油氣管線焊縫無損檢測X射線數(shù)字成像系統(tǒng)

史小東，趙洪波，韓曙光

(中國石化集團勝利石油管理局 海上石油工程技術(shù)檢驗中心，山東 東營 257000)

隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展和材料學(xué)、微電子學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科研究領(lǐng)域的全面進步，以計算機自動控制與通信技術(shù)為基礎(chǔ)的神經(jīng)元信息感知、圖像數(shù)據(jù)處理信息系統(tǒng)正處于蓬勃發(fā)展的時期[1]。X射線無損探傷作為一種常規(guī)的無損檢測方法在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用已有近百年的歷史，通常以膠片照相為主要方法，但該方法需耗用大量的X射線膠片，具有工序復(fù)雜、檢測周期長、勞動量大、成本高、環(huán)境污染嚴(yán)重、人身傷害大及檢測自動化程度低等諸多缺點，使其在檢測效率、成本及環(huán)境保護等方面無法滿足目前生產(chǎn)快速發(fā)展和競爭日益激烈的需要[2]。將計算機圖像采集及處理技術(shù)應(yīng)用于無損檢測領(lǐng)域，即X射線數(shù)字成像檢測技術(shù)，可以極大地提高檢測自動化程度及生產(chǎn)效率，它作為一種新的無損檢測方法已進入對接焊縫的無損檢測領(lǐng)域。該技術(shù)檢測效率高，實現(xiàn)了X射線檢測的自動化，低成本、實時成像、存儲方便，更重要的是數(shù)字圖像的可處理性，通過數(shù)字圖像處理技術(shù)直接提取缺陷特征，使得實現(xiàn)焊縫X射線缺陷自動評判成為可能[3]。

1 X射線數(shù)字成像系統(tǒng)的組成

通過對國內(nèi)外焊縫X射線成像檢測技術(shù)的調(diào)研，結(jié)合公司多年的無損檢測經(jīng)驗，對該項目的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。如圖1所示，將整個系統(tǒng)劃分為圖像處理與用戶終端模塊、相機模塊、視頻采集模塊、管外爬行機構(gòu)模塊4個部分。由計算機終端圖像處理軟件發(fā)出控制命令，控制管外爬行機構(gòu)攜帶X射線數(shù)字相機平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，數(shù)字相機接收管內(nèi)爬行器透過焊縫的質(zhì)量信息，進行A/D轉(zhuǎn)換、存儲，并通過以太網(wǎng)傳輸回電腦終端，利用圖像軟件進行處理，以達到分辨率高、圖像清晰的要求。

圖1 系統(tǒng)功能示意

2 X射線數(shù)字CMOS平板探測器

X射線數(shù)字CMOS平板探測器是該系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它決定了系統(tǒng)的成像性能，被認(rèn)為是可以取代傳統(tǒng)膠片照相的一種技術(shù)。CMOS數(shù)字平板由集成的互補金屬氧化物硅半導(dǎo)體(CMOS)記憶芯片構(gòu)成。由于其特殊的活性像元探頭技術(shù)把所有的電子控制和放大電路置于圖像探頭上，取代一般探測器在邊緣布線的結(jié)構(gòu)，因此使得CMOS探測器比其他探測器的抗振性能更強，壽命更長。CMOS探測器工作溫度范圍寬，解決了其他平板探測器的電子噪聲隨溫度增加而增大的弊端，在0．55～43．3 ℃溫度變化范圍內(nèi)不需要標(biāo)定；由于CMOS探測器每個像素是單獨放大的，不受相鄰像素的影響，因而能消除由于輻射能量大造成浮散和拖影現(xiàn)象；還具有適應(yīng)電流范圍寬、空間分辨率大(像元尺寸可到0．39 μm)，曝光時間短等優(yōu)點。結(jié)合長輸管線環(huán)境的特殊嚴(yán)格要求，該系統(tǒng)選擇RadEyeTM100特大面陣列VLA(Very Large Area)圖像傳感器，采用集成COMS光電二極管陣列，既可直接用于可見光成像，也可透過閃爍材料來實現(xiàn)X射線等放射性射線成像[4]。性能參數(shù)見表1所列。

表1 CMOS探測器性能參數(shù)

選擇的CMOS探測器提供了多種成像模式，其中幀模式(Frame Mode)適用于用戶自行設(shè)計數(shù)據(jù)采集電路。圖2為幀模式時序圖，其中時鐘(Clock)和開始(Start)為輸入控制信號，其余為輸出。幀(Frame)和行(Line)分別為幀同步和行同步信號，Outs和Outr分別為差分模擬輸出信號。Clock的工作頻率為0．01～1 MHz。當(dāng)?shù)谝粋€大于1T(T為時鐘周期)的Start脈沖信號輸入時，傳感器開始工作，在拍完一幀圖像后停止工作，等待下一個Start脈沖信號，所以通過控制Start信號的頻率，便可以控制每兩幀圖像的間隔時間。

