X射線檢測技術(shù)在動車組零部件檢測中的應(yīng)用

劉云龍，管 斌

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

X射線數(shù)字成像技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新型射線無損檢測技術(shù)，X射線透過檢測對象后經(jīng)過射線探測器將X射線檢測信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號為計算機所接收，形成數(shù)字圖像。通過觀察檢測圖像，根據(jù)工作經(jīng)驗和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行缺陷評定，可達到缺陷狀態(tài)評價的目的[1]。

高速動車組中使用的電氣電子零部件眾多，利用X射線技術(shù)，可以檢測零部件內(nèi)部一些通過一般檢查難以發(fā)現(xiàn)的缺陷，從而消除一定失效風(fēng)險，降低零部件失效概率，提升車輛運行可靠性。

1 X射線檢測原理及應(yīng)用

X射線檢測技術(shù)利用射線穿透物質(zhì)時的衰減程度與密度和厚度相關(guān)的特性，實現(xiàn)物質(zhì)的成像。

當(dāng)X射線穿透物體時其衰減情況為：

(1)

當(dāng)物體密度均勻時，上式可簡化為：

I=I0e-μd

式中：I——X射線穿透物體衰減后的射線強度；

I0——入射射線的初始強度；

μ——單位厚度物質(zhì)的衰減系數(shù)；

d——物質(zhì)的厚度。

由上可知，X射線在透射物質(zhì)時，由于物質(zhì)對射線吸收程度的不同使得透射過物質(zhì)后射線的強度也會有所差異，這種差異反應(yīng)了物質(zhì)的一部分特征(或者信息)，成像單元檢測到這種差異并將這種差異記錄下來，即形成了X射線圖像，這種差異反應(yīng)在X射線圖像中就是圖像灰度值的明暗程度的差別。檢測人員則根據(jù)獲取的X射線圖像來對被檢測物體進行檢測，這就是X射線無損檢測的基本原理。

X射線檢測通常分為計算機層析成像技術(shù)(Computed Tomography，簡稱CT)、計算機X射線成像檢測技術(shù)(Computed Radiography，簡稱CR)和數(shù)字化X射線成像檢測技術(shù)(Digital Radiography，簡稱DR)，根據(jù)不同特點分別應(yīng)用在不同場景中。

2 X射線檢測的優(yōu)勢

(1) X射線檢測可以發(fā)現(xiàn)零部件內(nèi)部無法直觀檢查出的缺陷；

(2) 可以獲得缺陷的直觀圖像，缺陷定性、定量準(zhǔn)確，圖像也可長期保存；

(3) 體積型缺陷(氣孔、夾渣等)檢出率較高；

(4) 對被測物表面光潔度沒有嚴(yán)格要求，材料晶粒度對檢測結(jié)果影響不大，可以適用于各種材料內(nèi)部缺陷檢測。

3 應(yīng)用案例

3.1 高壓線纜終端檢測

高壓線纜終端用于從高壓箱隔離開關(guān)間的車頂高壓連接，由導(dǎo)體引出棒(銅合金材質(zhì))、半導(dǎo)電層(硅橡膠材質(zhì))、硅膠絕緣層(硅橡膠材質(zhì))等幾部分組成。由于制造工藝問題，部分終端在半導(dǎo)電層與導(dǎo)體引出棒之間存在剝離現(xiàn)象，或者在絕緣層橡膠內(nèi)存在氣孔。這2種缺陷均無法通過外觀及電性能測試所發(fā)現(xiàn)，且有可能在車輛運行過程中導(dǎo)致高壓終端絕緣層的絕緣性能下降或失效，引起終端擊穿，造成車輛故障。

使用X射線檢測，可以在終端生產(chǎn)完成或終端與線纜組裝結(jié)束階段，對上述缺陷進行檢驗。采用的檢測方式既可以使用基于CT技術(shù)的檢測系統(tǒng)建立完整的零部件投影模型，也可以使用基于DR技術(shù)的便攜式X光設(shè)備拍攝多角度的零部件平面圖像。

