基于X射線計(jì)算機(jī)輔助成像技術(shù)的帶料管道焊縫檢測(cè)

毛國(guó)均，柴軍輝,，張子健，張小龍，呂鐘杰，薛秉康，胡 健，黃小江

(1.寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，寧波 315048；2.寧波市勞動(dòng)安全技術(shù)服務(wù)公司，寧波 315048)

在石油化工等行業(yè)，裝置中的介質(zhì)一般都是通過(guò)壓力管道輸送的。由于長(zhǎng)期在高壓(部分還有高溫)狀態(tài)下運(yùn)行，壓力管道中如存在缺陷，容易發(fā)生泄漏甚至爆裂，且石油化工行業(yè)涉及的多為有毒有害易燃易爆介質(zhì)，發(fā)生泄漏后極易造成二次事故而帶來(lái)較大損失，故對(duì)帶料管道缺陷隱患的在線檢測(cè)具有重要意義。隨著計(jì)算機(jī)及電子技術(shù)的快速發(fā)展，X射線計(jì)算機(jī)輔助成像檢測(cè)(CR)技術(shù)也得到了飛速發(fā)展，其優(yōu)勢(shì)不僅體現(xiàn)在無(wú)膠片的圖像存儲(chǔ)和傳輸上，而且具有大的寬容度、多種圖像處理技術(shù)，以及檢測(cè)結(jié)果的直觀化，為在線檢測(cè)及缺陷隱患問(wèn)題的及時(shí)發(fā)現(xiàn)提供了有效的解決途徑[1-5]。

某大型石化企業(yè)在停工檢修期間，罐區(qū)管道由于無(wú)法進(jìn)行排料，相控陣超聲等檢測(cè)手段受檢測(cè)面需打磨和高溫影響的限制，不能有效開(kāi)展檢測(cè)，在此情況下，筆者采用CR技術(shù)對(duì)帶料管道進(jìn)行在線檢測(cè)，待檢管道信息如表1所示。

依據(jù)NB/T 47013.14-2016《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第14部分：X射線計(jì)算機(jī)輔助成像檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于檢測(cè)人員、檢測(cè)設(shè)備和器材、檢測(cè)技術(shù)等級(jí)、檢測(cè)工藝文件、安全要求等都有詳細(xì)規(guī)定；對(duì)于檢測(cè)時(shí)機(jī)的規(guī)定為在焊后進(jìn)行CR檢測(cè)，有延遲裂紋的材料需要焊后24 h檢測(cè);對(duì)于檢測(cè)區(qū)域的規(guī)定為焊縫金屬+焊縫邊緣5 mm的母材區(qū)域;對(duì)于表面的要求為CR檢測(cè)前目視檢測(cè)合格;對(duì)于射線能量的要求為CR檢測(cè)宜選用較低的管電壓;對(duì)于IP和金屬屏的選擇要求根據(jù)材料、透照厚度和管電壓進(jìn)行;對(duì)于透照方式的規(guī)定為優(yōu)先選擇單壁透照，透照方向應(yīng)與工件表面法線重合，一次透照長(zhǎng)度根據(jù)透照厚度比進(jìn)行選取，其中小徑管的CR檢測(cè)要選擇雙壁雙影透照方式，曝光量通過(guò)最小灰度值試驗(yàn)確定，CR檢測(cè)需要選用單絲和雙絲兩種像質(zhì)計(jì)等；最后還對(duì)數(shù)字圖像質(zhì)量中的對(duì)比靈敏度、分辨率、歸一化信噪比進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定。

表1 待檢管道信息

1 CR檢測(cè)原理與工藝

1.1 檢測(cè)原理

CR工作原理是用存儲(chǔ)屏(IP板)記錄射線影像，通過(guò)激光掃描使存儲(chǔ)信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)，再用光電倍增管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后經(jīng)A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換后，輸入計(jì)算機(jī)處理，成為高質(zhì)量的數(shù)字圖像。CR系統(tǒng)由成像板(IP)、激光掃描儀、顯示器和系統(tǒng)專用軟件等組成。CR系統(tǒng)的工作流程主要分4部分：信息采集、信息轉(zhuǎn)換、信息處理、信息記錄和存儲(chǔ)。

