基于X射線連續(xù)源的數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

鞏德興，姚　力，路　君，賴德明,李振梅

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心， 綿陽 621000)

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基于X射線連續(xù)源的數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

鞏德興，姚力，路君，賴德明,李振梅

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心， 綿陽 621000)

由于儲(chǔ)存特種燃料的壓力管道常年在苛刻條件下運(yùn)行，容易發(fā)生腐蝕穿孔和泄漏事故，引發(fā)嚴(yán)重危害和環(huán)境污染?；谶B續(xù)X射線源透照，分析了此類管道腐蝕缺陷數(shù)字成像檢測(cè)方法。通過大量的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用表明：該方法適合特種燃料壓力管道的腐蝕缺陷檢查，可以對(duì)管道內(nèi)表面的腐蝕情況進(jìn)行快速抽查，是此類管道腐蝕狀態(tài)巡查的有效手段。

壓力管道；X射線連續(xù)源；數(shù)字射線

作為航天器能源輸送的重要通道，特種燃料壓力管道由于介質(zhì)特殊，工況惡劣，容易產(chǎn)生針孔腐蝕、凹坑腐蝕、帶狀腐蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力裂紋等缺陷，嚴(yán)重時(shí)甚至腐蝕穿孔導(dǎo)致泄漏，引發(fā)環(huán)境污染。過去對(duì)這些在用帶保溫層的特種燃料壓力管道的內(nèi)部檢測(cè),主要采用傳統(tǒng)的射線膠片照相法，存在檢測(cè)成本高、檢測(cè)效率低、膠片長(zhǎng)期儲(chǔ)存困難和不利于數(shù)字建檔等缺點(diǎn)。后來引進(jìn)了平板數(shù)字成像檢測(cè)系統(tǒng)，其中X射線透照設(shè)備配置的是脈沖源。雖然其射線管焦點(diǎn)較小，在一定條件下可獲得更高清晰度的透照影像，但其穿透力較弱，電池連續(xù)工作時(shí)間較短，且射線穿透能力隨電池蓄電量的減少而急劇下降;即使相同規(guī)格的承壓設(shè)備，在透照過程中也需要不斷地調(diào)整透照參數(shù)，工作效率低，無法完成更大壁厚范圍、工期要求更短的壓力管道檢驗(yàn)檢測(cè)任務(wù)。

與脈沖源相比，連續(xù)X射線源突出的優(yōu)點(diǎn)是連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)，不需頻繁調(diào)整工藝透照參數(shù)，且穿透能力比脈沖源強(qiáng)得多，可以解決標(biāo)配的脈沖源目前不能解決的問題。但目前所有的連續(xù)X射線源與數(shù)字實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)并不配套，還需解決信號(hào)采集與射線透照的同步聯(lián)動(dòng)與控制問題;此外，連續(xù)X射線源的焦點(diǎn)尺寸較大，透照影像的幾何不清晰度也較大。因此，如何在提高X射線源穿透能力的同時(shí)，通過調(diào)整射線透照布置和優(yōu)化工藝參數(shù)，使透照影像的檢測(cè)靈敏度滿足要求，成為急迫解決的技術(shù)問題。筆者基于連續(xù)X射線源透照，分析了特種燃料壓力管道腐蝕缺陷數(shù)字成像檢測(cè)方法。

1　方法論述

1.1數(shù)字射線成像檢測(cè)的基本原理

數(shù)字射線檢測(cè)(Digital radiography，DR)主要采用直接數(shù)字化射線檢測(cè)技術(shù)， 通過平板探測(cè)器(Flat Plane Detector)將X射線能量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，DR檢測(cè)系統(tǒng)的基本組成包括射線源、輻射探測(cè)器、圖像顯示與處理單元。平面探測(cè)器的特性會(huì)對(duì)數(shù)字射線圖像質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響。

1.2非晶硅輻射探測(cè)器構(gòu)成及探測(cè)器轉(zhuǎn)換原理

非晶硅輻射探測(cè)器包括閃爍體層、非晶硅層(光電二極管陣列)、薄膜晶體管陣列(TFT)、電路。碘化銫閃爍體層由連續(xù)排列的針狀碘化銫晶體構(gòu)成，針狀結(jié)構(gòu)能夠聚集散射光，可以有效抑制散射，從而改善探測(cè)器的調(diào)制調(diào)解(MTF)特性和量子探測(cè)效率[1]。

