基于CR 技術(shù)的鋼管壁厚測(cè)量工藝研究

伍晶晶 ， 張士晶 ， 陳 華 ， 張小海 ， 冉龍宏 ， 鄔冠華 ， 高鴻波 ,*

（1. 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（南昌航空大學(xué)），南昌 330063；2. 中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽(yáng) 621999；3. 重慶天驕航空動(dòng)力有限公司，重慶 401120）

0 引言

近年來(lái)，石油天然氣泄漏、液氨管道爆炸事故頻頻發(fā)生，嚴(yán)重威脅到企業(yè)和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，如何保證特種設(shè)備管道的質(zhì)量安全逐漸成為我國(guó)安全生產(chǎn)的重要課題[1-2]。特種設(shè)備壓力容器管道如果發(fā)生腐蝕減薄，其受力截面減小，存在發(fā)生災(zāi)難性失效的風(fēng)險(xiǎn)，是潛在的事故隱患，因此進(jìn)行壓力容器管道壁厚無(wú)損檢測(cè)，對(duì)其腐蝕情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在防止災(zāi)難性事故，保護(hù)國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)安全上意義重大。利用傳統(tǒng)的膠片射線照相技術(shù)，通過(guò)控制相應(yīng)的檢測(cè)工藝參數(shù)，可以使膠片黑度的變化與材料透照厚度呈線性關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)厚度測(cè)量[3]。隨著科技的不斷發(fā)展，為有效解決常規(guī)射線拍片檢測(cè)周期長(zhǎng)、重拍率高、膠片保管困難，對(duì)環(huán)境不友好等難題，能顯著提高檢測(cè)的及時(shí)性和有效性的數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)成為射線檢測(cè)發(fā)展的主要方向[4-7]。

目前所有的數(shù)字射線成像技術(shù)中，計(jì)算機(jī)射線照相（Computed Radiography，CR）技術(shù)盡管在成像機(jī)理和圖像的評(píng)價(jià)方式與傳統(tǒng)膠片照相技術(shù)有著本質(zhì)區(qū)別，但其透照方式，透照布置，透照參數(shù)控制等適應(yīng)性方面與膠片技術(shù)極為一致，不需要更換或改造射線設(shè)備，不需要特殊的工裝，其探測(cè)器-成像板(Image Plate，IP)的物理性質(zhì)也類(lèi)似膠片，可根據(jù)實(shí)際檢測(cè)的對(duì)象進(jìn)行彎曲并分割成不同尺寸和形狀，在使用膠片的場(chǎng)所均可用IP 板來(lái)替代[4]。因此，CR 對(duì)現(xiàn)有的射線檢測(cè)系統(tǒng)的改造成本是最低的，其初始投資相對(duì)較少，可以使企業(yè)獲得比較滿(mǎn)意的投資收益，是現(xiàn)階段最有希望的膠片替代技術(shù)[5]。

在檢測(cè)管道腐蝕程度以及壁厚監(jiān)測(cè)方面，與其他數(shù)字射線成像技術(shù)相比，CR 技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，其不受射線能量的限制，可以在任何曝光電壓下透照，對(duì)壁厚較大的壓力容器也可以保證足夠的射線穿透能力完成檢測(cè)；可以很方便地使用鉛增感屏，從而減少散射和提高對(duì)比度；IP 板柔軟，可彎曲，便于貼合檢測(cè)對(duì)象幾乎沒(méi)有額外增加的幾何不清晰度并且很容易獲得周向數(shù)字圖像，非常適合壓力管道等曲面對(duì)象的在役檢測(cè)。使用CR 技術(shù)及相關(guān)厚度測(cè)量軟件，不僅可以顯著縮短企業(yè)停產(chǎn)時(shí)間，極大減少事故或故障損失，而且可以快速準(zhǔn)確地了解管道的狀況，將故障杜絕于萌芽狀態(tài)，可大大提高特種設(shè)備管道乃至企業(yè)的運(yùn)行效率[6-7]。因此，本研究自制16MnR 鋼階梯試塊和管道試樣，通過(guò)對(duì)試樣進(jìn)行檢測(cè)，分析檢測(cè)精確性，擬對(duì)管道的檢測(cè)提供參考。