1.2 硬件系統(tǒng)

CR系統(tǒng)采用美國(guó)銳珂工業(yè)的便攜式數(shù)字CR系統(tǒng)，型號(hào)為HPX-PRO。

IP板采用銳珂IP成像板，銳珂IP成像板可以采用和常規(guī)X射線檢測(cè)相同的透照方式，因此和常規(guī)X射線檢測(cè)設(shè)備兼容。成像板通常有通用型(GP)，高清型(HR)，XL Blue三種型號(hào)。綜合以上幾種成像板的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際所需，采用高清型(HR)IP板較為合適，其在有較高分辨率的同時(shí)有著較短的曝光時(shí)間，可提高檢測(cè)效率。

根據(jù)透照厚度的不同，濾光板厚度在0.52 mm間選取，在整套CR系統(tǒng)中，銅濾光板優(yōu)于鋼濾光板，鋼濾光板優(yōu)于鉛濾光板,最后選取了銅濾光板。

射線源的選擇：此次檢測(cè)管道的公稱通徑(DN)為80～450 mm，厚度為4～14 mm，雙壁透照厚度為8～28 mm，考慮到管道內(nèi)均存在介質(zhì)，介質(zhì)密度在1 kg·L-1左右，傳統(tǒng)X射線機(jī)300 kV可透照范圍為DN 200 mm以內(nèi)管徑(DN 200 mm管子壁厚為7 mm，考慮介質(zhì)透照厚度約為40 mm)，現(xiàn)場(chǎng)也存在狹小空間等影響因素。300 kV射線機(jī)最大穿透厚度約為40 mm，伽馬源Ir192最大穿透厚度為100 mm，且設(shè)備可在狹小空間進(jìn)行檢測(cè)。綜合上述因素，DN 200 mm及以下管徑的數(shù)字射線檢測(cè)，采用X射線機(jī)(丹東XXG3005)進(jìn)行檢測(cè)；DN 200 mm以上管徑的數(shù)字射線檢測(cè)，采用伽馬源Ir192進(jìn)行檢測(cè)?？臻g狹小部分射線機(jī)無(wú)法放置，也需采用伽馬源進(jìn)行檢測(cè)。

1.3 “帶料”與“采用伽馬射線”對(duì)靈敏度和信噪比的影響

(1) 帶料

帶料管道一般帶有高溫介質(zhì)，射線能量穿過(guò)高溫并且流動(dòng)的介質(zhì)到達(dá)IP板時(shí)會(huì)損失一部分能量，射線能量衰減遵循公式I=I0exp(-μt)(式中：I為穿透介質(zhì)后的射線能量；I0為原射線能量；μ為衰減系數(shù);t為材料厚度)，在帶料介質(zhì)管道中，存在兩種介質(zhì)衰減，使得穿透介質(zhì)后的射線強(qiáng)度明顯降低，檢測(cè)靈敏度降低。

對(duì)于CR檢測(cè)，圖像信噪比與IP板單位面積接收到的X射線光子數(shù)成正比，而帶料管道單位面積接收到的X射線光子數(shù)少，因此圖像信噪比低。

(2) 采用伽馬射線

伽馬源能量發(fā)散，IP板吸收得到的射線能量相當(dāng)于散射線穿透介質(zhì)后所剩的能量，固有不清晰度大；X射線機(jī)發(fā)射的射線能量集中且穿透能力可以通過(guò)射線機(jī)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，固有不清晰度小。其次，IP板的磷光材料對(duì)于低能射線極其敏感，在γ源和高能射線照射時(shí)產(chǎn)生的散射線會(huì)對(duì)圖像產(chǎn)生噪聲影響，造成圖像對(duì)比度下降。因此，CR采用伽馬射線檢測(cè)的靈敏度和信噪比均小于采用X射線機(jī)檢測(cè)的。

