提升。罐壁車上安裝有一個垂直軌道,射線機組可沿著軌道上下移動,用于保證射線機水平方向固定。在軌道中部設計了一個橫梁,橫梁上有4個支腿,支腿末端安裝有水平可以滾動的輪子。該橫梁有兩個作用,一是保持軌道平穩,防止橫梁的水平擺動;二是保持焦距固定,需要調整焦距時,可以調整橫梁的支腿長度。 小車和射線機組部分裝置設計了防雨,以保證不進水,不漏電。

圖3 罐壁車結構組成

射線機組由射線機組框架、射線機、射線機操作臺、旋轉機構、副控制器、瞄準機構等組成,其結構如圖4所示。其是一個能同時固定安裝4臺射線機的框架,通過射線機端環將射線發生器固定,射線機操作臺固定在射線機旁邊,兩者通過短電纜相連,4臺射線機的電源線并聯后接到外部供電電纜上。

圖4 射線機組結構示意

當用于縱縫透照時,4臺射線機組成的射線機組呈上下排列;當透照環縫時,通過設計的框架旋轉機構,先拆下鎖緊螺栓,然后將射線機組旋轉90°并再次鎖緊螺栓,即可使用。

第一臺射線機旁邊安裝一個帶聚焦功能的強光LED燈,以提供模擬的射線束,便于操作人員知曉透照的位置。

2.2 電路及軟件設計

(1) 電路結構及軟件邏輯關系

多機自動聯照射線檢測裝置電路結構框圖如圖5所示,以三菱FX1S 30MR-001可編程控制器(PLC)作為主控電腦,工業無線遙控組件作為遙控輸入界面。

圖5 多機自動聯照射線檢測裝置電路結構框圖

PLC根據操作人員的遙控指令分時控制水平電機與提升電機,實現射線機組的上下左右移動,同時開啟運動指示燈。

安裝在提升電機附近的限位傳感器,用于在射線機組提升到頂部后,使其停止運轉。

輻射傳感器將來自射線機的電離輻射信號轉換為開關量信號,輸入到PLC,PLC根據射線機打開狀態與輻射傳感器輸入信號綜合判斷,用于打開或關閉輻射報警喇叭。

工作環境燈可通過無線遙控組件單獨打開或關閉,射線曝光預警時,無論當前是開燈還是關燈狀態,均自動打開燈光(曝光時關閉,曝光后再次打開)。

射線機操作臺上安裝有一個控制插座,用于控制該射線機的開關機和向PLC提供射線機反饋信號。開關機信號通過中間繼電器接入PLC輸出端,反饋信號與PLC輸入端子直接相連。

需要曝光時,操作人員通過遙控組件按鍵發出曝光指令,PLC接收到后,首先發出10 s預警音,用于提醒人員迅速撤離曝光控制區,然后依次向4臺射線機發出曝光信號,并開始監測每臺射線機反饋信號,任何一臺射線機出現故障時,均停止所有射線機的本次曝光,當所有射線機均正常曝光完畢后,此次曝光才算完成。

射線束指示燈位于第一臺射線機射線窗口附近,其作用是通過角度調整,使燈光與X射線束在罐壁表面重合,指示射線束位置,曝光時也可通過不同的閃動代表曝光、射線機自動休息、故障機器號碼等功能。

安裝在第一臺射線機窗口附近的霍爾傳感器,用于提供自動曝光定位識別信號,在每道焊縫的內側焊縫旁邊50～100 mm以外適當位置貼一個小圓形磁鐵,經過位置校準后,即可用于全自動拍照。當罐壁車帶動射線機組左右運動時,隨其移動的定位霍爾傳感器將隨時檢測定位磁鐵,當檢測到定位信號后,將其輸入到PLC,PLC控制運動電機立即停止運動,實現定位,同時自動啟動射線機曝光, 曝光完畢后射線機自動休息,休息完后,罐壁車將按曝光前的運動方向自動向下一個定位點行走,并再次曝光,從而實現全自動拍片。

(2) 射線機改造技術要求

在射線機操作臺上增加一個4芯插座,為PLC提供4芯通訊接口,其中2芯為無極性直流24 V輸入,射線機接收PLC 24 V直流控制信號后開啟,直流電流持續供給則持續曝光,當直流電平消失時,立即關閉射線機。

當射線機工作正常,管電流穩定后,為PLC提供一路開關量數據信號,如果射線機出現任何故障,立即通過信號線將故障信號傳遞給PLC。

(3) 檢測軟件運行流程圖

檢測軟件提供了手動和全自動拍片兩種功能,手動狀態下,可實現射線機組的上下左右移動,以及射線機的訓機、曝光、曝光后自動休息、緊急停止曝光等功能;全自動模式下,可通過組合按鍵啟動全自動曝光功能,檢測軟件運行流程圖如圖6所示。

圖6 檢測軟件運行流程圖

3 現場檢測

3.1 現場準備

(1) 儲罐檢測前,應根據儲罐大小和電纜長度提供3或4個專用插座,插座應直接從配電箱中引出,以提供足夠的220 V交流電源,推薦電流不小于40 A,每檢測一定距離后停機更換電源插座。

(2) 供電電纜應選用截面積不小于10 mm2的銅制導線。

(3) 射線機的電源及主電纜應固定在一起,防止多機線纜纏繞、混亂。

3.2 安裝就位

現場需要一臺吊車配合吊裝設備,罐壁上應將計劃透照區域的其他設備清空。就位后的儲罐射線自動檢測系統如圖7所示。

圖7 就位后的儲罐射線自動檢測系統

3.3 勞動組織及工效

自動射線檢測與常規方法的勞動組織對比如表2所示。

表2 自動射線檢測與常規方法的勞動組織對比

以檢測某150 000 m3儲罐環焊縫為例,其直徑為96 m,罐高23.02 m,第一節壁板厚為39 mm,底片有效長度為330 mm,拍攝環焊縫底片936張,每次曝光時間為7 min,射線機按2.5:1休息(工作2.5 min,休息1 min),使用一套常規裝置,需要約39 h可完成環焊縫的100%射線透照。如果采用人工4機透照,需要8個人,組成4個小機組,兩人同時布片,同時移動及定位射線機,由于高空移動對準機頭工作較為繁重,所需時間至少為自動檢測方法的5倍,且勞動強度遠大于自動透照機組的強度。

4 結語

將所提射線自動檢測裝置應用于某儲罐工程的實際檢測中,結果表明,所提裝置具有很好的使用性能,且穩定可靠、操作靈活,所需操作人數和人員勞動強度大大減少,簡化了原本繁重的機頭定位工作,極大改善了夜間高空作業的工作環境,減少了人員所受射線輻射劑量,操作人員只需在地面通過視頻觀察定位點并遙控曝光,及時整理供電電纜線即可。