基于DR的激光焊縫檢測(cè)方法研究

張博

（北京燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司工程建設(shè)分公司北京 100035）

1 引言

隨著北京城鎮(zhèn)燃?xì)饣M(jìn)程的推進(jìn)，給天然氣行業(yè)帶來(lái)巨大利好的同時(shí)，也對(duì)城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿腊踩\(yùn)營(yíng)提出了更高的要求。不同于傳統(tǒng)長(zhǎng)距離輸油、輸氣管線，北京市燃?xì)夤芫€結(jié)構(gòu)復(fù)雜、管徑結(jié)構(gòu)不一，管線特征呈多樣性，管網(wǎng)內(nèi)壓較低。在管道服役時(shí)間逐漸增長(zhǎng)、管網(wǎng)腐蝕、外力因素的綜合影響下，管網(wǎng)的焊縫穩(wěn)定性逐步變差，焊縫開(kāi)裂容易引起燃?xì)庑孤┗虮际鹿蔥1]。因此，對(duì)城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫€焊縫檢測(cè)是預(yù)防燃?xì)馐鹿实闹匾椒ㄖ?，管線焊縫的探傷檢測(cè)靈敏度和精度尤為重要。本文對(duì)常用的燃?xì)夤艿篮缚p探傷方法進(jìn)行分析研究，提出基于數(shù)字射線（Digital Radiography，DR）探傷的激光焊縫檢測(cè)方法，并驗(yàn)證其適用性和科學(xué)性，為保障北京城鎮(zhèn)管網(wǎng)安全、平穩(wěn)運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

2 射線DR探傷的物理特性研究分析

目前常用焊縫探傷方法主要有磁粉探傷、著色探傷、滲透探傷、超聲波探傷、DR探傷等[2,3]，各種方法均有其優(yōu)缺點(diǎn)。磁粉探傷對(duì)鋼鐵材料或工件表面裂紋等缺陷的檢驗(yàn)非常有效，設(shè)備和操作均較簡(jiǎn)單，檢驗(yàn)速度快，便于在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)大型設(shè)備和工件進(jìn)行探傷，但僅適用于鐵磁性材料，僅能顯出缺陷的長(zhǎng)度和形狀，而難以確定其深度，對(duì)剩磁有影響的一些工件，經(jīng)磁粉探傷后還需要退磁和清洗。著色探傷只需在白光下工作，不需要電源，方便快捷，適用于任何材質(zhì)，成本低，但靈敏度低，只限于表面缺陷，對(duì)表面光潔度有要求，不能探測(cè)深度。超聲波探傷檢測(cè)厚度大、靈敏度高、速度快、成本低、對(duì)人體無(wú)害，但超聲波探傷對(duì)缺陷的顯示不直觀，探傷技術(shù)難度大，容易受到主、客觀因素的影響，以及探傷結(jié)果不便保存。DR探傷是一種新型的射線檢測(cè)方法，當(dāng)強(qiáng)度均勻的射線束透照射物體時(shí)，如果物體局部區(qū)域存在缺陷或結(jié)構(gòu)存在差異，它將改變物體對(duì)射線的衰減，使得不同部位透射射線強(qiáng)度不同，通過(guò)檢測(cè)器（例如，射線照相中數(shù)字成像）檢測(cè)透射射線強(qiáng)度，從而檢測(cè)被檢物中缺陷的一種無(wú)損檢測(cè)方法。DR探傷與傳統(tǒng)的射線膠片照相方法相比具有高效、實(shí)時(shí)、可連續(xù)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)[4-6]。

根據(jù)射線的衰減規(guī)律，當(dāng)一窄束單能X射線透過(guò)一層厚度均勻的物質(zhì)時(shí),射線強(qiáng)度按照指數(shù)規(guī)律衰減，入射射線強(qiáng)度隨穿透物體厚度的增加而減少。假設(shè)貫穿厚度為X的物體后x射線的強(qiáng)度為I,厚度增加為x+dx時(shí),射線強(qiáng)度變?yōu)镮-dI,薄層的dx的增加與射線強(qiáng)度的減小率-dI/I成正比,即：- dI/I=μdx,其中μ為物質(zhì)對(duì)射線的線性吸收系數(shù)。

將上式積分并簡(jiǎn)化得：

∫-dx/I=∫udx

-lnI=ux+C

則I=e-uxe-c

令 e-c=I0

得I=I0e-ux

其中，

I—透射物質(zhì)后的射線強(qiáng)度；

I0—入射射線的強(qiáng)度；

x—物質(zhì)的厚度；

μ—物質(zhì)對(duì)射線的總線性吸收系數(shù)。

通常，μ值隨著射線能量的增加而減小，隨物質(zhì)原子序數(shù)的增大而增大，隨物質(zhì)密度的增大而增大。這說(shuō)明了能量越高的射線穿透能力越強(qiáng),而密度越大的物體越難穿透。因此射線強(qiáng)度越強(qiáng)，穿透力越好[7]。

在X射線成像中,獲得的圖像是物體線性衰減系數(shù)μ的一個(gè)量化體現(xiàn)。為使物體的特征可檢,顯然特征的線性衰減系數(shù)μf與背景材料的線性衰減系數(shù)μb應(yīng)該有足夠大的差異。而圖像對(duì)比度通常被定義為

由式（2.1）可知, 顯然對(duì)比度越大，特征的可檢性就越好，也就是射線強(qiáng)度越強(qiáng)，穿透力越好，成像效果越好，輻射越大。

可以看出，DR探傷存在X射線輻射性強(qiáng)，靈敏度受材料、射線強(qiáng)度影響的問(wèn)題。

3 基于DR的激光焊縫檢測(cè)方法與驗(yàn)證

3.1 激光的原理及優(yōu)勢(shì)