1.4 檢測(cè)工藝

不同管徑、壁厚管道的CR檢測(cè)工藝如表2所示。

單壁透照時(shí)，像質(zhì)計(jì)橫跨焊縫放在被檢件區(qū)長(zhǎng)度的1/4位置，細(xì)絲朝外，一般應(yīng)置于源側(cè)，當(dāng)置于IP側(cè)時(shí)，應(yīng)在IP上加上“F”標(biāo)志。雙壁單影透照時(shí)，像質(zhì)計(jì)橫跨焊縫放在被檢件區(qū)長(zhǎng)度的1/4位置，細(xì)絲朝外，置于IP側(cè)應(yīng)在膠片上加上“F”標(biāo)志。小徑管透照時(shí)，金屬絲垂直焊縫且橫跨焊縫放置。

表2 CR檢測(cè)工藝

2 對(duì)比試驗(yàn)

針對(duì)所檢管道的特點(diǎn)，進(jìn)行以下對(duì)比試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證檢測(cè)手段的可靠性及有效性。

2.1 帶料管道和不帶料管道的對(duì)比

圖1 不帶料管道的X射線CR檢測(cè)結(jié)果(裂紋)

分別對(duì)DN 219 mm×8 mm(公稱直徑×壁厚，下同)不帶料管道和帶料管道(帶料采用油水混合懸液模擬)環(huán)焊縫利用X射線進(jìn)行CR檢測(cè)。其中圖1，2，3分別為DN 219 mm×8 mm不帶料管道的X射線CR檢測(cè)結(jié)果圖像(管電壓為180 kV，透照時(shí)間為1.5 min)；圖4，5，6為DN 219 mm×8 mm帶料管道的X射線CR檢測(cè)結(jié)果圖像(管電壓為200 kV，透照時(shí)間為8 min)。

圖2 不帶料管道的X射線CR檢測(cè)結(jié)果(無(wú)缺陷)

圖3 不帶料管道的X射線CR檢測(cè)結(jié)果(夾渣)

圖4 帶料管道的X射線CR檢測(cè)結(jié)果(裂紋一)

圖5 帶料管道的X射線CR檢測(cè)結(jié)果(裂紋二)

圖6 帶料管道的X射線CR檢測(cè)結(jié)果(夾渣)

從圖1，3和圖4，6中均能發(fā)現(xiàn)缺陷，缺陷類型為焊接制造缺陷中的裂紋、夾渣。原始圖像中對(duì)比度較小，經(jīng)過(guò)灰度拉伸后得到的圖像能夠清晰地看見(jiàn)缺陷位置及缺陷特點(diǎn)。

以上試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如表3所示，從表中可以看到,利用X射線對(duì)帶料管道進(jìn)行CR檢測(cè)，圖像質(zhì)量基本可以達(dá)到X射線CR檢測(cè)AB級(jí)的要求，且缺陷均能良好地顯示出來(lái)，檢測(cè)結(jié)果與不帶料管道的X射線CR檢測(cè)結(jié)果相差無(wú)幾，在長(zhǎng)度方向有一定差異。

表3 帶料管道和不帶料管道的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

經(jīng)分析認(rèn)為，帶料管道環(huán)焊縫含缺陷圖像質(zhì)量影響因素主要為IP板帶來(lái)的噪聲、圖像放大及介質(zhì)引起的衰減。其中，影響平板探測(cè)器圖像質(zhì)量噪聲的因素主要是光量子噪聲，檢測(cè)中通過(guò)連續(xù)幀疊加降噪的方法就能很好地抑制此類噪聲。圖像放大是隔熱棉使得IP板與帶料管道未完全貼緊而造成的，此時(shí)射線源側(cè)的焊縫與IP板側(cè)的焊縫到探測(cè)器的距離相差了管子的直徑，從而使得射線源側(cè)缺陷影像放大。

圖7 帶料管道DN 150 mmX6 mm的X射線CR檢測(cè)結(jié)果

2.2 帶料管道采用X射線檢測(cè)和伽馬射線檢測(cè)的對(duì)比

分別對(duì)規(guī)格為DN 150 mm×6 mm，DN 200 mm×6 mm的帶料管道環(huán)焊縫，利用X射線與γ射線進(jìn)行CR檢測(cè)。圖7為DN 150 mm×6 mm帶料管道的X射線CR檢測(cè)結(jié)果圖像(管電壓為180 kV，透照時(shí)間為6 min)；圖8為DN 150 mm×6 mm帶料管道的γ射線CR檢測(cè)結(jié)果圖像(Se75，50Ci，6 min)；圖9為DN 200 mm×6 mm帶料管道的X射線CR檢測(cè)結(jié)果圖像(管電壓為200 kV，透照時(shí)間為8 min)；