3.1.1 CT檢測系統(tǒng)

圖1為CT檢測系統(tǒng)，使用CT檢測系統(tǒng)可以對元件進行360°的射線投影、建立完整模型，并避免各部分在圖像中的遮擋。使用計算機操作，能夠獲取元件在任意截面的圖像信息，缺陷檢出率較高。圖2為CT檢測系統(tǒng)的成像效果。

圖1 CT檢測系統(tǒng)

(1) 剝離缺陷識別。

通過CT圖像可以清晰地觀察出半導(dǎo)電層與導(dǎo)體引出棒之間的剝離情況(圖3)，并通過軟件可直接測量相應(yīng)數(shù)值。通過觀察俯視圖截面(圖3(a))，可以看出剝離間隙寬度為2.311 mm，通過觀察正視圖截面，可以看出剝離間隙高度為36.683 mm(圖3(b))，精準(zhǔn)度可達0.001 mm。

圖2 CT檢測系統(tǒng)的成像效果

圖3 半導(dǎo)電層與導(dǎo)體引出棒之間的剝離情況

(2)氣孔缺陷識別。

通過CT圖像既可以觀察到氣孔總體分布并進行標(biāo)記，也能夠準(zhǔn)確定位每個氣孔的位置并測量大小，肉眼可分辨出直徑1 mm左右的氣孔，如圖4所示。

雖然CT檢測系統(tǒng)可以較為完整且全面地體現(xiàn)高壓終端內(nèi)部的缺陷，但整套系統(tǒng)造價昂貴，對單件終端檢測時間也較長，且檢測人員需要具備較為專業(yè)的射線理論知識及圖像評判技能。此方法多為專業(yè)檢測機構(gòu)使用，不適用于工廠進行高頻次或大批量檢驗。

圖4 氣孔缺陷識別情況

3.1.2 便攜式X光設(shè)備

考慮時間、成本等因素，可使用便攜式X光設(shè)備，受檢測地點、被檢器件類型的限制相對較少，同時對操作人員的要求也相對較低，設(shè)備價格也僅為CT檢測系統(tǒng)的十分之一。雖成像形式無法達到CT檢測的完整性，但也完全可以滿足工廠進行檢驗的需求。

使用便攜式X光設(shè)備搭建的檢測系統(tǒng)一般包括射線機(射線發(fā)射)、被檢測工件、接收機(圖像采集)、電腦(通過軟件進行圖像處理及參數(shù)編輯)以及其他輔助設(shè)備儀器，見圖5。

圖5 便攜式X光設(shè)備搭建的檢測系統(tǒng)

使用DR技術(shù)的便攜式X光設(shè)備只能拍攝原件某一角度的截面圖像，為獲取較為完整的信息，一般從0°、45°、90°、135°這4個角度進行拍攝。為達到良好的拍攝效果，在對高壓終端進行拍攝時，一般設(shè)定X射線機的電壓為120 kV、電流為0.5 mA、曝光時間為30 s，且在拍攝完成后通過計算機調(diào)整圖像對比度等，獲得較為清晰的X光圖像。便攜式X光設(shè)備的成像效果見圖6。

圖6 便攜式X光設(shè)備的成像效果

經(jīng)過CT檢測系統(tǒng)或便攜式X光設(shè)備對高壓終端的檢測，可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品存在的絕大部分內(nèi)部缺陷，檢測出不合格的高壓線纜終端。而經(jīng)過篩查后的合格品在運用中已基本不會出現(xiàn)擊穿故障，可保證車輛可靠運行。

3.2 繼電器篩選

動車組電氣柜等系統(tǒng)內(nèi)大量使用繼電器、接觸器，許多問題在外觀、性能測試中均不易發(fā)現(xiàn)。通過X射線檢測，可以發(fā)現(xiàn)器件內(nèi)多種缺陷，在器件檢查、故障分析、檢修更換等方面均有較大的參考價值[2]。

每個器件需要照射2個角度，即水平和傾斜位置。水平位置可以得到觸點、彈簧重合的狀態(tài)，可以對器件觸點歪斜、彈簧變形、觸點裝反等故障作出有效判斷；傾斜位置可以得到觸點、彈簧分開的狀態(tài)，可以對每個觸點、彈簧有無缺失、開裂、脫落、變形等故障作出有效判斷。圖7為幾種典型的繼電器內(nèi)部缺陷。

