電力設(shè)備材料工業(yè)CT無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)研究

李正利，馮云國(guó)，劉 文，陳 聰，尹奎龍

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司物資公司，山東 濟(jì)南 250001）

電力設(shè)備材料工業(yè)CT無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)研究

李正利1，馮云國(guó)1，劉 文1，陳 聰1，尹奎龍2

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司物資公司，山東 濟(jì)南 250001）

為滿(mǎn)足電力設(shè)備無(wú)損檢測(cè)的需求，研究開(kāi)發(fā)了電力設(shè)備工業(yè)CT無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用9MeV射線(xiàn)對(duì)被檢測(cè)工件進(jìn)行透照，通過(guò)X射線(xiàn)在工件中的衰減規(guī)律及分布情況，獲得工件內(nèi)部信息數(shù)據(jù)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖像重建，最終以圖像形式顯示出來(lái)。該系統(tǒng)具有CT掃描、DR掃描、三維成像等功能，檢測(cè)結(jié)果便于存儲(chǔ)、傳輸和分析。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用識(shí)別了大量電力設(shè)備材料內(nèi)部材質(zhì)替換和內(nèi)部缺陷等問(wèn)題，提高了電力設(shè)備物資檢測(cè)能力，促進(jìn)了入網(wǎng)設(shè)備的質(zhì)量提升。

電力設(shè)備；工業(yè)CT；無(wú)損檢測(cè)

0 引言

工業(yè)CT是通過(guò)測(cè)量多視角對(duì)物體特定區(qū)域的射線(xiàn)透照率，經(jīng)數(shù)據(jù)重建獲取該區(qū)域內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像的無(wú)損檢測(cè)方法。其被譽(yù)為21世紀(jì)最佳無(wú)損檢測(cè)技術(shù)之一。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)CT檢測(cè)技術(shù)已在航空、航天、鐵路、石油、國(guó)防軍工等先進(jìn)制造技術(shù)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用［1］，工業(yè)CT也從一種定性的無(wú)損探傷技術(shù)發(fā)展為一種定量測(cè)量手段。

電力設(shè)備材料工業(yè)CT無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)是為了解決變壓器線(xiàn)圈材質(zhì)檢測(cè)以及內(nèi)部缺陷早期發(fā)現(xiàn)而研究開(kāi)發(fā)的，也是工業(yè)CT技術(shù)首次應(yīng)用于我國(guó)電力行業(yè)無(wú)損檢測(cè)。電力行業(yè)設(shè)備材料品種繁多，缺陷表現(xiàn)各異，如鐵塔焊接缺陷、電纜斷裂、連接件缺陷、零配件缺失、組裝缺陷、彈簧斷裂等，傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)方法難以完全滿(mǎn)足檢測(cè)要求。利用電力設(shè)備材料工業(yè)CT無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，可觀察被檢工件的斷層掃描圖像，了解缺陷細(xì)節(jié)，材質(zhì)差異，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)所檢工件的精準(zhǔn)檢測(cè)。

1 系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)

電力設(shè)備材料工業(yè)CT無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)利用電子直線(xiàn)加速器產(chǎn)生的X射線(xiàn)穿過(guò)被測(cè)物體，通過(guò)獲取不同方向X射線(xiàn)穿過(guò)被測(cè)物體前后射線(xiàn)強(qiáng)度的變化數(shù)據(jù)，以雷當(dāng)變換和逆變換為基礎(chǔ)由投影數(shù)據(jù)重建出該物體的二維斷層圖像，圖像的像素位置與物體被掃描端面或區(qū)域位置對(duì)應(yīng)，各像素點(diǎn)灰度值與工件上該點(diǎn)物質(zhì)對(duì)應(yīng)X射線(xiàn)的衰減值（或者密度）成一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而通過(guò)數(shù)字圖像反映被測(cè)物體內(nèi)部的幾何細(xì)節(jié)、材質(zhì)差別及缺陷狀況，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的定性和定量檢測(cè)與分析。電力設(shè)備材料工業(yè)CT無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)采用立式結(jié)構(gòu)布局，采用大底板（基礎(chǔ)平臺(tái)）作為整機(jī)安裝基礎(chǔ)，雙立柱分別為電子直線(xiàn)加速器和探測(cè)器提供支撐及運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，電力設(shè)備材料工業(yè)CT無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)由射線(xiàn)源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、圖像系統(tǒng)、攝像監(jiān)控系統(tǒng)等組成。電力設(shè)備材料工業(yè)CT無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)核心部分是射線(xiàn)源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳輸器系統(tǒng)和圖像系統(tǒng)。

