紅外圖像在長輸天然氣管道焊接裂紋檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

葉朝偉，袁 野，胡金寶，王新栩

(浙江浙能天然氣管網(wǎng)有限公司，浙江 杭州 310052)

天然氣開發(fā)規(guī)模日益擴大，為解決天然氣傳輸問題，設(shè)計了長距離傳輸方法，確保天然氣順利進入居民與工廠內(nèi)，提升居民生活質(zhì)量[1-3]。長距離傳輸天然氣管道中會出現(xiàn)大量焊接處，隨之而來的問題是焊接質(zhì)量是否可靠，焊接質(zhì)量直接影響天然氣運輸?shù)陌踩煽啃訹4]，當焊接處出現(xiàn)裂紋情況，則會出現(xiàn)天然氣泄漏情況，引起重大安全事故。為確保天然氣運輸安全，避免出現(xiàn)天然氣泄漏現(xiàn)象[5]，需嚴格把控長輸天然氣管道焊接質(zhì)量，因此研究管道裂紋檢測系統(tǒng)，可確保管道焊接質(zhì)量過關(guān)。李文洋等[6]依據(jù)多向交流電位降法設(shè)計管道裂紋檢測系統(tǒng)，通過向管道施加各個方向的激勵電流，令裂紋方向和電流極線方向形成夾角，測量電壓值，依據(jù)電壓值分析管道是否存在裂紋，該系統(tǒng)具備較優(yōu)的裂紋檢測精度；趙亮等[7]針對管道內(nèi)壁裂紋深度檢測難度高的問題，設(shè)計管道內(nèi)壁裂紋檢測系統(tǒng)，通過斜射入SH波塑造聲場模型，分析斜入射SH波對裂紋深度的作用規(guī)律，完成裂紋深度檢測，該系統(tǒng)可有效檢測管道裂紋，具備一定的科學(xué)性與可行性。紅外圖像由紅外成像儀采集，通過分析紅外輻射量，完成缺陷檢測，具備無損檢測、效率高、安全性高與結(jié)果直觀可見等優(yōu)點[8]，在缺陷檢測領(lǐng)域應(yīng)用較廣。上述系統(tǒng)缺點是信號分析處理的難度較高，在檢測微小裂紋時的完整性較差。為此，研究了紅外圖像的長輸天然氣管道焊接裂紋檢測系統(tǒng)，結(jié)果表明，即使裂紋較小時，該系統(tǒng)依舊具備較優(yōu)的檢測效果。

1 天然氣管道焊接裂紋檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

利用紅外圖像結(jié)合超聲波換能器設(shè)計長輸天然氣管道焊接裂紋檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)通過可編程時序邏輯電路串行口與外圍電路構(gòu)建而成，依據(jù)可編程時序邏輯電路的控制性能，將指定的控制信號傳輸至超聲波激發(fā)電路內(nèi)的發(fā)射電源與信號接收回路內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器，發(fā)射電源接收信號后，向超聲換能器高壓放電，隨后向長輸天然氣管道發(fā)射超聲波，在管道周圍產(chǎn)生一定熱量。利用紅外圖像采集卡內(nèi)紅外CCD采集由熱量形成的紅外圖像，A/D轉(zhuǎn)換器依據(jù)設(shè)置的采樣速率采集經(jīng)由模擬調(diào)理視頻電路處理的信號，該信號需為不間斷信號，在SARM內(nèi)存儲數(shù)字化信息，完成一幀圖像采集；通過DSP處理并分析采集的圖像。EPROM的作用為存儲程序與初始化信息，SARM的作用為暫存信息，F(xiàn)LASH的作用為存儲分析獲取的結(jié)果。系統(tǒng)內(nèi)集成的串行口利于和計算機展開信息交換，計算機通過紅外圖像分析模塊處理獲取的信息，得到焊接裂紋檢測結(jié)果，若屬于焊接裂紋進行現(xiàn)場警報，并將焊接裂紋相關(guān)信息存儲于日志內(nèi)。

圖1 長輸天然氣管道焊接裂紋檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of welding crack detection system for long distance natural gas pipeline

2 天然氣管道焊接裂紋檢測硬件系統(tǒng)

2.1 超聲波激發(fā)電路

系統(tǒng)內(nèi)超聲波激發(fā)電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 超聲波激發(fā)電路結(jié)構(gòu)Fig.2 Ultrasonic excitation circuit structure

