LNG鋼瓶X射線智能檢測裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

曲秋華，袁霄宇，姜盛杰，叢智超，劉新利

（丹東奧龍射線儀器集團(tuán)有限公司，丹東 118000）

LNG（液化天然氣）鋼瓶制造企業(yè)，長期以來都把X射線照相法作為焊縫無損檢測的主要手段［1］。每年需拍片數(shù)萬張，消耗材料費(fèi)用極大，并且X射線照相法檢測工序多、技術(shù)復(fù)雜、效率低，往往不能滿足敏捷制造及生產(chǎn)進(jìn)度的要求［2］。

在20世紀(jì)90年代中期，國際上同行業(yè)已將X射線數(shù)字化實(shí)時成像檢測技術(shù)正式應(yīng)用于液化石油氣鋼瓶對接焊縫的無損檢測。X射線數(shù)字實(shí)時成像檢測技術(shù)的主要特點(diǎn)是無需膠片照相，但其核心器件圖像采集器主要是采用圖像增強(qiáng)器技術(shù)，可以說是X射線實(shí)時成像檢測系統(tǒng)的第一代技術(shù)，并在此技術(shù)的基礎(chǔ)上形成了JB／4730.2—2005標(biāo)準(zhǔn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和普及，X射線數(shù)字化實(shí)時成像檢測技術(shù)亦不斷發(fā)展，檢測結(jié)果的載體已發(fā)展為采用數(shù)字式平板探測器，實(shí)現(xiàn)了無損檢測技術(shù)的一次飛躍。

LNG鋼瓶X射線數(shù)字成像智能檢測成套裝置就是專門針對各種LNG鋼瓶焊縫（一縱二環(huán)）質(zhì)量檢測開發(fā)和應(yīng)用的，可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時成像檢測和任意位置分段靜態(tài)成像檢測，可有效檢測出LNG鋼瓶焊縫中的氣孔、夾雜、裂紋、未融合、未焊透等缺陷，具有高效率、低成本、節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)，如圖1所示。

1 基本原理

將X射線管安裝在π型臂一端，數(shù)字式平板探測器（FPD）安裝在π型臂另一端，使X射線管射線束中心與FPD中心在同一直線上。鋼瓶由帶旋轉(zhuǎn)輥裝置、輸送輥線裝置的輸送車沿軌道送至檢測區(qū)，保證X射線管射線束中心、被檢焊縫區(qū)中心與FPD中心在一直線上。X射線透照鋼瓶后，利用射線對材料具有一定的穿透能力及其在穿透材料過程中，不同物質(zhì)和不同的物體結(jié)構(gòu)對射線衰減程度各不相同，從而使缺陷在FPD上以圖像的形式呈現(xiàn)。

圖1 LNG氣瓶X射線數(shù)字成像智能檢測成套裝置

圖2 焊接接頭源在外雙壁單影透照方式

檢測人員通過計(jì)算機(jī)的數(shù)字圖像信息管理系統(tǒng)執(zhí)行圖像采集，對采集圖像進(jìn)行動態(tài)和靜態(tài)同時觀測，并可在動態(tài)顯示過程中進(jìn)行靜態(tài)處理和圖像整體視覺的拼接。焊縫圖像的運(yùn)動坐標(biāo)尺寸同時顯示，并對焊縫圖像自動處理和自動識別并報(bào)表。

LNG鋼瓶焊縫（一縱二環(huán)）X射線透照工藝采用雙壁單影照射方式，如圖2所示。

這種方式可以在滿足鋼瓶的結(jié)構(gòu)形式、X射線管焦點(diǎn)的幾何尺寸、對比靈敏度、系統(tǒng)分辨率、檢測效率等技術(shù)要求基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)100%透照檢測。

2 檢測成套裝置構(gòu)成

LNG鋼瓶X射線數(shù)字成像智能檢測成套裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)用戶要求進(jìn)行模塊化選擇和配置，主要由數(shù)字式平板探測器（FPD）、高頻X射線機(jī)系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、現(xiàn)場監(jiān)視系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、氣瓶檢測輸送車、π型臂運(yùn)動機(jī)械系統(tǒng)、X射線防護(hù)房等八個部分組成。主要部分如圖3所示，圖中1為軌道；2為氣瓶檢測輸送車；3為X射線管；4為π型臂運(yùn)動機(jī)械系統(tǒng)；5為被檢測LNG鋼瓶；6為數(shù)字式平板探測器（FPD）。