圖8 帶料管道DN 150 mmX6 mm的γ射線CR檢測(cè)結(jié)果

圖9 帶料管道DN 200 mmX6 mm的X射線CR檢測(cè)結(jié)果

圖10為DN 200 mm×6 mm帶料管道的γ射線CR檢測(cè)結(jié)果圖像(Se75，50Ci，8 min)。

以上試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如表4所示。從表4及圖7,8中可以看出，采用X射線和γ射線對(duì)帶料管道進(jìn)行CR檢測(cè)的圖像質(zhì)量要求均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，也均能發(fā)現(xiàn)寬度為1.5mm的未熔合缺陷，X射線CR檢測(cè)單絲高于γ射線CR檢測(cè)1個(gè)等級(jí)，X射線CR檢測(cè)歸一化信噪比高于γ射線CR檢測(cè)的；從表4及圖9，10的對(duì)比中可以發(fā)現(xiàn)，采用X射線和γ射線進(jìn)行CR檢測(cè)的圖像質(zhì)量均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，均能發(fā)現(xiàn)直徑為1 mm的氣孔缺陷。

圖10 帶料管道DN 200 mmX6 mm的γ射線CR檢測(cè)結(jié)果

表4 使用不同射線源檢測(cè)帶料管道的試驗(yàn)結(jié)果

2.3 帶料管道考慮和不考慮介質(zhì)對(duì)透照影響的對(duì)比

分別對(duì)DN 150 mm×6 mm,DN 200 mm×6 mm的帶料管道環(huán)焊縫利用X射線進(jìn)行CR檢測(cè)，一組不考慮介質(zhì)對(duì)透照的影響，另一組考慮介質(zhì)對(duì)透照的影響。圖11為DN 150 mm×6 mm帶料管道不考慮介質(zhì)對(duì)透照影響的X射線CR檢測(cè)結(jié)果(管電壓為170 kV，透照時(shí)間為1 min)；圖12為DN 150 mm×6 mm帶料管道考慮介質(zhì)對(duì)透照影響的X射線CR檢測(cè)結(jié)果(管電壓為180 kV，透照時(shí)間為6 min)；圖13為DN 200 mm×6 mm帶料管道不考慮介質(zhì)對(duì)透照影響的X射線CR檢測(cè)結(jié)果(管電壓為190 kV，透照時(shí)間為1.5 min)；圖14為DN 200 mm×6 mm帶料管道考慮介質(zhì)對(duì)透照影響的X射線CR檢測(cè)結(jié)果(管電壓為200 kV，透照時(shí)間為9 min)。

圖11 DN 150 mm×6 mm帶料管道未考慮介質(zhì)對(duì)透照影響(170 kV，1 min)的X射線CR檢測(cè)結(jié)果

圖12 DN 150 mm×6 mm帶料管道考慮介質(zhì)對(duì)透照影響(180 kV，6 min)的X射線CR檢測(cè)結(jié)果

圖13 DN 200 mm×6 mm帶料管道未考慮介質(zhì)對(duì)透照影響(190 kV，1.5 min)的X射線CR檢測(cè)結(jié)果

圖14 DN 200 mm×6 mm帶料管道考慮介質(zhì)對(duì)透照影響(200 kV，9 min)的X射線CR檢測(cè)結(jié)果

以上試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，從表中可以看出，如果用未考慮介質(zhì)對(duì)透照影響而選取的透照參數(shù)進(jìn)行CR檢測(cè)，獲取的圖像質(zhì)量均達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，即要求在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施CR檢測(cè)時(shí)必須考慮介質(zhì)對(duì)透照的影響。