1 CR 檢測(cè)原理和理論依據(jù)

CR 是在工業(yè)射線檢測(cè)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，成像的工作過(guò)程主要由X 射線曝光和讀取IP 板潛影兩部分組成[8]。曝光過(guò)程與傳統(tǒng)射線膠片照相技術(shù)基本一致。當(dāng)射線束透過(guò)被檢測(cè)工件時(shí)，由于被檢測(cè)工件對(duì)射線的吸收和散射，使射線強(qiáng)度發(fā)生衰減?？紤]到工業(yè)檢測(cè)常用的X 射線是多色連續(xù)譜，因此射線穿透物質(zhì)后初始射強(qiáng)度的降低可以用Beer 的吸收定律[9]來(lái)表示：

式中：μ 為射線穿過(guò)單位厚度物質(zhì)時(shí)的線衰減系數(shù)；t 為物體的厚度；I 為射線透射后的強(qiáng)度；I0為入射射線強(qiáng)度。對(duì)于給定的材料，線衰減系數(shù)強(qiáng)烈地依賴(lài)于射線光子能量，因此寫(xiě)成光子能量E 的函數(shù)形式μ(E)。在射線源能譜和材料都給定的情況下，通過(guò)引入等效衰減系數(shù)μeff，將多色連續(xù)譜線看做與之衰減規(guī)律相同的單色譜處理，因此可將式(1)改寫(xiě)為：

其中，B 是與散射相關(guān)的系數(shù)，稱(chēng)為累積因子，與射線能量、材料類(lèi)型和材料厚度相關(guān)[10]。

CR 成像技術(shù)與膠片照相技術(shù)區(qū)別在于探測(cè)器成像機(jī)理不同。經(jīng)過(guò)工件衰減后，記錄被檢材料內(nèi)部信息的射線以不同的強(qiáng)度照射在數(shù)字成像板(IP)上，衰減程度與其所經(jīng)過(guò)的工件各部位的厚度、結(jié)構(gòu)及缺陷（即密度變化）等因素有關(guān)。IP 板中熒光物質(zhì)內(nèi)部晶體的電子被激勵(lì)并被俘獲到一個(gè)較高的能帶（半穩(wěn)態(tài)或更高能量的狀態(tài)），從而獲取一幅與被檢工件相關(guān)的射線強(qiáng)度分布圖，形成潛在影像（光激發(fā)熒光中心）即射線影像信息圖。將已形成潛影的成像板置入掃描儀內(nèi)用激光束對(duì)其進(jìn)行掃描，在氦-氖紅色激光激發(fā)下（激光能量釋放被俘獲的電子），光激發(fā)射熒光中心的電子將返回它們的初始能級(jí)，同時(shí)以發(fā)射藍(lán)色可見(jiàn)光的形式釋放能量，這種光發(fā)射的強(qiáng)度與原來(lái)接收的射線劑量成正比，成像板發(fā)射熒光的量與用于一次激發(fā)的射線量在一定范圍內(nèi)具有良好的線性。光導(dǎo)材料收集藍(lán)色可見(jiàn)光并將其導(dǎo)入光電倍增管，經(jīng)放大并轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)后，進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，變成可轉(zhuǎn)譯為數(shù)字圖像的數(shù)碼流，該數(shù)碼流輸入計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存，成為初始數(shù)字化的射線照相灰度圖像，最后CR 數(shù)字圖像發(fā)送到工作站，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)片與診斷。

2 檢測(cè)參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)CR 測(cè)厚原理，需要針對(duì)所檢對(duì)象以及按照特種設(shè)備檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.11—2015 規(guī)定的檢測(cè)技術(shù)等級(jí)，對(duì)生成的數(shù)字圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，以確定最佳透照參數(shù)。涉及：1）測(cè)量IP 板對(duì)X 射線輻射的響應(yīng)關(guān)系即灰度與厚度隨曝光劑量的變化關(guān)系，找出其用于厚度測(cè)量的線性響應(yīng)范圍；2）對(duì)生成的數(shù)字圖像質(zhì)量即歸一化信噪比和空間分辨率進(jìn)行評(píng)價(jià)確保檢測(cè)參數(shù)可以滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求的檢測(cè)技術(shù)等級(jí)。

2.1 成像板對(duì)輻射劑量的響應(yīng)關(guān)系

試驗(yàn)主要針對(duì)特種設(shè)備管道進(jìn)行研究，使用與檢測(cè)管材相同的16MnR 鋼階梯試塊，階梯共14 級(jí)，相鄰階梯厚度為1 mm。根據(jù)階梯厚度選擇以下透照參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)：射線源到IP 板的距離為1 m，曝光量為5 mA×2 min，管電壓分別為130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230 kV。試驗(yàn)采用的CR 系統(tǒng)以及掃描參數(shù)如表1 所示。