圖2中，該電路利用充電電容朝換能器線圈放電，快速變更電脈沖信號，令換能器發(fā)射頭發(fā)送超聲波信號。

換能器啟動步驟：①通過直流電源為儲能電容C充電，同時確保電壓維持原樣；②觸發(fā)脈沖，令開關(guān)管VT導(dǎo)通，利用將儲能電容C內(nèi)的電荷高效地朝換能器線圈放電；③放電電流處于頂點情況下，立即關(guān)閉開關(guān)管VT，令電流瞬間跌至0，獲取高頻電流脈沖，電流驟變會令伸縮棒出現(xiàn)劇烈膨脹，隨后立即還原至自由態(tài)，造成電感線圈L、儲能電容C出現(xiàn)并聯(lián)諧振情況，形成高強度超聲波。

2.2 紅外圖像采集卡

紅外圖像采集卡的作用為利用紅外CCD采集超聲波信號的紅外圖像，經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換變更成數(shù)字信號圖像，并傳遞至計算機，圖像采集卡的采集原理如圖3所示。

圖3 紅外圖像采集卡的采集原理Fig.3 Acquisition principle of infrared image acquisition card

A/D采集為實時采集，通過圖像存儲器增加計算機內(nèi)存，確保實時采集能力不受干擾[9]。該采集卡在采集長輸天然氣管道焊接裂紋過程中，具備較優(yōu)的抗干擾性能。

3 天然氣管道焊接裂紋檢測軟件系統(tǒng)

3.1 紅外圖像的焊接裂紋檢測方法

利用自適應(yīng)區(qū)域生長與數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的紅外圖像融合方法，提取長輸天然氣管道的焊接裂紋，具體步驟：①利用熱響應(yīng)差分法抑制原始紅外圖像內(nèi)焊縫表面的干擾因素，獲取增強的紅外圖像；②通過自適應(yīng)區(qū)域生長方法分割增強的紅外圖像，避免粗糙表面影響裂紋提取效果[10-12]，得到異常溫度區(qū)域；③通過數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)提取原始紅外圖像的焊縫輪廓信息；④融合步驟②與步驟③獲取的結(jié)果，按照裂紋幾何形狀特征與紅外圖像特征，精準提取裂紋。

3.2 紅外圖像增強

令像素點(α，β)的紅外熱響應(yīng)xα，β(t)的表達式如下：

xα，β(t)=ρα，βσsbTα，β(t)

(1)

式中，ρα，β為(α，β)相應(yīng)的熱發(fā)射率；σsb為斯蒂芬—玻爾茲曼常數(shù)；Tα，β(t)為t時刻與(α，β)相應(yīng)的溫度分布。

通過環(huán)境溫度與ρα，β獲取Tα，β(t)，設(shè)紅外熱響應(yīng)Mα，β(t)=ln [xα，β(t)]，那么：

Mα，β(t)=ln(εα，β)+lnσ+ln [Tα，β(t)]

(2)

選擇2幀紅外圖像，那么熱響應(yīng)差分ΔM如下：

(3)

其中，在t1與t2時，與(α，β)相應(yīng)的溫度分別為Tα，β(t1)與Tm，n(t2)。ΔM1，2>0，說明t1～t2間(α，β)溫度上升；ΔM1，2<0，說明t1～t2間(α，β)溫度下降。ΔM1，2與ρ無關(guān)，僅和T相關(guān)[13]，實現(xiàn)長輸天然氣管道焊接處ρ與T的分離。

3.3 異常區(qū)域分割

(4)

式中，P、Q為第k個異常溫度區(qū)域的位置；Fk(i，j)為(i，j)的歸一化灰度值。

3.4 焊縫邊緣提取

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)內(nèi)膨脹與腐蝕運算可令焊縫邊緣區(qū)域出現(xiàn)膨脹與收縮，用于描繪焊縫邊緣位置的灰度分布梯度，完成焊縫邊緣提取，焊縫邊緣提取算子如下：

(5)

式中，f(i，j)為增強后的圖像；b(s，t)為結(jié)構(gòu)元素；Uf、Ub分別為f與b的定義域。

3.5 焊接裂紋提取

(6)

式中，n為正整數(shù)；l′為分割后裂紋長度；l為原有裂紋長度。

通過先驗信息獲取最優(yōu)Tk，將其當成中級融合的區(qū)域生長閾值，用于提取長輸天然氣管道焊接裂紋。

4 實例分析

以某長輸天然氣管道生產(chǎn)公司為實驗對象，利用本文系統(tǒng)檢測該公司內(nèi)管道的焊接裂紋，驗證本文系統(tǒng)的有效性。

在該公司隨機選取一條長輸天然氣管道，利用本文系統(tǒng)檢測該管道焊接處的裂紋，檢測結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4可知，本文系統(tǒng)可有效采集長輸天然氣管道焊接處的紅外圖像，合理增強圖像，令圖像清晰度更佳，有效提取異常溫度區(qū)域，精準完成裂紋檢測。實驗表明，本文系統(tǒng)可有效檢測長輸天然氣管道的焊接裂紋。