2.1 FPD（數(shù)字式平板探測器）選擇

FPD是具有模擬圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像功能的器件，其工作原理是由于X射線透過工件后在圖像成像器上顯示的是模擬圖像，模擬圖像通過轉(zhuǎn)換成為數(shù)字圖像后實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的識別。

2.1.1 成像器技術(shù)種類

目前成像器技術(shù)主要有以下三種方式：

（1）圖像增強(qiáng)器技術(shù)

其基本原理和功能是射線穿透工件后圖像增強(qiáng)器的前端熒光板，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，光電子在真空度很高的封閉的空腔內(nèi)經(jīng)高壓電場聚焦，工件的摸擬圖像被攝像機(jī)所攝取，輸入計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)摸擬量／數(shù)字化轉(zhuǎn)換。

（2）線陣列探測器技術(shù)

線陣列探測器掃描方式是線型掃描，掃描圖形是一條直線，數(shù)條直線排列組成一幅圖像。檢測時工件移動，經(jīng)過相對固定的線陣列器的掃描，得到一幅連續(xù)的圖像。其工作原理是：熒光屏接受穿透了被測物體的X－射線的能量，發(fā)出可見光，感光二極管受到可見光的照射，產(chǎn)生電壓信號，該信號經(jīng)過集成電路的處理變成14位（或16位）的數(shù)字信號發(fā)給計(jì)算機(jī)。調(diào)整照射角度，重復(fù)以上過程，全部掃描結(jié)束后，計(jì)算機(jī)對每次得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，重建出所需圖像，并進(jìn)行分析。

（3）平面陣列探測器技術(shù)

平面陣列探測器掃描方式：一是逐行線型掃描，在平面陣列探測器上形成平面圖像輸出；二是面掃描，在平面陣列探測器上形成平面圖像輸出；檢測時工件移動，經(jīng)過相對固定的平面陣列器，得到檢測圖像。

2.1.2 三種成像技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)比較與選用

（1）圖像增強(qiáng)器：優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格較低，可以進(jìn)行實(shí)時影像檢測；缺點(diǎn)是成像靈敏度不如陣列探測成像器好，圖像增強(qiáng)器體積和重量受一定的限制。

（2）平面陣列成像板：優(yōu)點(diǎn)是成像靈敏度相對較高，可以與攜帶式高頻恒電壓X射線機(jī)、筆記本計(jì)算機(jī)等組合成攜帶式X射線影像系統(tǒng)，可以滿足現(xiàn)場使用要求；缺點(diǎn)是價(jià)格高。

（3）線性掃描器成像速度較慢，價(jià)格介于圖像增強(qiáng)器與成像面板之間，因?qū)C(jī)械傳動要求高，檢測速度較慢。

綜合考慮，LNG鋼瓶X射線數(shù)字成像智能檢測成套裝置選用XRD 0822AP平板X射線探測器（FPD），這款平板是珀金埃爾默公司的8英寸（20厘米）非晶硅（a－Si）數(shù)字式X射線探測器系列中最新增加的產(chǎn)品。具有88dB的動態(tài)范圍以及高達(dá)每秒100幀的幀頻（fps）；具有多種讀出方式；ADC轉(zhuǎn)換器：16Bit（65536灰度級）；實(shí)際圖像尺寸：像素1024×512（像素點(diǎn)距：200×200mm）、幀速：25幀／秒；通過千兆位以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信、控制X射線的同步和觸發(fā)電路以及用于圖像獲取及加工的綜合性軟件庫實(shí)現(xiàn)快速系統(tǒng)集成。XRD 0822探測器的高速、高圖像質(zhì)量及緊湊的射線防護(hù)設(shè)計(jì)可以滿足要求嚴(yán)苛的全天候工業(yè)無損檢測環(huán)境的應(yīng)用。

2.2 高頻X射線機(jī)系統(tǒng)

