數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)在壓力管道檢測(cè)中的應(yīng)用研究

歐陽順

（中石化天津液化天然氣有限責(zé)任公司，天津 300280）

0 引言

壓力管道的安全運(yùn)行關(guān)系著國計(jì)民生和社會(huì)穩(wěn)定，但管道在運(yùn)行過程中受環(huán)境因素以及載荷工況的影響，不可避免地會(huì)產(chǎn)生微觀缺陷的萌生、擴(kuò)展直至發(fā)展成宏觀缺陷，最終造成管道的破壞。而通過無損檢測(cè)方法對(duì)管道進(jìn)行定期檢測(cè)是保證壓力管道安全運(yùn)行的有效手段。

無損檢測(cè)技術(shù)是借助聲、光、電、熱、磁等物理現(xiàn)象對(duì)工件在制造、服役過程中產(chǎn)生的宏觀或微觀缺陷進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)材料或工件的結(jié)構(gòu)完整性、特性和組成進(jìn)行評(píng)價(jià)的檢驗(yàn)技術(shù)。此類檢測(cè)技術(shù)基于物理原理，不損害被檢對(duì)象的性能與結(jié)構(gòu)完整性。射線檢測(cè)技術(shù)是無損檢測(cè)技術(shù)中的一種托底技術(shù)，它可以以直觀的方式表現(xiàn)出工件內(nèi)部的缺陷，而其他類型的檢測(cè)技術(shù)，例如超聲、相控陣檢測(cè)技術(shù)等往往都以替代射線檢測(cè)技術(shù)為目標(biāo)。

射線檢測(cè)技術(shù)從20 世紀(jì)20 年代開始工業(yè)應(yīng)用以來，至今已有將近100 年的發(fā)展史，目前已經(jīng)形成了由射線照相技術(shù)、射線實(shí)時(shí)成像技術(shù)、射線層析成像技術(shù)（工業(yè)CT）構(gòu)成的射線無損檢測(cè)技術(shù)體系。對(duì)于特種設(shè)備行業(yè)而言，射線檢測(cè)技術(shù)是射線照相技術(shù)。最初的射線照相技術(shù)一般是指膠片射線照相技術(shù)，而隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，20 世紀(jì)80 年代中后期數(shù)字射線檢測(cè)逐漸進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。目前，數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)在管道檢測(cè)中的應(yīng)用已經(jīng)日漸增多，并已經(jīng)在國家層面形成了相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——NB/T 47013.11—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第11 部分：X 射線數(shù)字成像檢測(cè)》，用于指導(dǎo)實(shí)際的檢驗(yàn)工作。

據(jù)相關(guān)資料報(bào)道，數(shù)字射線DR 檢測(cè)[1]已用于中俄東線北段管道0.75%焊口的檢驗(yàn)中，檢驗(yàn)結(jié)果表明：以RT 檢測(cè)結(jié)果為基準(zhǔn)，DR 檢測(cè)的缺陷評(píng)判符合率為68%～98%，初步分析結(jié)果顯示，DR 檢測(cè)效果不穩(wěn)定，還急需完善DR 設(shè)備校驗(yàn)、檢測(cè)工藝規(guī)程等方面的技術(shù)管理體系。

1 數(shù)字射線檢測(cè)的基本原理和技術(shù)特點(diǎn)[2-4]

不同于射線膠片照相技術(shù)，數(shù)字射線檢測(cè)的基本原理是：射線透過金屬材料后，其強(qiáng)度會(huì)由于材料的吸收現(xiàn)象而發(fā)生改變，而這些記錄著金屬材料吸收量信息的射線會(huì)被射線探測(cè)器接受，并經(jīng)過模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)變而被計(jì)算機(jī)所接受，形成數(shù)字圖像，并最終按照一定格式儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)內(nèi)，并可在顯示儀器上顯示。專業(yè)人員可根據(jù)這些圖像進(jìn)行缺陷評(píng)定。同常規(guī)射線膠片照相檢測(cè)相比，數(shù)字射線檢測(cè)具有檢測(cè)和資料管理效率高、檢測(cè)輻射劑量小、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、使用方便的優(yōu)點(diǎn)。