表 1 CR 檢測(cè)系統(tǒng)及掃描參數(shù)Table 1 CR system and scanning parameters

在不同管電壓下透照階梯試塊，測(cè)量每個(gè)臺(tái)階的平均灰度值（框住中心區(qū)域取平均值）。根據(jù)測(cè)量值得到不同電壓下的灰度-厚度關(guān)系擬合曲線如圖1 所示。

圖 1 不同電壓下厚度-灰度擬合曲線圖Fig.1 Thickness-gray fitting curve at different voltages

由圖1 可知，曲線從整體上大致分為非線性區(qū)和線性區(qū)。射線透照厚度較小時(shí)，曝光量過(guò)大導(dǎo)致IP 板灰度飽和，曲線均呈現(xiàn)與x 軸平行的特點(diǎn)。隨著厚度的增大，厚度與灰度呈現(xiàn)出大致的線性關(guān)系。當(dāng)透照厚度較大時(shí)，曲線又呈現(xiàn)出由散射效應(yīng)主導(dǎo)的非線性特點(diǎn)。在IP 板響應(yīng)的線性區(qū)，對(duì)同一管電壓所對(duì)應(yīng)的曲線，兩個(gè)不同的透照厚度區(qū)間所對(duì)應(yīng)的灰度對(duì)比度基本上相同。很顯然，增加射線能量即提高管電壓將使曲線梯度減小，線性灰度區(qū)變窄，不利于厚度準(zhǔn)確測(cè)量。因此，為了提高檢測(cè)精度，需要對(duì)透照參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以保證數(shù)字圖像上被檢工件的測(cè)量區(qū)平均灰度處于線性區(qū)，本研究采用的各管電壓下，數(shù)字圖像上試塊灰度線性區(qū)大約在20 000～40 000 之間，即最大灰度值的40%～80%，這基本上達(dá)到了NB/T 47013.11—2015 規(guī)定的檢測(cè)技術(shù)等級(jí)AB級(jí)20%～80%的要求。

射線能量即管電壓的大小會(huì)影響到灰度線性區(qū)的范圍和檢測(cè)靈敏度，進(jìn)而影響厚度測(cè)量的精度，所以，必須根據(jù)透照厚度和檢測(cè)對(duì)象的數(shù)字圖像質(zhì)量結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)等級(jí)要求對(duì)管電壓進(jìn)行合理的選擇。

2.2 曝光參數(shù)優(yōu)化

2.2.1 射線能量選擇

適宜的灰度可以保證高的數(shù)字圖像質(zhì)量，從而在比較高的對(duì)比度和靈敏度條件下檢測(cè)以提高精度。本研究中，將所用CR 系統(tǒng)的最大灰階的50%即25 000 作為灰度基準(zhǔn)，利用圖1 的擬合曲線確定出灰度在25 000 時(shí)各管電壓下的透照厚度值，將得到的厚度數(shù)據(jù)與管電壓進(jìn)行非線性曲線擬合，擬合曲線如圖2 所示。

圖 2 灰度為25 000 時(shí)厚度-電壓擬合曲線Fig.2 Thickness-voltage fitting curve with gray scale of 25 000

為了驗(yàn)證本研究中所提方法的可行性，選擇3 根標(biāo)稱(chēng)壁厚不同鋼管做為驗(yàn)證對(duì)象，壁厚分別為4.0、5.0、5.5 mm。采用雙壁單影的垂直透照方式，實(shí)際透照的厚度為2 倍管壁厚度，即8、10、11 mm。

根據(jù)圖2，針對(duì)不同壁厚的3 個(gè)樣品選擇的透照電壓如表2 所示。透照后樣品數(shù)字圖像如圖3所示，圖中標(biāo)記并顯示出了檢測(cè)對(duì)象感興趣區(qū)域的位置、面積、灰度平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。

表 2 3 個(gè)樣品的透照管電壓Table 2 Transmitting tube voltage of three samples

圖 3 3 根鋼管不同透照條件下的數(shù)字圖像Fig.3 Digital radiogram of three pipe samples at different exposure conditions