非晶硅輻射探測(cè)器射線轉(zhuǎn)換原理為：入射X射線激發(fā)閃爍體層，閃爍體層將輻射轉(zhuǎn)換為熒光，熒光被傳輸?shù)蕉O管非晶硅陣列，非晶硅將熒光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)再被傳送到光電二極管陣列的相應(yīng)的薄膜晶體管陣列(TFT)，在TFT的各電容單元形成儲(chǔ)存電荷;電荷由讀出電路按順序讀出，形成數(shù)字信號(hào)[2]。信號(hào)強(qiáng)度取決于物質(zhì)(試件)的衰減系數(shù)和射線在物質(zhì)中的穿透厚度，如果被透照物體存在缺陷，缺陷處與正常部位射線衰減程度不同，射線透過后強(qiáng)度就會(huì)與周圍產(chǎn)生差異，通過成像控制處理單元(CDU)來記錄這種差異。

2　試驗(yàn)過程與結(jié)果

2.1試驗(yàn)用對(duì)比試件

為保證儀器調(diào)試的穩(wěn)定性和檢測(cè)結(jié)果的可比性，檢測(cè)系統(tǒng)調(diào)試采用人工缺陷試件(圖1)，材料均為16MnR，試件相鄰部位人工缺陷尺寸呈數(shù)列變化。

圖1　人工缺陷試塊外觀

2.2試驗(yàn)儀器

檢測(cè)采用以色列Vidisco生產(chǎn)的平板DR檢測(cè)系統(tǒng)，其中成像板型號(hào)為Fox-Rayzor，為非晶硅陣列結(jié)構(gòu)，厚度13 mm，成像區(qū)域尺寸為228 mm×215 mm，動(dòng)態(tài)范圍14 bit(16 384灰度)，分辨率為3.5 lp/mm，透照設(shè)備分別采用標(biāo)配XRS-3脈沖射線源(圖2(a))和比利時(shí)生產(chǎn)的SITE-XC2005OEX/5連續(xù)射線源(圖2(b))。脈沖源額定管電壓270 kV，脈沖寬度60 ns，焦點(diǎn)尺寸3 mm；連續(xù)源額定管電壓200 kV，額定管電流5 mA，焦點(diǎn)尺寸3 mm。

圖2　脈沖射線源與連續(xù)射線源透照裝置外觀

2.3試驗(yàn)步驟

準(zhǔn)備好試驗(yàn)用對(duì)比試件，用階梯試件模擬帶狀腐蝕缺陷，用孔型試件模擬凹坑腐蝕缺陷，調(diào)試好數(shù)字檢測(cè)成像系統(tǒng)，依次采用脈沖X射線源、連續(xù)X射線源，對(duì)試件進(jìn)行不同工藝參數(shù)的射線透照。其中,采用連續(xù)源必須控制好透照曝光時(shí)間，既要防止曝光時(shí)間過長(zhǎng)而加速成像板老化，影響成像板使用壽命，又要防止曝光時(shí)間過短，導(dǎo)致透照影像失效;故應(yīng)保證曝光時(shí)間剛好完全覆蓋數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)成像板系統(tǒng)的圖像采集時(shí)間。分別記錄各次的檢測(cè)情況，最后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析。

2.4試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)階梯試件和孔型試件，采用相同的透照布置和透照焦距，在設(shè)定條件進(jìn)行了數(shù)字射線成像檢測(cè)，其中階梯試件檢測(cè)結(jié)果如表1所示,表中最大灰度是指人工缺陷影像近中心區(qū)域的灰度測(cè)量值(采用與膠片黑度相類似的極性方式),其中部位1至部位6分別為階梯試塊上厚度為2.5,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0 mm的不同區(qū)域?？仔驮嚰耐刚赵囼?yàn)結(jié)果見圖3。

表1　階梯試塊的檢測(cè)結(jié)果

圖3　孔型試塊的脈沖射線源與連續(xù)射線源透照試驗(yàn)對(duì)比

根據(jù)相關(guān)研究[3-4]及對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：采用連續(xù)源透照與采用脈沖源透照得到的數(shù)字射線影像，像質(zhì)計(jì)靈敏度均可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4730.2-2005《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第二部分:射線檢測(cè)》膠片法AB級(jí)要求；采用連續(xù)源時(shí)，不同厚度透照影像相鄰區(qū)域的最大灰度差較脈沖源略小，且影像存在更明顯的明暗相間條紋；采用多幀疊加技術(shù)后，采用連續(xù)源透照與脈沖源透照所得到的數(shù)字射線影像灰度均勻性均得到顯著改善，影像質(zhì)量幾乎沒有差異。對(duì)比數(shù)字檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果,可初步看出：通過優(yōu)化透照布置和檢測(cè)工藝，采用連續(xù)源透照對(duì)帶狀腐蝕缺陷和凹坑腐蝕缺陷均可有效檢出。同傳統(tǒng)射線膠片法不能通過黑度測(cè)量實(shí)現(xiàn)一定精度缺陷自高檢測(cè)一樣，階梯試塊上相鄰區(qū)域相同厚度差(均為0.5 mm)，其對(duì)應(yīng)的影像灰度差值并不相同,也就是說，通過灰度值來確定沿透照方向腐蝕缺陷自身高度，從而實(shí)現(xiàn)定量精度滿足要求的設(shè)想，目前仍然存在一定的困難。受試驗(yàn)對(duì)比試件類型和尺寸、人工缺陷種類和規(guī)格、工藝參數(shù)優(yōu)化程度和檢測(cè)樣本等因素限制，試驗(yàn)得到的結(jié)果的代表性還不強(qiáng)，還未能得到連續(xù)源透照對(duì)不同形態(tài)腐蝕缺陷(如縫隙腐蝕、針孔腐蝕等)與脈沖源透照在數(shù)字射線影像質(zhì)量、缺陷檢出率等方面的數(shù)據(jù)。