目前工業(yè)上應(yīng)用較多的是基于面陣列探測(cè)器的數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)是將射線經(jīng)過轉(zhuǎn)換屏轉(zhuǎn)換為光電信號(hào)后，利用平板式二維圖像探測(cè)器陣列（常見的有非晶硅陣列探測(cè)器、非晶硒列探測(cè)器、CMOS 列探測(cè)器）接收后轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像。而其最大的弱點(diǎn)是目前空間分辨率仍無法與普通射線膠片照相形成的影像相比，例如數(shù)字射線成像圖片的像素一般在百萬級(jí)，而X 射線模擬影像的像素大約是2000 萬像素，相差明顯。

但數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，技術(shù)等級(jí)目前普遍達(dá)到B級(jí)高靈敏等級(jí)，并在國家層面的標(biāo)準(zhǔn)中有了體現(xiàn)。

2 數(shù)字射線檢測(cè)工藝的制定[5]

以實(shí)際工件的數(shù)字射線檢測(cè)為例，說明數(shù)字射線檢測(cè)工藝的制定過程。待檢對(duì)象為施工期金屬管道，材料為20 號(hào)鋼，管道檢測(cè)部位為管道環(huán)焊縫，接頭類型為對(duì)接焊縫，坡口形式為V 形。

在制定數(shù)字射線檢測(cè)工藝時(shí)要從設(shè)備、工藝等多方面進(jìn)行考慮，包括射線機(jī)和探測(cè)器的選擇，管電壓、管電流、曝光時(shí)間的確定，透照方式和參數(shù)的確定，圖像質(zhì)量的控制等方面。

2.1 射線機(jī)的選擇

數(shù)字射線射線機(jī)的選擇主要考慮以下兩個(gè)方面：

（1）焦點(diǎn)尺寸的選擇。X 射線管的焦點(diǎn)尺寸直接影響檢測(cè)圖像的質(zhì)量，焦點(diǎn)越小，幾何不清晰度越小，檢測(cè)圖像質(zhì)量越高；但隨著焦點(diǎn)減小，靶體上熱量密度會(huì)急劇增越，因此，焦點(diǎn)大小應(yīng)該有個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶?。?qiáng)制冷卻的散熱方式可以降低焦點(diǎn)的尺寸極限。

（2）管電壓的控制形式。為保證計(jì)算機(jī)處理得到質(zhì)量穩(wěn)定的圖像，常規(guī)的半波整流X 射線機(jī)已不適用，要求X 射線機(jī)電位穩(wěn)定，管電壓峰差小于1%。

綜上考慮，選擇型號(hào)為PXS EVO 300DS 的X 射線機(jī)（圖1），該設(shè)備穿透性強(qiáng)、曝光時(shí)間短、檢測(cè)圖像分辨率高，最大管電壓為300 kV，焦點(diǎn)尺寸為1.0 mm，電位恒定，最大輸出功率900 W。

圖1 PXS EVO 300DS X 射線機(jī)

管道的數(shù)字射線檢驗(yàn)通常是針對(duì)帶保溫層和不帶保溫層管道兩種情況，其主要區(qū)別在于不帶保溫層管道檢驗(yàn)可采用無放大倍數(shù)的透照布置方式進(jìn)行檢測(cè)，而帶保溫層檢測(cè)需采用放大透照布置方式。

要求數(shù)字射線檢測(cè)的X 射線機(jī)具有連續(xù)工作的能力，因此其射線管一般采用金屬陶瓷X 射線管，雙小焦點(diǎn)的形式，并采用強(qiáng)制散熱的冷卻方式。