由于選擇透照方式為雙壁單影，同時考慮到成像效果要求高分辨率，因此，選用320kV固定恒壓式X射線機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用40kHz的高頻變頻技術(shù)，具有射線輸出穩(wěn)定、波紋小、轉(zhuǎn)化率高、穿透能力強(qiáng)、影像清晰度高等特點(diǎn)。同時選配HP型X射線管，這種X射線管具有焦點(diǎn)小、功率大的特點(diǎn)。該X射線管焦點(diǎn)尺寸：EN12543標(biāo)準(zhǔn)，d＝0.4mm（小焦點(diǎn)），d＝1.0mm（大焦點(diǎn)）。

2.3 圖像處理系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)及圖像處理軟件、PCPLC通訊及控制軟件等組成；可以對采集的圖像進(jìn)行亮度和對比度調(diào)整、灰度直方圖、圖像（灰度）校正、正負(fù)片切換、銳化、邊界加強(qiáng)、立體化顯示、圖像放大、壞點(diǎn)校正、不一致性校正等；可對感興趣區(qū)域進(jìn)行局部圖像處理，具有動態(tài)實(shí)時圖像和靜態(tài)降噪圖像同屏顯示功能；可以對采集的圖像評定區(qū)域內(nèi)的焊接缺陷進(jìn)行定性、定量、幾何尺寸測量后，根據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求自動生成報(bào)表。

2.4 現(xiàn)場監(jiān)視系統(tǒng)

該系統(tǒng)是在X射線防護(hù)房內(nèi)外安裝5臺攝像機(jī)，用于觀察工件出、入口，防護(hù)鉛門、機(jī)械運(yùn)動、鋼瓶的各個動作，保證整個系統(tǒng)的安全運(yùn)行。攝像機(jī)所拍攝的畫面通過視頻分割器分別顯示在監(jiān)視器上，布局緊湊，易于觀察。

2.5 電氣控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)通過PLC進(jìn)行數(shù)字化控制，由四個功能模塊構(gòu)成：

（1）手動功能模塊。

主要用于設(shè)備調(diào)試檢修使用。

（2）參數(shù)設(shè)置功能模塊。

主要用于示教、自動運(yùn)行速度的設(shè)定與調(diào)整，及設(shè)備保護(hù)參數(shù)設(shè)置與調(diào)整。

（3）示教功能模塊。

主要用于操作人員根據(jù)實(shí)際被檢測鋼瓶的特征將每個伺服電機(jī)的運(yùn)行位置記錄下來，存儲到相應(yīng)的配方ID中，以備自動運(yùn)行時調(diào)用。

（4）自動檢測功能模塊。

由操作人員確認(rèn)被控制鋼瓶的型號，并選擇相對應(yīng)的配方ID，控制系統(tǒng)接到操作人員的選擇要求后，按配方中的數(shù)據(jù)信息執(zhí)行以下操作：①自動裝載鋼瓶；②自動尋找T型焊縫；③自動完成環(huán)縫及縱縫的動態(tài)、靜態(tài)檢測；④自動卸載鋼瓶。

當(dāng)完成一個檢測過程后，繼續(xù)重復(fù)①～④檢測過程。鋼瓶運(yùn)動方式通過模擬動畫顯示，便于操作人員根據(jù)檢測運(yùn)動模式了解鋼瓶運(yùn)動所在的位置和方式及所處的當(dāng)前程序狀態(tài)。

2.6 鋼瓶檢測輸送車

該檢測輸送車主要由車行走裝置、輸送輥線、輸送輥線升降裝置、旋轉(zhuǎn)輥裝置等組成。

2.6.1 車行走裝置

為了滿足檢測不同長度規(guī)格的鋼瓶，車行走裝置采用精密加工的齒輪、齒條傳動機(jī)構(gòu)，驅(qū)動采用伺服電機(jī)配精密的行星減速機(jī)，保證焊縫精準(zhǔn)定位，同時保證實(shí)現(xiàn)縱焊縫靜態(tài)分段拍片。

2.6.2 輸送輥線

普通輸送輥線通常輸送輥之間傳動由若干個鏈傳動機(jī)構(gòu)組成，這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是傳動的累積誤差較大，無法滿足焊縫的精準(zhǔn)定位。