1.1 射線(xiàn)源系統(tǒng)

射線(xiàn)源系統(tǒng)主體是9MeV電子直線(xiàn)加速器，用于產(chǎn)生重復(fù)頻率的高能脈沖X射線(xiàn)，為無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)提供高能、高強(qiáng)度、穩(wěn)定的X射線(xiàn)。射線(xiàn)源系統(tǒng)主要由9MeV電子直線(xiàn)加速器、調(diào)制器、控制器、水冷系統(tǒng)、射線(xiàn)防護(hù)與報(bào)警系統(tǒng)等組成。自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)掃描時(shí)間和空間位置對(duì)電子直線(xiàn)加速器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)加速器、數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的時(shí)空同步協(xié)調(diào)控制。電子直線(xiàn)加速器系統(tǒng)能產(chǎn)生9MeV能量的X射線(xiàn)，焦點(diǎn)不大于 1.5mm，劑量率不低于3000cGy／（min·m），同步脈沖頻率為50~250Hz。

1.2 數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)采用線(xiàn)陣列探測(cè)器，線(xiàn)陣列探測(cè)器由128個(gè)探測(cè)器單元組成，每個(gè)探測(cè)器單元由閃爍晶體、光電二極管和獨(dú)立放大電路構(gòu)成［2］。作為CT系統(tǒng)重要組成部分，數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的性能直接影響整個(gè)CT設(shè)備的圖像指標(biāo)。數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括線(xiàn)性探測(cè)器陣列（LDA）、信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)采集控制單元、數(shù)據(jù)傳輸控制單元、高精度穩(wěn)壓電源、射線(xiàn)與電磁屏蔽箱等。其A／D轉(zhuǎn)換位數(shù)為20 bit，有效動(dòng)態(tài)范圍不低于10 000∶1，傳輸速率不低于 4 Mbit／s。

圖2 數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3 圖像系統(tǒng)

圖像系統(tǒng)由高性能計(jì)算機(jī)、顯示器及圖像處理軟件組成，主要功能是對(duì)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)獲得的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、校正和處理，顯示DR圖像、重建CT圖像或三維圖像及進(jìn)行文件管理，并通過(guò)各種定性和定量分析測(cè)量工具，幫助工作人員對(duì)被檢工件的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析和判斷。

圖像系統(tǒng)配備豐富多樣的處理單元，方便后期數(shù)字圖像的處理和使用，主要處理單元包括數(shù)據(jù)校正、圖像重建、二維圖像處理與顯示、三維圖像處理與顯示、逆向設(shè)計(jì)等［3］。

2 系統(tǒng)功能

電力設(shè)備材料工業(yè)CT無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)具有DR掃描、CT掃描、三維成像功能。

DR掃描功能。在自動(dòng)控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下，數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)、電子直線(xiàn)加速器相對(duì)于放置于轉(zhuǎn)臺(tái)上的被檢工件同步上下移動(dòng)，對(duì)工件進(jìn)行射線(xiàn)掃描，射線(xiàn)穿過(guò)被檢測(cè)工件的信號(hào)數(shù)據(jù)被探測(cè)器采集傳輸，經(jīng)圖像系統(tǒng)進(jìn)行處理后輸出被檢工件投影圖像。DR掃描可實(shí)現(xiàn)對(duì)高度為1 500mm工件的檢測(cè)。配電變壓器DR檢測(cè)如圖3所示。

CT掃描功能。放置于轉(zhuǎn)臺(tái)上的工件隨轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)、電子直線(xiàn)加速器相對(duì)于被檢工件在水平位置相對(duì)固定，對(duì)工件的某一個(gè)斷面進(jìn)行全方位掃描，該斷面的透照信息經(jīng)過(guò)圖像系統(tǒng)的處理后輸出該工件的斷面圖像。其原理如圖4所示，根據(jù)不同工件的檢測(cè)細(xì)節(jié)要求，CT檢測(cè)斷面厚度可在0.5~3mm范圍內(nèi)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)直徑為650mm工件的III代掃描及直徑為1 500mm工件的II代掃描。

圖3 配電變壓器DR檢測(cè)