激光是原子中的電子吸收能量后從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，再?gòu)母吣芗?jí)回落到低能級(jí)的時(shí)候，所釋放的能量以光子的形式放出。被引誘（激發(fā)）出來(lái)的光子束（激光），其中的光子光學(xué)特性高度一致。因此激光相比普通光源單色性、方向性好，亮度更高。激光成像技術(shù)多應(yīng)用于生產(chǎn)制造行業(yè)，憑借著高靈敏度和高精度，激光傳感器能夠得到管道內(nèi)壁腐蝕的深度、面積尺寸以及焊縫根部的真實(shí)幾何形狀，并很能夠很輕松的對(duì)表面缺陷進(jìn)行分析，以方便現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估[8]?？梢?jiàn)激光在成像方面與X射線比較，具有明顯優(yōu)勢(shì)。因此，提出基于DR的激光焊縫檢測(cè)方法。

3.2 基于DR的激光焊縫檢測(cè)方法[9-10]

將搭載有激光傳感器的內(nèi)檢測(cè)器放入管道內(nèi)，驅(qū)動(dòng)內(nèi)檢測(cè)器在管道內(nèi)爬行，將缺陷或者焊縫準(zhǔn)確定位至顯示器窗口中央，開(kāi)啟激光檢測(cè)模塊，實(shí)時(shí)采集管道內(nèi)壁或者焊縫根部激光成像數(shù)據(jù)。

3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于北京燃?xì)夤芫W(wǎng)一個(gè)存在焊接缺陷的燃?xì)夤艿肋M(jìn)行焊縫檢測(cè)方法試驗(yàn)驗(yàn)證，具體燃?xì)夤艿廊鐖D1所示。

圖1 燃?xì)夤艿缊D

3.3.1 射線DR檢測(cè)結(jié)果

應(yīng)用DR檢測(cè)方法，從管道外部對(duì)該處缺陷進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。雖然檢測(cè)人員可以從數(shù)碼拍照和射線檢測(cè)數(shù)據(jù)看到該處有一個(gè)明顯的疑似缺陷，但是卻沒(méi)有辦法對(duì)缺陷的深度進(jìn)行定量，無(wú)法精細(xì)判斷該處缺陷具體數(shù)據(jù)。

圖2 DR射線檢測(cè)結(jié)果

3.3.2 基于DR的激光檢測(cè)結(jié)果

圖3為內(nèi)檢測(cè)裝置采集掃描得到的管道內(nèi)焊縫根部激光數(shù)據(jù)，激光數(shù)據(jù)以3D（圖4）、2D（圖5）以及1D（圖6）視圖的方式顯示。

圖3 內(nèi)檢測(cè)裝置采集得到的環(huán)焊縫根部激光數(shù)據(jù)

圖4 激光內(nèi)檢測(cè)采集得到的焊縫根部3D數(shù)據(jù)正面截圖

圖5 激光內(nèi)檢測(cè)采集得到的焊縫根部2D數(shù)據(jù)側(cè)面截圖

圖6 激光內(nèi)檢測(cè)采集得到的焊縫根部1D數(shù)據(jù)深度測(cè)量

檢測(cè)人員可以從軟件窗口中直接測(cè)量得到該內(nèi)凹缺陷的長(zhǎng)度、寬度和深度，比對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出缺陷等級(jí)，激光數(shù)據(jù)采如表1所示。

表1 激光數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)

images/BZ_126_1496_468_2214_642.png激光測(cè)量尺寸：長(zhǎng)度21.2mm，最大深度1.9mm射線DR測(cè)量尺寸：長(zhǎng)度20mm，最大深度1.7mm咬邊缺陷images/BZ_126_1502_778_2220_979.png激光測(cè)量尺寸：長(zhǎng)度3 2.2 m m，最大深度1.75mm射線DR測(cè)量尺寸：長(zhǎng)度31mm，最大深度1.5mmimages/BZ_126_1499_1167_2217_1370.png激光測(cè)量尺寸：長(zhǎng)度14.8mm，最大深度1.3mm射線DR測(cè)量尺寸：長(zhǎng)度15mm，最大深度1.2mmimages/BZ_126_1496_1505_2220_1707.pngimages/BZ_126_1496_1729_2220_1899.png焊縫內(nèi)部余高過(guò)高激光測(cè)量尺寸：長(zhǎng)度21.2mm，最大高度3.2mm射線DR測(cè)量尺寸：長(zhǎng)度20 mm，最大高度3mmimages/BZ_126_1496_2045_2221_2216.png激光測(cè)量尺寸：長(zhǎng)度3 6.4 m m，最大高度3.12mm射線DR測(cè)量尺寸：長(zhǎng)度35mm，最大高度3mmimages/BZ_126_1497_2414_2220_2589.png外表密集氣孔images/BZ_126_1497_2609_2220_2784.png激光測(cè)量尺寸：長(zhǎng)度36.3mm，射線DR測(cè)量尺寸：長(zhǎng)度36 mm

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)射線DR探傷方法物理特性的研究分析，針對(duì)射線DR探傷方法能較直觀地顯示工件內(nèi)部缺陷的大小和形狀，但只宜探查氣孔、夾渣、縮孔等體積性缺陷，能定性但不能定量，輻射較大，靈敏度不高等問(wèn)題，本文提出激光與DR探傷相結(jié)合的檢驗(yàn)方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法能夠?qū)崟r(shí)從軟件窗口中直接測(cè)量得到缺陷的性質(zhì)、大小、深度和位置分布等信息，精確、快速、動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)被檢工件的質(zhì)量，更具適用性和科學(xué)性。