通過(guò)試驗(yàn)得到3 個(gè)樣品的數(shù)字圖像中感興趣區(qū)域的平均灰度值如表3 所示。由表3 可知，管電壓為140、170、190 kV 時(shí)灰度值均接近25 000，圖像對(duì)比度良好，曝光參數(shù)的選擇比較合適。需進(jìn)一步根據(jù)NB/T 47013.11—2015 評(píng)價(jià)3 個(gè)樣品在所采用的曝光參數(shù)下獲取的數(shù)字圖像其圖像質(zhì)量滿(mǎn)足的檢測(cè)技術(shù)等級(jí)。

表 3 圖像感興趣區(qū)域的平均灰度值Table 3 Mean pixel intensity values on regions of interest

2.2.2 空間分辨率

圖像空間分辨率采用雙線型像質(zhì)計(jì)進(jìn)行測(cè)定，像質(zhì)計(jì)置于源側(cè)與檢測(cè)樣品材質(zhì)和透照厚度相同的對(duì)比試塊上與IP 板掃描方向大致成2°～5°。在樣品所采用的曝光參數(shù)下，雙絲像質(zhì)計(jì)的數(shù)字圖像如圖4 所示。在圖像上雙線像質(zhì)計(jì)的識(shí)別根據(jù)NB/T 47013—2015 第11 章附錄C 的瑞利判據(jù)[11]。

圖 4 不同電壓時(shí)的雙線型像質(zhì)計(jì)數(shù)字圖像Fig.4 Duplex wire image quality indicator digital image at different exposure conditions

圖5 為雙線型像質(zhì)計(jì)可識(shí)別率圖。根據(jù)圖5，在能夠清晰地分辨最細(xì)絲對(duì)的影像處，按式(3)計(jì)算絲的可識(shí)別率R[12]：

式中：ΔGV 為可分辨的最細(xì)線對(duì)灰度差；BGV 為背景灰度。要求滿(mǎn)足R＞20%，即滿(mǎn)足邊緣分離大于20%的要求，則這一線對(duì)可識(shí)別。雙線型像質(zhì)計(jì)圖像中第一組不大于20%的線對(duì)，即為最小分辨率。

圖 5 雙線型像質(zhì)計(jì)可識(shí)別率圖Fig.5 Duplex wire image quality indicator recognizable rate

用圖像處理軟件ImageJ 讀取圖4 數(shù)字圖像中雙線型像質(zhì)計(jì)的灰度值，得到的灰度曲線如圖6所示。由圖6 可以得到，140 (8 mm)、170 (10 mm)、190 (11 mm) kV 時(shí)D9、D9、D8 號(hào)絲的可識(shí)別率R（表4）。從表4 可知，3 個(gè)樣品的圖像分辨率都達(dá)到了NB/T 47013—2015 第11 章規(guī)定的AB 級(jí)像質(zhì)。

2.2.3 歸一化信噪比

信噪比是指圖像感興趣區(qū)域的信號(hào)平均值與信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差之比。在樣品數(shù)字圖像上的待測(cè)區(qū)取面積不小于50×50 的矩形感興趣區(qū)，計(jì)算此區(qū)域的灰度均值和標(biāo)準(zhǔn)差，按照信噪比定義得到測(cè)量信噪比SNRm。射線曝光量相似時(shí)，與清晰數(shù)字系統(tǒng)相比，欠清晰數(shù)字系統(tǒng)獲取的SNR 測(cè)量值較高，但對(duì)細(xì)小缺陷的檢測(cè)性能較差。因此，SNR 測(cè)量值要用基本空間分辨率標(biāo)準(zhǔn)化即歸一化處理。歸一檢化測(cè)信性噪能比[13]相。同歸的一系化統(tǒng)信，噪對(duì)比細(xì)S小N R細(xì)n節(jié) 由具式有(4相)計(jì)似算的得出，其中，P 為探測(cè)器像素值，μm。

由圖3、式(4)可計(jì)算3 個(gè)樣品140 kV(8 mm)、170 kV(10 mm)、190 kV(11 mm)的歸一化信噪比如表5 所示。3 個(gè)樣品的歸一化信噪比均大于100，滿(mǎn)足NB/T 47013—2015 第11 章規(guī)定的AB級(jí)技術(shù)等級(jí)的要求。

由以上參數(shù)優(yōu)化分析可以得出，選擇對(duì)于透照厚度8、10、11 mm 的3 個(gè)樣管分別在管電壓為140、170、190 kV，曝光量為5 mA×2 min 時(shí)進(jìn)行透照，數(shù)字圖像質(zhì)量可以滿(mǎn)足NB/T47013.11—2015規(guī)定中的AB 級(jí)技術(shù)等級(jí)。