圖4 斷層掃描CT成像示意圖

三維成像功能。對(duì)工件某一部位或全部體積依次進(jìn)行CT掃描，對(duì)所得數(shù)據(jù)通過(guò)圖像系統(tǒng)進(jìn)行處理，得到由多層CT圖像疊加組合而形成的立體圖像。可通過(guò)立體圖像觀察工件幾何結(jié)構(gòu)，獲取工件缺陷形狀、位置及尺寸等信息。結(jié)合密度分析技術(shù)來(lái)確定缺陷性質(zhì)，進(jìn)行空間定位、深度定量。

電力設(shè)備材料工業(yè)CT無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)具有圖像清晰、檢測(cè)精度高等特點(diǎn)。參照GB／T29069—2012《無(wú)損檢測(cè) 工業(yè)計(jì)算機(jī)層析成像（CT）系統(tǒng)性能測(cè)試方法》，其主要性能指標(biāo)空間分辨率達(dá)到2.5LP／mm，相對(duì)密度分辨率為0.3％，DR靈敏度為0.8％，幾何尺寸測(cè)量精度達(dá)到0.05mm。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 配電變壓器線(xiàn)圈材質(zhì)檢測(cè)

對(duì)某公司配變?cè)O(shè)備的抽樣檢測(cè)中，發(fā)現(xiàn)一些質(zhì)量問(wèn)題，如直阻不合格、損耗超標(biāo)、溫升超標(biāo)等。通過(guò)配變解體發(fā)現(xiàn)少數(shù)供應(yīng)商為降低生產(chǎn)成本，將招標(biāo)文件中明確要求的配電變壓器銅線(xiàn)繞組以鋁線(xiàn)代替。采用拆解方式對(duì)配電變壓器進(jìn)行檢驗(yàn)，成本高，效率低，無(wú)法形成一種常規(guī)的檢測(cè)方法辨別繞組材質(zhì)。由于鋁、銅及硅鋼芯柱材質(zhì)密度不同，銅與硅鋼密度相仿，鋁密度明顯低于銅與硅鋼，密度不同物質(zhì)對(duì)射線(xiàn)吸收系數(shù)不同，射線(xiàn)照相后得到的圖像灰度不同。通過(guò)基于高能量射線(xiàn)CT檢測(cè)裝置對(duì)配電變壓器的DR檢測(cè)圖像，可觀察繞組圖像灰度變化判斷其材質(zhì)。如圖5（a）所示，低壓繞組灰度明顯低于高壓繞組及硅鋼芯柱灰度，可判斷低壓繞組材質(zhì)為鋁，高壓繞組材質(zhì)為銅；如圖5（b）所示，低壓繞組與高壓繞組圖像灰度明顯低于硅鋼芯柱灰度，并且可以看到變壓器背部導(dǎo)線(xiàn)影像，由此可以判斷高、低壓繞組皆為鋁材制造。采用電力設(shè)備材料工業(yè)CT無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)DR檢測(cè)模塊，在不破壞變壓器的情況下，對(duì)144臺(tái)配電變壓器進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)繞組材質(zhì)以鋁代銅變壓器10臺(tái)。通過(guò)檢測(cè)有效地避免了違規(guī)配變產(chǎn)品在電力生產(chǎn)中的應(yīng)用。

圖5 變壓器繞組以鋁代銅DR檢測(cè)圖像

3.2 發(fā)電設(shè)備管道焊縫內(nèi)部缺陷分析

隨著發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量的不斷增大，機(jī)組參數(shù)不斷提高，超臨界、超超臨界鍋爐成為現(xiàn)今發(fā)電設(shè)備熱源提供的主力，鍋爐管道采用新型高強(qiáng)耐熱鋼厚壁管制造，焊接缺陷嚴(yán)重威脅著發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行，對(duì)焊接工藝研究提出了更高的要求。通過(guò)對(duì)焊縫內(nèi)部缺陷類(lèi)型的準(zhǔn)確判斷，可以分析焊接缺陷的形成原因，優(yōu)化焊接工藝。而對(duì)于厚壁設(shè)備的密集型焊接缺陷，尤其一些細(xì)小的密集型缺陷，采用常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)手段無(wú)法對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)。采用工業(yè)CT無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，可以較清楚地觀測(cè)焊縫內(nèi)部缺陷形狀，分析缺陷類(lèi)型。圖6為某電廠(chǎng)P92材質(zhì)的鍋爐管道取樣檢測(cè)焊層缺陷CT圖像（管道壁厚為106mm），可以清楚地觀察到焊縫內(nèi)部夾渣及細(xì)小裂紋，經(jīng)過(guò)測(cè)量，此斷面檢測(cè)出尺寸2~4mm的夾渣及裂紋多處。通過(guò)對(duì)焊接缺陷的精確檢測(cè)，可為焊接工藝制定及焊接過(guò)程質(zhì)量控制提供有力的數(shù)據(jù)支持。