圖4 焊接處裂紋檢測結(jié)果Fig.4 Detection results of welding crack

為測試本文系統(tǒng)對長輸天然氣管道焊接裂紋的檢測效果，在該公司隨機選擇一條長輸天然氣管道，并在焊接處加工出寬度均為0.6 mm的裂紋，共分成3組，分別測試在不同裂紋長度、深度與夾角時本文系統(tǒng)的裂紋檢測效果，測試結(jié)果見表1。

表1 三組裂紋檢測效果Tab.1 Crack detection results of three groups

其中，Ⅰ組為不同長度的裂紋，Ⅱ組為與焊接方向呈不同夾角的裂紋，Ⅲ組為不同深度的裂紋。根據(jù)表1可知，本文系統(tǒng)可有效檢測長輸天然氣管道焊接裂紋的長度、深度與夾角。隨著長度、深度與夾角的增加，檢測結(jié)果的誤差隨之偏大，最大長度誤差為0.06 mm。當裂紋長度小于12 mm時，本文系統(tǒng)檢測的裂紋長度與實際長度完全相同；當裂紋寬度小于4 mm時，檢測的裂紋寬度與實際寬度完全相同；當裂紋寬度超過4 mm時，最大檢測誤差為0.02 mm；當裂紋與焊接處夾角小于33°時，檢測夾角與實際夾角完全相同；當夾角超過33°時，最大檢測誤差為0.08°。綜合分析可知，本文系統(tǒng)檢測裂紋長度與寬度的最大誤差均未超過1 mm，夾角最大誤差未超過1°，說明本文系統(tǒng)檢測焊接裂紋精度較高，同時也能夠精準檢測微小裂紋。

通過敏感性(Sensitivity，SE)與特異度(Specificity，SP)衡量本文系統(tǒng)分割上述12個裂紋紅外圖像的效果，紅外圖像分割效果優(yōu)劣直接影響后續(xù)裂紋檢測的精度，SE與SP值越接近1，說明系統(tǒng)的紅外圖像分割效果越佳，測試結(jié)果見表2。根據(jù)表2可知，隨著裂紋長度、深度與夾角的擴大，本文系統(tǒng)分割紅外圖像時的SE、SP值均隨之增長，3組裂紋中最低SE與SP值分別為0.96、0.97，均與1非常接近。說明本文系統(tǒng)分割紅外圖像的性能較優(yōu)，在分割微小裂紋紅外圖像時依舊具備較優(yōu)的分割效果。

表2 紅外圖像分割效果Tab.2 Infrared image segmentation effect

利用完整性(Compl)與裂紋提取質(zhì)量(Quality)衡量本文系統(tǒng)提取長輸天然氣管道焊接裂紋的效果，完整性屬于正確提取的裂紋像素數(shù)量與理論裂紋區(qū)域像素總數(shù)間的比值，取值區(qū)間為[0，1]，其值越高說明裂紋提取完整性越佳，最低取值需超過0.5才符合裂紋檢測需求；裂紋提取質(zhì)量取值區(qū)間也是[0，1]，其值越高說明裂紋提取質(zhì)量越佳，最低取值需超過0.7才符合裂紋檢測需求；長輸天然氣管道中噪聲較多，為此分析在不同噪聲時本文系統(tǒng)提取焊接裂紋的完整性與裂紋提取質(zhì)量，分析結(jié)果如圖5所示。根據(jù)圖5可知，噪聲不斷擴大，本文系統(tǒng)檢測裂紋時的Compl值與Quality值均隨之下降。當噪聲達到80 dB時，Quality值趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定在0.71左右，滿足裂紋檢測需求；當噪聲達到100 dB時，Compl值趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定在0.55左右，同樣滿足裂紋檢測需求。實驗證明，本文系統(tǒng)在噪聲影響下的Compl值與Quality值均較高，具備較優(yōu)的裂紋檢測需求，為居民用氣安全提供保障。

圖5 完整性與裂紋提取質(zhì)量分析結(jié)果Fig.5 Analysis results of integrity and crack extraction quality

5 結(jié)論

天然氣運輸效率與其運輸時的管道質(zhì)量息息相關(guān)，天然氣管道建設(shè)時必須避免管道裂紋情況出現(xiàn)，其中管道焊接處為最易出現(xiàn)裂紋地方。為確保天然氣運輸效率及安全，研究了紅外圖像的長輸天然氣管道焊接裂紋檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分結(jié)合超聲波激發(fā)電路與紅外圖像的優(yōu)勢，精準檢測管道焊接裂紋，確保管道運行的安全性能，令居民用氣安全得到保障，提升居民生活質(zhì)量，避免出現(xiàn)重大安全事故。