電力設(shè)備材料工業(yè)CT無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)研制及應(yīng)用

劉文 譚輝

摘 要：基于電力材料無(wú)損檢測(cè)的需求，人們研制開(kāi)發(fā)出電力材料9 MeV工業(yè)無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)檢測(cè)的工件最大尺寸為[Φ]1 500 mm×1 500 mm，空間分辨率達(dá)到2.5 LP/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0.05 mm，可檢測(cè)鋼材料中最小裂紋寬度0.02 mm，可檢測(cè)金屬中最小氣孔直徑0.3 mm。該系統(tǒng)具有III代CT掃描、II代CT掃描、DR掃描、三維重構(gòu)成像等功能，可用于電力設(shè)備材料內(nèi)部材質(zhì)識(shí)別以及發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備材料的內(nèi)部缺陷等。

關(guān)鍵詞：電力材料;工業(yè)CT;鋁代銅

中圖分類(lèi)號(hào)：TM507文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）05-0070-03

Abstract： Based on the requirements of non-destructive testing of power materials， people have developed a 9 MeV industrial non-destructive testing system for power materials. The maximum size of the workpiece detected by the system is[Φ]1 500 mm × 1 500 mm， the spatial resolution is 2.5 LP/mm， the relative density resolution is 0.3%， the DR sensitivity is 0.8%， and the geometric dimension measurement accuracy is 0.05 mm， which can detect the smallest crack width in steel materials of 0.02 mm， and the smallest pore diameter in metal of 0.3mm. The system has III-generation CT scan， II-generation CT scan， DR scan， 3D reconstruction imaging and other functions， which can be used to identify internal materials of power equipment materials and find internal defects of power equipment materials.

Keywords： power material;industrial CT;aluminium （Al） replace cuprum （Cu）

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司每年物資質(zhì)量監(jiān)督工作發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的通報(bào)，部分配電變壓器供應(yīng)商為了獲取更多的利潤(rùn)，在生產(chǎn)過(guò)程中存在偷工減料、減少銅線線規(guī)以及以鋁代銅等現(xiàn)象，導(dǎo)致變壓器損耗超標(biāo)，從而造成巨大的電量損失。目前，采用抽檢有損方式對(duì)配電變壓器進(jìn)行檢驗(yàn)，效率較低。

電力行業(yè)設(shè)備包括發(fā)電設(shè)備、輸變電設(shè)備、配電設(shè)備和用電設(shè)備等，種類(lèi)眾多，材料多樣，內(nèi)部缺陷種類(lèi)和存在形式也多種多樣，如構(gòu)件焊接缺陷、電纜斷股、連接件損傷、零件缺失、組裝缺陷、彈簧斷裂等，傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)方法難以完全滿足檢測(cè)要求。

工業(yè)CT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[1-3]。在我國(guó)，經(jīng)過(guò)多年的設(shè)備改進(jìn)和實(shí)踐應(yīng)用，工業(yè)CT也逐漸從一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展為一種無(wú)損評(píng)估手段，各行各業(yè)對(duì)工業(yè)CT的需求呈現(xiàn)越來(lái)越高的趨勢(shì)。

對(duì)于電力設(shè)備變壓器內(nèi)部材質(zhì)異常以及缺陷定性、定位等檢測(cè)難題，傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)手段存在技術(shù)壁壘，而工業(yè)CT檢測(cè)系統(tǒng)的引入完美地解決了這個(gè)難題，開(kāi)創(chuàng)了工業(yè)CT技術(shù)應(yīng)用于我國(guó)電力行業(yè)的先河。

1 系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)

工業(yè)CT是在射線檢測(cè)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其基本原理是當(dāng)經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直且能量[I0]的射線束穿過(guò)被檢物時(shí)，根據(jù)各個(gè)透射方向上各體積元的不同衰減系數(shù)，探測(cè)器接收到的透射能量[I]也不同。按照一定的圖像重建算法，即可從被檢工件截面獲得一薄層無(wú)影像重疊的斷層掃描圖像，重復(fù)上述過(guò)程又可獲得一個(gè)新的斷層圖像，當(dāng)測(cè)得足夠多的二維斷層圖像時(shí)，人們就可重建出三維圖像。當(dāng)單能射線束穿過(guò)非均勻物質(zhì)后，其衰減遵從比爾定律，即

一幅[M×N]個(gè)像素組成的圖像，必須有[M×N]個(gè)獨(dú)立的方程才能解出衰減系數(shù)矩陣內(nèi)每一點(diǎn)的[μ]值。當(dāng)射線從各個(gè)方向透射被檢物體，通過(guò)掃描探測(cè)器可得到[M×N]個(gè)射線計(jì)數(shù)和值，按照一定的圖像重建算法，即可重建出[M×N]個(gè)[μ]值組成的二維CT灰度圖像。

如圖1所示，電力設(shè)備材料工業(yè)CT無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)為立式結(jié)構(gòu)布局，采用大底板（基礎(chǔ)平臺(tái)）作為檢測(cè)裝置安裝基礎(chǔ)，雙立柱分別為射線源和探測(cè)器提供支撐及運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。整個(gè)系統(tǒng)由電子直線加速器系統(tǒng)、探測(cè)采集傳輸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、圖像系統(tǒng)、射線輻射安全防護(hù)及監(jiān)控系統(tǒng)等組成。