該裝置輸送輥線選用運(yùn)動精度較高的同步齒形帶傳動。同步齒形帶傳動兼有帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動三者之優(yōu)點(diǎn)，其主要優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)：①傳動效率高；②節(jié)能效果大；③帶與輪間返向間隙小，嚴(yán)格同步不打滑 ，傳動比準(zhǔn)確；④不需要潤滑，既節(jié)省潤滑油又無污染；⑤傳動速比大，速比可達(dá)到10；⑥使用速度范圍大，可達(dá)到50m／s；⑦負(fù)載容量范圍大，負(fù)載可從分馬力至數(shù)千瓦；⑧傳動設(shè)計(jì)的自由度大；⑨嚙合傳動平穩(wěn)、噪音小；⑩帶的伸長率極小，一次調(diào)定張力后即可繼續(xù)使用，以后不必調(diào)整，且初張力小，帶對軸的壓力小，運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的摩擦熱小，可延長電機(jī)和軸承的使用壽命［3］。

整條輸送輥線由一臺伺服電機(jī)配精密的行星減速機(jī)驅(qū)動，保證不同長度鋼瓶的精準(zhǔn)定位。

2.6.3 輸送輥線升降裝置

在檢測鋼瓶時鋼瓶需要旋轉(zhuǎn)，所以在裝載、卸載鋼瓶時輸送輥線必須具有升降功能。裝載鋼瓶時輸送輥線升起，高度與外輥線等高，鋼瓶被輸送至鋼瓶檢測輸送車上相應(yīng)位置，這時輸送輥停止旋轉(zhuǎn)，輸送輥線降低，使鋼瓶與輸送輥脫開，落在旋轉(zhuǎn)輥上。完成檢測后，輸送輥線升起，使鋼瓶與旋轉(zhuǎn)輥脫開，落在輸送輥上。開始卸載鋼瓶。

輸送輥線升降運(yùn)動要求滿足以下三點(diǎn)：①升降速度快；②運(yùn)動平穩(wěn)；③升降行程小僅50mm，并且只有二個工作位置。

由此，在設(shè)計(jì)運(yùn)動機(jī)構(gòu)時選擇氣動系統(tǒng)。開始設(shè)計(jì)時，選用一個氣缸頂升輸送輥線，但是受鋼瓶檢測輸送車整體高度的限制，只能選擇二個氣缸，分別布置在車體的二端，共同頂升輸送輥線。雙氣缸共同頂升一個物體時必須考慮運(yùn)動同步性問題，解決這個問題主要有二個方案，一是通過選擇控制元件進(jìn)行合理的氣路設(shè)計(jì)；二是通過機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)制同步。經(jīng)過比較選擇第二方案，具體結(jié)構(gòu)是：輸送輥線底座的四角處分別設(shè)計(jì)四組結(jié)構(gòu)相同的剪式升降平臺，然后，將這四組剪式升降平臺的支撐桿中點(diǎn)分別用四根連桿鉸接，以保證四組剪式升降平臺的上平面同步鉛垂升降［4］。

2.6.4 旋轉(zhuǎn)輥裝置

通常設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)輥結(jié)構(gòu)時采用二組四個旋轉(zhuǎn)輥，每組旋轉(zhuǎn)輥均為一個主動輥一個從動輥，這二組旋轉(zhuǎn)輥針對不同筒節(jié)長度，需要調(diào)節(jié)相對距離。但是，該檢測輸送車既有輸送輥線又有旋轉(zhuǎn)輥使車體空間非常小，二組旋轉(zhuǎn)輥無法調(diào)節(jié)相對距離，因此，將旋轉(zhuǎn)輥設(shè)計(jì)成四組分別布置在輸送輥線中間的五排輸送輥道之間，這樣所有待檢測鋼瓶都可以檢測。旋轉(zhuǎn)輥裝置采用同步齒形帶傳動，由伺服電機(jī)配精密的行星減速機(jī)驅(qū)動，保證焊縫精準(zhǔn)定位，同時保證實(shí)現(xiàn)環(huán)焊縫靜態(tài)分段拍片。

2.7 π型臂運(yùn)動機(jī)械系統(tǒng)