圖7 典型的繼電器內(nèi)部缺陷情況

由于繼電器、接觸器體積較小，可以使用一體式X光設(shè)備(圖8)進行拍攝，在使用操作方便的同時對放射性防護要求也較低。

圖8 一體式X光設(shè)備

對繼電器進行X光篩選，既可以在來料檢階段進行，用于新品入廠檢驗，也可以用于高級修階段，以篩選結(jié)果作為判斷繼電器偶換件的標(biāo)準(zhǔn)之一。可根據(jù)不同設(shè)備，一次進行多件篩選，在人員操作熟練后，平均每件繼電器僅需1 min即可完成篩選，并可以做到100%全檢，通過篩選后可基本杜絕由于器件內(nèi)部缺陷引起的車輛運行故障。

4 X射線輻射與防護

由于X射線具有放射性，因此對人員、環(huán)境的防護要求極高。根據(jù)GBZ 117—2015《工業(yè)X射線探傷放射防護要求》[3]，應(yīng)對探傷工作場所實行分區(qū)管理，通過對輻射進行屏蔽，將現(xiàn)場輻射劑量控制在標(biāo)準(zhǔn)要求的“關(guān)注點最高周圍劑量當(dāng)量率參考控制水平不大于2.5 μSv/h”。其中設(shè)備產(chǎn)生的輻射產(chǎn)生可分為有用線束輻射、泄露輻射和散射輻射，有用線束在關(guān)注點處的劑量率可按以下公式進行估算：

(2)

式中：I——X射線探傷裝置在最高管電壓下的常用最高管電流，mA；

H0——距輻射源點(靶點)1 m處輸出量， μSv·m2/(mA·h)；

B——屏蔽透射因子；

R——輻射源點(靶點)至關(guān)注點的距離，m。

其中屏蔽透射因子B通過以下公式計算：

B=10-X/TVL

(3)

式中：X——屏蔽物質(zhì)厚度；

TVL——X射線在屏蔽物質(zhì)中的什值層厚度。

由于輻射危害性，X射線檢測多在屏蔽室內(nèi)進行。根據(jù)使用設(shè)備射線管的相應(yīng)參數(shù)，以及設(shè)備在鉛房中的擺放位置可以估算屏蔽后的輻射量是否達到標(biāo)準(zhǔn)[4]。

屏蔽室一般由操作室和鉛房搭建組成(圖9)，根據(jù)已有管電壓20～160 kV、管電流0.1～2 mA、微焦點0.5×0.7 mm的便攜式X光設(shè)備，結(jié)合場地情況測算，通過搭建3 000 mm×3 000 mm×2 600 mm尺寸的鉛房，可完全滿足輻射劑量小于標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖9 屏蔽室平面布置圖

根據(jù)上述公式，X設(shè)備射線管固定不動，主射束方向產(chǎn)生有用線束輻射，其余方向產(chǎn)生泄露輻射和散射輻射。代入X設(shè)備相關(guān)參數(shù)，以及設(shè)備距屏蔽室各方向墻面的距離等，可得主射束方向墻面外參考點的最大輻射劑量率均為1.17×10-3μSv/h，其他方向參考點處輻射劑量率在1.27×10-6～1.03×10-5μSv/h，均滿足 GBZ 117—2015中規(guī)定的“關(guān)注點最高周圍劑量當(dāng)量率參考控制水平不大于 2.5 μSv/h”的要求。

此外，工作人員配備有輻射劑量監(jiān)測儀(圖10)，以監(jiān)測輻射個人劑量的變化情況，控制接受劑量，保證職業(yè)人員的健康水平[5]。

圖10 輻射劑量監(jiān)測儀

5 小結(jié)及展望

X射線檢測技術(shù)應(yīng)用在動車組零部件檢測，可以發(fā)現(xiàn)其中內(nèi)部缺陷，消除零部件故障失效隱患。除文中涉及的案例外，后續(xù)可進一步研究將檢測技術(shù)應(yīng)用于更多零部件中，間接提高車輛子部件的質(zhì)量，降低運用故障率。