2.2 探測(cè)器的選擇

輻射探測(cè)器是完成射線的探測(cè)和轉(zhuǎn)換并獲得射線檢測(cè)圖像的器件，它的性能直接影響檢測(cè)圖像的質(zhì)量。目前常用于工業(yè)數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)的輻射探測(cè)器，從原理上可分為半導(dǎo)體輻射探測(cè)器、閃爍輻射探測(cè)器。

輻射探測(cè)器的性能主要包括像素尺寸、空間分辨率、動(dòng)態(tài)范圍、適用能量、使用范圍等。像素尺寸的大小直接影響著檢測(cè)圖像的質(zhì)量。一般來說，隨著像素尺寸減小，像素密度增加，圖像顆粒度減小，圖像清晰度增加，空間分辨率增大，對(duì)分細(xì)節(jié)的辨力就增強(qiáng)。但是空間分辨率受到探測(cè)器對(duì)X 射線光子的檢測(cè)靈敏度、信噪比、動(dòng)態(tài)范圍等限制不能無限提高。在探測(cè)器面積一定的條件下，只有減少像素顆粒尺寸、增加像素密度，才能增加空間分辨率。但隨著像素顆粒面積的越小，單一像素檢測(cè)到的X射線光子數(shù)也會(huì)隨之減少，單個(gè)像素的感光性能降低，像素點(diǎn)的信噪比降低、動(dòng)態(tài)范圍變窄，那些本身對(duì)比度很低的缺陷就很難被檢測(cè)出來。同時(shí)像素過小、或單位面積內(nèi)像素過多，會(huì)引起圖像噪聲急劇增大，導(dǎo)致圖像質(zhì)量的急劇惡化，最終即使增加了的空間分辨率又會(huì)被因此帶來的噪聲淹沒。研究實(shí)踐表明，理想的像素尺寸為140～200 μm。

綜上，輻射探測(cè)器選擇型號(hào)為NOVO 15WN，像素148 μm，探測(cè)器規(guī)格330 mm×269 mm。

2.3 透照方式和透照參數(shù)的選擇

由于待檢工件管徑較小，不能采用射線源置于管內(nèi)的周向透照方式，因此采用如圖2 所示的雙壁單影透照方式。

圖2 雙壁單影透照方式

透照參數(shù)包括管電壓、焦距和曝光量。X 射線的管電壓決定了射線的能量，能量的高低決定了射線能否穿透待檢工件。射線管電壓的選擇原則是在保證穿透能力的前提下，管電壓應(yīng)取盡可能低的值。因?yàn)檩^低的管電壓和較大的管電流可增加檢測(cè)圖像的相對(duì)靈敏度，在相同曝光量的條件下，較高的射線管電壓會(huì)損失圖像的對(duì)比度。因?yàn)閳D像的對(duì)比度由射線探測(cè)器面板上各處接受的射線光子數(shù)的比值決定，如果能量過大，待檢工件結(jié)構(gòu)或材料不均勻處衰減量的相對(duì)比值就會(huì)顯小，對(duì)比度就會(huì)降低。而NB/T 47013.11—2015 則根據(jù)材料類型以及工件壁厚對(duì)最大管電壓進(jìn)行了限制，對(duì)于碳鋼而言，透照壁厚為8 mm 時(shí)，最大管電壓不超過160 kV，因此最大管電壓選擇為140 kV。

曝光量是管電流和曝光時(shí)間的乘積，可以認(rèn)為是到達(dá)射線探測(cè)器的X 射線光子的數(shù)量或劑量。曝光量不直接影響檢測(cè)圖像的對(duì)比度以及空間分辨率，但對(duì)數(shù)字圖像的信噪比影響較大。較大的曝光量可以獲得較好的檢測(cè)圖像，通常以圖像對(duì)比度和空間分辨率為指標(biāo)控制曝光量。圖像對(duì)比度選擇為像質(zhì)計(jì)靈敏度達(dá)到14，像質(zhì)計(jì)型號(hào)為10FeJB，空間分辨率用圖像分辨率表征，圖像分辨率為200 μm，空間分辨率為2.5 lp/mm。