圖 6 雙線型像質(zhì)計(jì)的灰度曲線Fig.6 Gray scale profile of duplex wire image quality indicator

3 技術(shù)驗(yàn)證

根據(jù)圖1 選擇管電壓為140、170、190 kV 時(shí)線性擬合曲線如圖7 所示，得到的CR 系統(tǒng)的灰度-厚度的線性方程如下：

表 4 雙線型像質(zhì)計(jì)絲的可識(shí)別率Table 4 Recognizable rate of duplex wire image quality indicator

表 5 IP 板圖像中的歸一化信噪比Table 5 Normalized signal-to-noise ratio in IP board images

圖 7 140、170、190 kV 時(shí)線性擬合Fig.7 Linear fitting at 140, 170, 190 kV

1）透照電壓140 kV，線性方程為：I =-6 932.44t+83 097.36；

2）透照電壓170 kV，線性方程為：I=-6 083.71t+87 069.12；

3）透照電壓190 kV，線性方程為：I=-5 630.46t+89 46

其9.0顯4。著性水平R2分別為0.992 53、0.967 95和0.984 33，均接近1，說(shuō)明線性回歸直線對(duì)觀測(cè)值的擬合程度很高。將圖3 和表3 中3 個(gè)樣管數(shù)字圖像感興趣區(qū)測(cè)定的平均灰度值分別代入不同電壓對(duì)應(yīng)的線性方程中，計(jì)算透照厚度的理論值和誤差，見(jiàn)表6。由表6 可知，誤差均小于3%，證實(shí)了該方法用于測(cè)量管壁厚度的可行性。

表 6 管壁厚度估算結(jié)果Table 6 Wall thickness estimation results

4 誤差分析

4.1 CR 系統(tǒng)誤差

選擇過(guò)低的電壓會(huì)導(dǎo)致IP 板圖像灰度偏小，灰度值不在線性區(qū)，計(jì)算出的管壁厚度誤差偏大。

4.2 透照誤差

1）透照布置：工件擺放時(shí)射線束應(yīng)對(duì)準(zhǔn)透檢區(qū)中心，并在該點(diǎn)垂直于試件表面。若鋼管的透照位置發(fā)生偏移，沒(méi)放在中心區(qū)域，透照厚度變大，灰度變小，產(chǎn)生測(cè)量誤差。

2）散射線：由于透照對(duì)象屬于小徑管，其截面厚度變化非常大，射線穿透材料時(shí)康普頓效應(yīng)產(chǎn)生的散射線將降低數(shù)字圖像的信噪比和對(duì)比度，測(cè)量精度降低。

5 結(jié)論

CR 成像系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)范圍大，響應(yīng)速度快，檢測(cè)圖像可以進(jìn)行數(shù)字化處理和存儲(chǔ)等優(yōu)點(diǎn)，本研究利用CR 系統(tǒng)成像板經(jīng)過(guò)掃描后的輸出信號(hào)（圖像灰度）與其最初接收的射線強(qiáng)度在很大的范圍內(nèi)呈線性關(guān)系的屬性，驗(yàn)證了通過(guò)測(cè)量數(shù)字圖像灰度并使用相應(yīng)的計(jì)算方法間接地進(jìn)行材料厚度評(píng)價(jià)的可行性。

1）針對(duì)待檢的3 個(gè)不同壁厚的16MnR 鋼管，按特種設(shè)備N(xiāo)B/T47013—2015 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的中靈敏度技術(shù)等級(jí)（AB 級(jí)）分別對(duì)數(shù)字圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定了最佳曝光參數(shù)。

2）為了驗(yàn)證所提出的方法，對(duì)3 根壁厚為4.0、5.0、5.5 mm 的鋼管分別在各自的最佳曝光參數(shù)下進(jìn)行透照，從獲取的數(shù)字圖像感興趣區(qū)上采集像素平均灰度值，將之代入利用階梯試塊測(cè)量并擬合的厚度-灰度線性關(guān)系曲線間接地計(jì)算出管壁厚度，通過(guò)與壁厚實(shí)際測(cè)量值相比較，測(cè)量誤差分別為0.5%、1.0%、2.9%。本研究通過(guò)實(shí)例討論并驗(yàn)證了CR 測(cè)量特種設(shè)備管道管壁厚度的可行性，提供了一種管道腐蝕監(jiān)測(cè)的輔助方法。