表5 帶料管道未考慮和考慮介質(zhì)對(duì)透照影響的試驗(yàn)結(jié)果

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

在對(duì)管道按檢測(cè)工藝要求進(jìn)行X射線檢測(cè)時(shí)，初期檢測(cè)效果良好，均能達(dá)到檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)字射線的圖像質(zhì)量要求。在后期的檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)存在以下問(wèn)題,需對(duì)檢測(cè)工藝進(jìn)行調(diào)整。

(1) 射線檢測(cè)無(wú)法對(duì)DN 200 mm以上管道進(jìn)行有效檢測(cè)(射線機(jī)最大管電壓為300 kV)，DN 250 mm,DN 300 mm管道壁厚均在10 mm以上，加上管道內(nèi)介質(zhì)，實(shí)際穿透厚度大于56 mm(按衰減系數(shù)和密度折算)，300 kV射線機(jī)產(chǎn)生的射線能力無(wú)法穿透管道進(jìn)行有效拍片。

(2) 管道縱橫交錯(cuò)，部分管道無(wú)法容納射線機(jī)的擺放，無(wú)法進(jìn)行完全透照檢測(cè)，造成檢測(cè)比例不足。

(3) DN 200 mm以上帶料管道射線檢測(cè)數(shù)字底片的質(zhì)量參數(shù)未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，實(shí)際情況如表6所示。

表6 DN200 mm以上帶料管道實(shí)際檢測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)比

在檢測(cè)DN200 mm以上帶料管道時(shí),數(shù)字底片質(zhì)量雖不能達(dá)到目前檢測(cè)質(zhì)量要求，但也能發(fā)現(xiàn)一些較大的缺陷，如內(nèi)凹、未熔合，未焊透等，如圖15所示。

圖15 典型缺陷的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)圖像

4 結(jié)論

(1) 對(duì)帶料壓力管道采用射線計(jì)算機(jī)輔助成像檢測(cè)，能夠發(fā)現(xiàn)管道的內(nèi)部缺陷，在管徑不大于DN 200 mm(厚度為8 mm)時(shí)，能達(dá)到現(xiàn)行檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.14-2016中AB級(jí)對(duì)像質(zhì)質(zhì)量的要求。

(2) 在管徑大于DN 200 mm(壁厚為8 mm及以上)時(shí)，采用γ射線對(duì)帶料管道進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)字底片質(zhì)量參數(shù)無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管道不帶料情況下的檢測(cè)質(zhì)量要求；隨著管徑的增加，管道內(nèi)部介質(zhì)對(duì)射線的衰減吸收變強(qiáng)，使得檢測(cè)數(shù)字底片質(zhì)量參數(shù)很難達(dá)到檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的要求；在對(duì)帶料管道進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定時(shí)不能排除介質(zhì)的影響，應(yīng)按其衰減系數(shù)和密度來(lái)計(jì)算實(shí)際透照壁厚，從而來(lái)評(píng)定數(shù)字底片的質(zhì)量。

(3) 使用射線計(jì)算機(jī)輔助成像技術(shù)檢測(cè)帶料管道焊縫，在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)施，一方面解決了傳統(tǒng)射線檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)效果差，甚至無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)的問(wèn)題，另一方面解決了常規(guī)檢測(cè)技術(shù)給實(shí)際生產(chǎn)帶來(lái)的停產(chǎn)停運(yùn)或排料的麻煩，且能使管道缺陷結(jié)果顯示客觀化、易于判定，利于在役或超期服役帶料管道的安全運(yùn)行評(píng)價(jià)，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。但是在實(shí)際的檢測(cè)應(yīng)用中，高填充衰減系數(shù)介質(zhì)(大管徑內(nèi)充滿介質(zhì))對(duì)數(shù)字射線檢測(cè)產(chǎn)生的影響是不可避免的。

(4) 當(dāng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行在役檢測(cè)時(shí)，CR檢測(cè)技術(shù)在工作效率、檢測(cè)圖像后續(xù)分析處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等方面具有較大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)具有經(jīng)濟(jì)性、高效性、有效性等特點(diǎn)，因此在滿足NB/T 47013-2015 《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》、管道容器檢測(cè)規(guī)程的前提下，是可供選擇的高效檢測(cè)方法。