焦距與幾何不清晰度和一次透照區(qū)域的大小相關(guān)。目前數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)典型的限制是按照技術(shù)等級(jí)限制可使用的最小射線源到工件源測(cè)表面的距離，即圖2 中的f。較高靈敏度技術(shù)等級(jí)，其中為焦點(diǎn)尺寸。考慮到檢測(cè)空間限制，焦距選擇為348 mm，工件源測(cè)表面至探測(cè)器表面的距離b 為4 mm。

3 檢測(cè)結(jié)果及討論

環(huán)焊縫檢測(cè)圖像如圖3 所示，圖像大小1920×1534，300 萬像素。檢測(cè)圖像中工件的輪廓外部由于曝光充分，圖像灰度幾乎為黑色；X 射線機(jī)的焦點(diǎn)集中在圖像右側(cè)，此處黑度要大于圖像左側(cè)部分，因?yàn)樽髠?cè)部分射線傾斜穿過工件，衰減距離過長(zhǎng)，曝光不足，灰度偏??；此外，在圖像中可以看到橢圓形的環(huán)焊縫，此部分由于焊縫余高的存在，射線穿過時(shí)衰減量比其余部分大，因此呈現(xiàn)為較亮的橢圓環(huán)形。此外，圖像中文字均以相反形式展現(xiàn)，說明像質(zhì)計(jì)和標(biāo)識(shí)貼在了近探測(cè)器側(cè)。

檢測(cè)圖像的質(zhì)量由對(duì)比度和空間分辨率控制。從圖3 可以看到像質(zhì)計(jì)橫跨在焊縫處，并且從圖中可以識(shí)別出第5 根即14號(hào)金屬絲。圖4 是布置于焊縫附近的雙絲像質(zhì)計(jì)，從圖中可以看到200 μm 的雙絲。但識(shí)別程度與鑒別人員的視力相關(guān)，存在一定的不確定性。如果輔以數(shù)字圖像，可以相互驗(yàn)證。

圖3 環(huán)焊縫檢測(cè)圖像

圖4 像質(zhì)計(jì)布置

圖5 是雙絲像質(zhì)計(jì)圖像和灰度數(shù)字化圖譜，從圖中可以分辨出倒數(shù)第4 個(gè)雙絲，倒數(shù)第3 個(gè)雙絲比較模糊，但從灰度圖譜可以分辨出倒數(shù)第3 個(gè)雙絲。其識(shí)別原理是利用光學(xué)中的瑞利判據(jù)來判定，即當(dāng)兩等強(qiáng)度的孤立線像合成分布的中央最小值不高于兩邊最大值（圖中G點(diǎn)）的0.785 時(shí)認(rèn)為可分辨。

圖5 雙絲像質(zhì)計(jì)布置

圖6 是數(shù)字射線檢測(cè)時(shí)焊縫中氣孔缺陷的檢測(cè)圖像，從圖中可以觀察到銀白色的焊縫區(qū)域中有黑色的斑點(diǎn)，這說明黑色的斑點(diǎn)處射線衰減程度要低于周圍焊縫區(qū)域，并結(jié)合其形貌，可確定此處是氣孔缺陷。圖7 是數(shù)字射線檢測(cè)時(shí)焊縫中裂紋缺陷的檢測(cè)圖像，從圖中可以觀察到銀白色的焊縫區(qū)域中有黑色的線形，這說明黑色線條處射線衰減程度要低于周圍焊縫區(qū)域，結(jié)合其形貌，可確定此處是裂紋缺陷（圖8）。

圖6 雙絲像質(zhì)計(jì)識(shí)別對(duì)比

圖7 缺陷檢測(cè)圖像

圖8 裂紋缺陷

4 結(jié)語

數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)可以用于管道環(huán)焊縫的檢測(cè)，設(shè)定恰當(dāng)?shù)臋z測(cè)工藝可以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫處裂紋、氣孔等缺陷的檢測(cè)。