該π型臂運(yùn)動機(jī)械系統(tǒng)主要由π型臂擺動裝置、π型臂升降裝置等組成。

2.7.1 π型臂擺動裝置

該裝置的作用：一是檢測鋼瓶縱焊縫時，要將X射線束中心和平板探測器中心調(diào)整到垂直透照角度，同時平板探測器要與縱焊縫平行。二是檢測鋼瓶環(huán)焊縫時，由于透照方式為雙壁單影法，必須將前后面的二條焊縫圖像錯開，同時要消除鋼瓶的封頭和內(nèi)膽對圖像造成的偽影，因此根據(jù)不同直徑鋼瓶設(shè)置不同的傾斜透照角度，設(shè)置傾斜透照角度可通過設(shè)置X射線管偏轉(zhuǎn)角度，同時自動完成平板探測器平移。

鑒于以上二項(xiàng)成像要求，將擺動裝置設(shè)計(jì)為π型臂臂體中部有一個旋轉(zhuǎn)軸，在平板探測器一端有二個鉸鏈及一個十字組合滑塊，在靠近平板探測器一側(cè)采用絲杠傳動，由伺服電機(jī)配精密的行星減速機(jī)驅(qū)動π型臂擺角，可實(shí)現(xiàn)保持平板探測器相對于被檢測鋼瓶的平行運(yùn)動，同時X射線管一端相對于旋轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)角度的設(shè)計(jì)。這個擺動平移機(jī)構(gòu)采用剛性連接，避免分體式運(yùn)動過程中的行程差，X射線束始終對中平板探測器。

2.7.2 π型臂升降裝置

該裝置采取π型臂整體升降（即X射線管和平板探測器同時升降），只有在裝置安裝調(diào)試時需要對中校準(zhǔn)，運(yùn)行過程中不存在行程差異，無須校準(zhǔn)。整個裝置由一臺伺服電機(jī)配精密的行星減速機(jī)驅(qū)動絲杠傳動，可以根據(jù)不同直徑鋼瓶設(shè)置不同的高度。在設(shè)計(jì)中采用自鎖結(jié)構(gòu)保證結(jié)構(gòu)安全可靠，在電機(jī)突然斷電時絲杠絲母可以實(shí)現(xiàn)自鎖，使π型臂不能隨意動［5］。

2.8 X射線防護(hù)房

X射線防護(hù)房有三明治鉛房結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)二種，以上二種防護(hù)形式射線泄漏符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 主要設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

（1）檢測對象：LNG（液化天然氣）車載鋼瓶，公稱壁厚：4～6mm；材質(zhì)：不銹鋼；直徑：400～700mm；總長度：600～2200mm，筒節(jié)長度：500～1500mm；總質(zhì)量：小于300kg。

（2）系統(tǒng)分辨力達(dá)到3.0LP／mm。

測試方法：測試卡放在被檢測LNG鋼瓶焊縫位置處，用小焦點(diǎn)進(jìn)行透照。

（3）實(shí)時成像（RTR）檢測速度大于2.0m／min。

（4）像質(zhì)計(jì)靈敏度在25幀／s、像素200μm條件下1幀靜態(tài)圖像滿足JB4730.2—2005標(biāo)準(zhǔn)的AB級要求。

4 結(jié)論

經(jīng)過使用證明，X射線智能檢測裝置運(yùn)行穩(wěn)定、性能可靠，具有自動化程度高，可靠性好，操作簡單，使用安全，維護(hù)方便特點(diǎn)，大幅提高了企業(yè)的鋼瓶生產(chǎn)檢測效率，降低了勞動強(qiáng)度，保證了產(chǎn)品出廠質(zhì)量，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

［1］中國機(jī)械工程學(xué)會無損檢測分會.射線檢側(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［2］曾祥照，羅佩.X射線實(shí)時成像在焊縫探傷中的應(yīng)用［J］，焊接，2000（1）：29－30.

［3］《機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊》編寫組.機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊［M］，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989：502－524.

［4］徐灝主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：32－80－32－81.

［5］田學(xué)光，常豐吉，田興志，等.數(shù)字減影血管造影系統(tǒng)機(jī)電分系統(tǒng)構(gòu)成原理與可靠性設(shè)計(jì)［J］，機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006（12）：98－100.