圖2 幀模式下的時序

3 基于ARM和CPLD的視頻采集卡及驅(qū)動電路設(shè)計

X射線無損探傷工程，首先要考慮X射線的輻射防護安全問題。為了提高距離防護效果，須實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，可以通過以太網(wǎng)利用網(wǎng)線傳輸使傳輸距離達100 m。其次，要解決系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，整個系統(tǒng)從管外旋轉(zhuǎn)機構(gòu)同步運轉(zhuǎn)、發(fā)出射線、接收射線、采集圖像、模數(shù)轉(zhuǎn)換、傳輸圖像到計算機圖像處理系統(tǒng)接收圖像并處理的過程中，多種工藝和技術(shù)交叉復(fù)合，為了實時、不間斷地采集焊縫質(zhì)量圖像信息，系統(tǒng)必須具有很高的穩(wěn)定性。這樣集多種功能于一體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用基于ARM和CPLD的嵌入式系統(tǒng)來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集卡的系統(tǒng)原理如圖3所示，數(shù)據(jù)由模擬視頻輸入端進入系統(tǒng)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)化成數(shù)字量后在系統(tǒng)中暫存，并最終通過微處理器(MCU)傳送到外界。根據(jù)視頻數(shù)據(jù)采樣率可以計算得到系統(tǒng)所需要的最高數(shù)據(jù)流量是14 Mbit/s，因而選用100 M以太網(wǎng)，利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議糾錯，一方面避免傳輸錯誤，另一方面簡化設(shè)計復(fù)雜度和降低傳輸線路的開發(fā)成本。

圖3 數(shù)據(jù)采集卡及工作流程示意

由于系統(tǒng)使用了CPLD，ARM嵌入式系統(tǒng)單片機和大容量存儲器，必須增加有效的輻射屏蔽電路保證系統(tǒng)穩(wěn)定地工作。另外為了提高可用性，在硬件和軟件設(shè)計中考慮容錯保護，采用Watchdog模式，在遇到偶發(fā)故障死機的情況下能夠自啟，以保證圖像采集的連續(xù)。

4 X射線圖像的采集與處理

X射線數(shù)字成像系統(tǒng)的軟件用于實現(xiàn)圖像的獲取和圖像處理功能，系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，由管外爬行機構(gòu)同步控制、圖像采集、圖像傳輸TPC/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、圖像處理、圖像存儲管理等模塊組成。軟件系統(tǒng)基于Windows操作系統(tǒng)平臺，采用VC++編程語言編制。各模塊主要功能如下：

1) 管外爬行機構(gòu)同步控制模塊。用于管外爬行機構(gòu)旋轉(zhuǎn)和圖像信息采集的同步控制，實現(xiàn)整條焊縫的圖像信息采集。

2) 圖像采集模塊?？刂芚射線的曝光量和CMOS探測器的采集、傳輸時間，完成單幀圖像的采集功能。

3) 圖像傳輸TPC/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模塊。完成圖像信息的實時、穩(wěn)定地傳輸?shù)綀D像軟件系統(tǒng)。

4) 圖像處理模塊。實現(xiàn)圖像的縮放、降噪、增強、漫游、反白、測量標(biāo)尺、灰度變換、多幀拼接等功能。

5) 圖像存儲管理模塊。實現(xiàn)焊縫信息的存儲、加密等功能，對圖像分類管理，建立被檢工件的數(shù)據(jù)庫，以便于圖像的搜索、瀏覽和對比，并將報告保存成電子文檔供查閱。

5 X射線數(shù)字成像系統(tǒng)的性能測試

為了檢驗X射線成像系統(tǒng)的性能，根據(jù)GB 17925—1999 《氣瓶對接焊縫X射線數(shù)字成像檢測》、GB/T 19293—2003《對接焊縫X射線數(shù)字成像檢測法》、GJB 5346—2005《射線實時成像檢測方法》以及JB/T 4730．1-4730．6—2005《承壓類設(shè)備無損檢測》對系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)進行了測試，以下主要對輻射劑量對比測試、圖像分辨率測試[5]兩方面進行闡述。

5．1 輻射劑量的對比測試

與X射線膠片相比，數(shù)字圖像具有更高的射線靈敏度，只需要很少的輻射劑量就可以獲得良好的圖像質(zhì)量。X射線長期、高劑量的照射會導(dǎo)致人體組織的癌變，因而應(yīng)用X射線數(shù)字成像系統(tǒng)在不影響圖像質(zhì)量的前提下應(yīng)降低工作人員受照射的劑量，保護操作者的健康[6]。對比試驗采用愛克發(fā)膠片照相工藝和自行研發(fā)的數(shù)字成像系統(tǒng)，以獲得足夠的圖像靈敏度為準(zhǔn)，測試目標(biāo)為獲得相同像質(zhì)計等級B級。相同的像質(zhì)計靈敏度下兩種工藝的技術(shù)參數(shù)對比見表2所列。