圖6 鍋爐管道焊接接頭取樣管內(nèi)部缺陷分布

3.3 盆式絕緣子檢測(cè)

盆式絕緣子是GIS中的重要部件，主要起到固定母線(xiàn)和母線(xiàn)的插接式觸頭、母線(xiàn)對(duì)地和相間（共箱式結(jié)構(gòu)）的絕緣及密封作用。盆式絕緣子采用環(huán)氧樹(shù)脂及其他添加材料，在高真空下澆鑄而成，內(nèi)部不能有氣泡和裂紋等缺陷。多采用射線(xiàn)工業(yè)電視檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)，但無(wú)法確定缺陷的準(zhǔn)確澆鑄位置。通過(guò)電力設(shè)備材料工業(yè)CT無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，可采用三維成像技術(shù)，對(duì)GIS絕緣子內(nèi)部缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)GIS絕緣子內(nèi)部氣孔、縫隙的定位與尺寸測(cè)量。圖7、圖8為GIS絕緣子15層1mm斷層厚度CT數(shù)據(jù)建立的三維圖像，圖中可觀察人工孔狀缺陷位置及形狀，由圖7可測(cè)量出孔徑Ф5mm缺陷徑向長(zhǎng)度為15mm，由圖8可測(cè)量出此缺陷軸向長(zhǎng)度為14mm。

圖7 盆式絕緣子三維徑向觀測(cè)圖

圖8 盆式絕緣子三維軸向觀測(cè)圖

4 結(jié)語(yǔ)

電力設(shè)備材料工業(yè)CT檢測(cè)系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)應(yīng)用于電力設(shè)備材料的無(wú)損檢測(cè)設(shè)備，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能指標(biāo)高，檢測(cè)能力強(qiáng)，技術(shù)手段先進(jìn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)用，發(fā)現(xiàn)了多種設(shè)備缺陷，提高了電力部門(mén)物資檢測(cè)水平，促進(jìn)了行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量提升。但電力設(shè)備材料具有多樣性，檢測(cè)要求千差萬(wàn)別，如何利用工業(yè)CT檢測(cè)設(shè)備，達(dá)到對(duì)不同電力設(shè)備材料的檢測(cè)要求，還需要不斷總結(jié)，在實(shí)踐中探索最佳的檢測(cè)工藝，以達(dá)到理想的檢測(cè)效果，服務(wù)于電力生產(chǎn)。

［1］ 張朝宗，郭志平，張朋，等.工業(yè) CT技術(shù)和原理［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

［2］ 王玨，譚輝，黃亮，等.工業(yè)CT用數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2009，30（4）：722-727.

［3］ 段黎明，劉元寶，吳志芳，等.基于工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)的三維 CAD 模型重構(gòu)方法［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2009，15（3）：479-486.

［4］ 全國(guó)無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).無(wú)損檢測(cè) 工業(yè)計(jì)算機(jī)層析成像（CT）系統(tǒng)性能測(cè)試方法：GB／T29069—2012［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013：2-20.

Research on Nondestructive Testing System of Industrial CT in Power Equipment Material

LI Zhengli1，F(xiàn)ENG Yunguo1，LIU Wen1，CHEN Cong1，YIN Kuilong2
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.State Grid Shandong Electric Power Materials Company，Jinan 250001，China）

In order to meet the demand of nondestructive testing of power equipment，the industrial CT nondestructive testing system for power equipment is developed.The system uses the 9MeV X-ray transillumination on the workpiece to be tested.Through the attenuation pattern and distribution of X-ray in the workpiece，the internal information of the workpiece is obtained.The data obtained is processed and the visualized by the computer.The system has functions of CT scanning，DR scanning and 3D imaging.The results are easy to store，transmit and analyze.In the industrial practice，a lot of problems such as the replacement of internal material and internal defects of power equipment materials are identified，which improved the ability of the fault detection on power equipment thus the quality of network equipment.

power equipment；industrial CT；nondestructive testing

TG115.28

：A

：1007－9904（2017）07－0039－04

2017-02-21

李正利（1969），男，工程師，從事電力生產(chǎn)金屬監(jiān)督與電力設(shè)備無(wú)損檢測(cè)工作。