電力材料9MeV工業(yè)CT無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的核心部分是射線源系統(tǒng)、探測(cè)器系統(tǒng)和圖像重建系統(tǒng)。

1.1 射線源系統(tǒng)

射線源主體是駐波電子直線加速器，用于產(chǎn)生重復(fù)頻率的高能脈沖X射線，為工業(yè)CT掃描提供高能、高強(qiáng)度、穩(wěn)定的X射線。射線源系統(tǒng)主要由X射線機(jī)頭、調(diào)制器、恒溫水冷系統(tǒng)、控制器、安全連鎖裝置等組成。其中，自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)掃描時(shí)間和空間位置對(duì)電子直線加速器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)加速器、探測(cè)采集傳輸系統(tǒng)的時(shí)空同步協(xié)調(diào)控制。

該系統(tǒng)產(chǎn)生的高能X射線能量達(dá)到9MeV，焦點(diǎn)≤1.5 mm，劑量率≥3 000 cGy/（min·m），同步脈沖頻率為50～250 Hz。

1.2 探測(cè)采集傳輸系統(tǒng)

探測(cè)器系統(tǒng)是工業(yè)CT檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，其性能直接影響整個(gè)CT設(shè)備的圖像質(zhì)量。電力設(shè)備材料工業(yè)CT無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)采用線陣列探測(cè)器，線陣列探測(cè)器由多個(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[4]。

如圖2所示，探測(cè)器系統(tǒng)包括后準(zhǔn)直器、線性探測(cè)器陣列（LDA）、信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換單元、采集控制單元、數(shù)據(jù)傳輸控制單元、高精度穩(wěn)壓電源、射線與電磁屏蔽箱等。其A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)為20bit，有效動(dòng)態(tài)范圍≥10 000∶1，傳輸速率≥4 Mbps。

1.3 圖像重建處理系統(tǒng)

圖像重建處理系統(tǒng)對(duì)掃描獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、校正、處理，經(jīng)過(guò)重建可顯示DR圖像、CT圖像、三維立體圖像等，并通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件配套功能，分析和確認(rèn)圖像細(xì)節(jié)特征。

圖像重建處理系統(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、二維處理與顯示、三維處理與顯示、逆向設(shè)計(jì)等幾大部分[5]。

2 系統(tǒng)性能指標(biāo)

電力材料9MeV工業(yè)CT無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)主要指標(biāo)性能包括空間分辨率、密度分辨率等。

2.1 空間分辨率

空間分辨率采用標(biāo)準(zhǔn)的線對(duì)卡測(cè)試方法，測(cè)試方法參照《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/T 29069—2012），設(shè)計(jì)指標(biāo)為2.5 LP/mm，如圖3所示。

2.2 密度分辨率

密度分辨率的測(cè)試采用圓盤(pán)法，可參照《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/T 29069—2012），其可達(dá)0.3%，如圖4所示。

2.3 最小可檢測(cè)裂紋

采用圓盤(pán)金屬工件，并在其中設(shè)置0.01～0.09 mm 8組裂紋，分析重建后的CT圖像，可以清晰分辨0.02 mm裂紋。

2.4 尺寸測(cè)量精度測(cè)試

尺寸測(cè)量精度的測(cè)試通過(guò)圓柱半徑測(cè)量和塊規(guī)尺寸測(cè)量完成，測(cè)試方法參照無(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/T 29069—2012），測(cè)試結(jié)果顯示，尺寸測(cè)量精度達(dá)到0.05 mm。

2.5 CT圖像重建

利用此平臺(tái)，對(duì)幾組典型工件進(jìn)行CT圖像重建（見(jiàn)圖5），重建圖像清晰，完全能夠滿足工業(yè)無(wú)損檢測(cè)要求。

3 結(jié)論

電力材料9MeV工業(yè)CT無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)是在多年從事CT技術(shù)研究和工業(yè)CT設(shè)備制造的基礎(chǔ)上，我國(guó)科研人員利用掌握的核心技術(shù)，吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)研制完成的，其系統(tǒng)性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)已應(yīng)用高能工業(yè)CT系統(tǒng)的領(lǐng)先水平。同時(shí)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮了多種產(chǎn)品無(wú)損檢測(cè)的需要，檢測(cè)范圍大，多種掃描方式兼顧，具有較高的性?xún)r(jià)比和先進(jìn)性。

該系統(tǒng)主要應(yīng)用于電力設(shè)備材料的無(wú)損檢測(cè)和質(zhì)量評(píng)價(jià)。通過(guò)電力設(shè)備材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究與應(yīng)用，人們可以完成配電變壓器的線圈材質(zhì)無(wú)損判別，提高供應(yīng)商產(chǎn)品質(zhì)量管控意識(shí)，杜絕配電變壓器線圈以鋁代銅現(xiàn)象。同時(shí)，可在使用前發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備材料的內(nèi)部缺陷，保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行，提升電網(wǎng)公司的社會(huì)形象和經(jīng)營(yíng)效益。

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