表2 技術(shù)參數(shù)對比

由表2可知，獲得相同的圖像靈敏度，X數(shù)字成像系統(tǒng)曝光時間需要1 s(拍3幀取平均以獲得高質(zhì)量圖像)，膠片照相工藝曝光時間需要5 s，在不考慮管電壓參數(shù)情況下，前者為后者輻射劑量的20%。同樣不考慮曝光時間，管電壓前者為后者的33%。從測試結(jié)果來看，獲得同樣靈敏度的X射線圖像，數(shù)字成像系統(tǒng)所需的X射線輻射劑量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于膠片照相工藝，大幅降低了對操作人員的核輻射傷害。

5．2 圖像分辨率測試

分辨率是考核系統(tǒng)成像質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是射線檢測設(shè)備質(zhì)量驗收的重要依據(jù)，需要采用質(zhì)量檢測器具進行客觀的測量，一般采用分辨率測試卡來檢測圖像的分辨率。X射線圖像分辨率是以能夠分辨清楚黑白相間線條的能力來表示的。黑白相間的線條又稱為線對(lp)，一對黑白相間的線條稱為1個線對。在單位寬度范圍內(nèi)能夠分辨清楚的線對數(shù)越多，表示圖像越清晰，單位為lp/mm。圖像分辨率測試采用GA-115分辨率測試卡，共有17組不同間距的柵條，柵條長度為15 mm,厚度為0．05 mm。每組柵條對應(yīng)的線對數(shù)在0．8～5．0 lp/mm。圖像分辨率測試過程如下：

1) 將分辨率測試卡緊貼X射線數(shù)字探測器表面，并使柵條方向與CMOS像元排列方向平行。

2) 通過適當(dāng)調(diào)整X射線機曝光時間和電壓，并適當(dāng)調(diào)整分辨率測試卡的方向，獲得對比度適當(dāng)?shù)腦射線圖像。

3) 移動分辨率測試卡在X射線探測器上的位置，獲得不同柵條的圖像，用系統(tǒng)軟件對圖像進行適當(dāng)?shù)奶幚?，并在屏幕上觀察圖像測試卡的影響，觀察到柵條剛好分離的1組線對，即為該系統(tǒng)的圖像分辨率。該X射線數(shù)字成像系統(tǒng)可以清楚地分辨出5 lp/mm的柵條，超出了目前法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求的3．0 lp/mm，達到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。

6 X射線數(shù)字成像系統(tǒng)的應(yīng)用

焊縫X數(shù)字成像設(shè)備在勝利油田利津煉油廠輸油管線的焊縫檢測中得到了具體的應(yīng)用。通過兩種檢測工藝實際的現(xiàn)場應(yīng)用對比，X射線數(shù)字成像系統(tǒng)圖像質(zhì)量已經(jīng)達到傳統(tǒng)膠片照相水平，并且檢測效率提高了幾倍，同時焊縫質(zhì)量信息實時成像提高了無損探傷作業(yè)的自動化水平，重要的是減少了化學(xué)藥劑對環(huán)境的污染和核輻射對操作人員的輻射傷害。

7 結(jié)束語

焊逢無損檢測數(shù)字成像系統(tǒng)是適用于油氣管線焊縫缺陷檢測的新型無損檢測數(shù)字成像設(shè)備。該技術(shù)的應(yīng)用將有利于提高企業(yè)的技術(shù)水平，提高企業(yè)的競爭力，同時將為石油石化新建管線和地面在用工程項目提供清潔、高效的檢測技術(shù)保障[7]，也可為船廠和壓力容器制造等行業(yè)提供高效的解決方案。

參考文獻：

[1] 鄭世才．射線實時成像檢驗技術(shù)[J]．無損檢測,2000,22(07)： 328-336．

[2] 任大海,尤政,孫長庫,等．焊縫X射線實時分析系統(tǒng)[J]．焊接學(xué)報,2000,21 (01) ： 60-64 ．

[3] 任大海,尤政,孫長庫．焊縫缺陷實時成像自動檢測技術(shù)的研究[J]．清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2001,41(02)： 25-29．

[4] 鄭玉泉,王慧．微型X射線數(shù)字成像系統(tǒng)[J]．光學(xué)精密工程，2008,16(04)： 591-597．

[5] 孫怡,孫洪雨,白鵬．X射線焊縫圖像中缺陷的實時檢測方法[J]．焊接學(xué)報,2004,25(02)： 115-123 ．

[6] 韓焱．射線數(shù)字成像檢測技術(shù)[J]．無損檢測,2003,25(09)： 468-471．

[7] 張鴻博．我國大口徑油氣輸送焊管生產(chǎn)中的無損檢測[J]．石油機械,2005,33(12)： 55-57．

[8] 韋全芳,韓焱,張開增．基于廣義模糊算子的焊縫圖像的缺陷提取技術(shù)[J]．信息技術(shù)，2004,28(12)： 50-52．

[9] 喻春雨,常本康,魏殿修．新型 X光成像系統(tǒng)及其性能分析[J]．儀器儀表學(xué)報，2007，28 (01)： 150-153．

[10] 潘俊杰,趙寶升,賽小鋒,等．影響X射線像增強器分辨率的因素分析[J]．光子學(xué)報,2008，37 (06)： 1116-1118．