圖4　不同缺陷的檢測(cè)示例圖片

分析可知，基于連續(xù)X射線源的數(shù)字成像檢測(cè)對(duì)特種燃料壓力管道凹坑腐蝕和帶狀腐蝕缺陷均有較高的檢出能力，可以邊檢測(cè)邊實(shí)時(shí)觀察壓力管道內(nèi)表面的腐蝕影像，作為特種燃料壓力管道腐蝕缺陷快速檢測(cè)的有效手段。

4　結(jié)論

(1) 采用連續(xù)源進(jìn)行X射線數(shù)字成像檢測(cè)，具有更強(qiáng)的穿透能力，檢測(cè)效率高，可檢測(cè)壓力管道的范圍也更廣。檢測(cè)靈敏度與采用連續(xù)源檢測(cè)法相當(dāng)，均可達(dá)到JB/T 4730.2-2005膠片法AB級(jí)的水平;分辨率與采用脈沖源法大致相當(dāng)，略低于膠片法，基本滿足GB/T 17925-2011《氣瓶對(duì)接焊縫X射線數(shù)字成像檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2) 數(shù)字射線檢測(cè)影像寬容度大，適合檢測(cè)截面變化較大的缺陷(如腐蝕等)，圖像清晰，缺陷易于識(shí)別，可有效檢出壓力管道凹坑腐蝕和帶狀腐蝕等缺陷;并且檢測(cè)速度快(不用拆卸保溫層)，提高了檢測(cè)效率，是特種燃料壓力管道定期檢驗(yàn)中值得進(jìn)一步深入研究和推廣應(yīng)用的射線檢測(cè)新技術(shù)。

[1]桂朝偉,唐曉薇,翠俊鵬,等.碘化銫非晶硅平板探測(cè)器的原理及應(yīng)用[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備，2009(6):10-13.

[2]巨西民,蔣中印,蘭川,等.埋弧焊鋼管焊縫DR檢測(cè)機(jī)理及應(yīng)用 [J].無損檢測(cè)，2014，36(10):29-77.

[3]鄒益平.DR檢測(cè)與常規(guī)X射線檢測(cè)對(duì)比研究[C].遠(yuǎn)東無損檢測(cè)新技術(shù)論壇.成都:[出版者不詳],2014.

[4]熊麗華.DR技術(shù)與RT膠片法裂紋檢出對(duì)比試驗(yàn)研究[C].遠(yuǎn)東無損檢測(cè)新技術(shù)論壇.成都:[出版者不詳],2014(6):213-204.

3　檢測(cè)應(yīng)用

為縮短檢修時(shí)間，在前期對(duì)比試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用連續(xù)源透照對(duì)帶保溫層的特種燃料壓力管道進(jìn)行了X射線檢測(cè)，如圖4所示。

通過對(duì)數(shù)字成像透照現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的情況進(jìn)行初步

The Application of DR Detection Technique Based on Continuous X-Ray

GONG De-xing， YAO Li， LU Jun， LAI De-ming， LI Zhen-mei

(China Aerodynamics Research and Development Center， Mianyang 621000, China)

The special type of fuel pressure pipeline was always operated in harsh condition. Corrosion perforation occurs frequently and the leakage hazardous medium is easy to cause serious disaster and environment pollution. In this paper，digital radiographic corrosion imaging technique on the pipeline was researched. Practical application showed that the method for the special type of fuel of pressure pipeline of large area scanning was a fast way，and it was an effective means for the pipeline corrosion detection.

Pressure pipeline； Continuous spectum X-ray； Digital radiography

2015-05-28

鞏德興(1964-)，男，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事承壓設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)及相關(guān)技術(shù)應(yīng)用研究。

10.11973/wsjc201510004

TG115.28

A

1000-6656(2015)10-0013-03