石油管道焊縫數(shù)字射線檢測系統(tǒng)試驗

祖耀中

(遼寧石油化工大學機械學院，遼寧 撫順 113001)

引 言

據(jù)統(tǒng)計表明，石油管道在建設和運行期間由于焊接質量不滿足相關標準、規(guī)范要求存在極大的安全隱患。從某種程度上講，石油管道焊縫質量直接決定整個工程輸油工程的安全性和優(yōu)劣性。因此，在實際應用中需采取可靠、有效的手段對石油管道的焊接質量進行綜合判定。目前，針對石油管道焊縫質量檢測的主要手段為射線檢測法，該種方式具有準確性高、可直觀顯示焊縫的圖像，尤其適用于對體積型缺陷檢測的特點[1]。但是，射線檢測手段在實際應用中還存在效率低、周期長、檢測成本高、作業(yè)人員勞動強度大、保存成本高等劣勢。

因此，對于石油管道焊縫質量檢測而言，采用射線檢測技術不僅影響石油管道的施工速度，而且對后期管道連續(xù)性生產(chǎn)帶來隱患。本文將基于上述問題提出石油管道焊縫檢測的數(shù)字射線檢測方法，并對檢測系統(tǒng)進行試驗研究。

1 數(shù)字射線檢測系統(tǒng)工作原理

首先，數(shù)字射線檢測系統(tǒng)是在射線檢測技術的基礎上形成。射線檢測技術是依據(jù)當射線穿透管道的缺陷或者在結構上存在差異的部位時，對應射線的衰減程度不同，因此，根據(jù)射線衰減程度的不同判斷管道焊縫質量。根據(jù)數(shù)字射線檢測的基本原理，其主要由射線源、探測器及圖像處理分系統(tǒng)等組成。數(shù)字射線檢測流程如圖1所示。

圖1 數(shù)字射線檢測流程

圖1所示的“3”平板探測器為數(shù)字射線檢測系統(tǒng)的關鍵儀器，其主要獲取穿透待檢測物件射線，該器件的性能將直接決定圖像的質量，進而決定對焊縫質量評估的準確性和效率。平板探測器可分為非晶硅平板探測器和非晶硒平板探測器。其中，非晶硅平板探測主要對工業(yè)中管道的焊縫質量進行探測；非晶硒平板探測器主要應用于醫(yī)療行業(yè)。本文著重對非晶硅平板探測器進行研究，非晶硅平板探測器主要包括有閃爍體層、非晶硅層、放大電路和晶體管陣列等[2]。

1)閃爍體層是一種在射線的作用下發(fā)光的化合物。閃爍體層的厚度范圍一般為500 μm～600 μm。

2)晶體管陣列主要功能是將閃爍體層發(fā)出的可見光轉換為凸顯，從而完成了對連續(xù)圖像的采樣。

3)放大電路為非晶硅平板探測器外圍電路的一種，其在時序控制的統(tǒng)一指揮下并通過A/D轉換器將電信號轉換為數(shù)字信號，并將所轉換的數(shù)字信號發(fā)送至上位機顯示、記錄。

2 數(shù)字射線檢測系統(tǒng)的試驗研究

影響數(shù)字射線檢測系統(tǒng)檢測質量主要因素包括有對比度、不清晰度和顆粒度。因此，可通過控制數(shù)字射線檢測系統(tǒng)的對比度、不清晰度和顆粒度保證其檢測精度。

2.1 檢測系統(tǒng)工藝條件的選擇

鑒于非晶硅平板探測器與膠片之間的本質區(qū)別，其應用于數(shù)字射線檢測系統(tǒng)關鍵不足在于其分辨率不足。因此，為保證數(shù)字射線檢測系統(tǒng)的圖像質量需對系統(tǒng)對比度和空間分辨率進行同時設置。

2.1.1 透照布置方式的選取

數(shù)字射線檢測系統(tǒng)透照布置主要包括對系統(tǒng)透照方式、透照方向以及一次透照區(qū)等參數(shù)的確定。其中，針對石油管道焊縫檢測可采用的透照方法包括有單壁單影、雙壁單影以及雙壁雙影，三種透照方法中以單壁單影的透照方法靈敏度最高，故選擇單壁單影透照；同時，針對石油管道焊縫的檢測將其透照源設置在外，并將射線垂直照射于被檢測部件的表明，盡可能地提升一次透照區(qū)。

2.1.2 透照參數(shù)的確定

對于數(shù)字射線檢測系統(tǒng)而言，透照參數(shù)包括有射線能量、焦距以及曝光量等。其中，隨著射線能量的增加，系統(tǒng)檢測靈敏度將會下降[3]。故，在保證射線源足夠穿透力的情況下，射線能量應該盡可能的??；而焦距參數(shù)主要影響系統(tǒng)圖像的清晰度，結合相關研究及理論分析，一般將焦距設定為600 mm～900 mm；曝光量主要影響檢測系統(tǒng)所成像的信噪比，一般采用更大的曝光量以增加成像的質量。

2.2 射線檢測系統(tǒng)的配置

根據(jù)圖1所示的數(shù)字射線檢測流程配置各個檢測期間，主要包有X射線平板探測器、X射線機、圖像處理單元以及被測試件。本系統(tǒng)所測試的試件為X80鋼管。

結合目前常采用數(shù)字X射線平板探測器，本試驗系統(tǒng)所選擇平板探測器的具體型號為PaxScan2520型，該型平板探測器的關鍵參數(shù)如表1所示。

表1 PaxScan2520 X射線平板探測器關鍵參數(shù)

結合試驗系統(tǒng)對測試所要求的輻射強度、負載特性以及焦點尺寸等，所選擇X射線機的具體類型高頻固定式射線機，其關鍵參數(shù)如表2所示。

表2 高頻固定式射線機關鍵參數(shù)

對于圖像處理單元，本檢測系統(tǒng)選用專門的圖像處理軟件對平板探測器所形成的圖像進行處理，選用CPU為I3的工業(yè)計算機為本試驗系統(tǒng)的圖像處理單元。

2.3 數(shù)字射線檢測系統(tǒng)的試驗

本試驗對6個壁厚不同的鋼管進行測試，所測試試件的壁厚包括了當前石油管道常見的壁厚，并且包含了常見石油管道所存在的焊接缺陷[4]。不同試件所采用的測試參數(shù)如表3所示。

表3 不同試件測試參數(shù)

經(jīng)對不同壁厚管件所成像的圖像質量進行分析可知，該數(shù)字射線測試系統(tǒng)形成的圖像滿足相關標準要求。為進一步說明，數(shù)字射線檢測系統(tǒng)的優(yōu)越性，主要對本數(shù)字射線檢測系統(tǒng)和傳統(tǒng)膠片射線檢測系統(tǒng)的檢測效果進行對比分析。針對焊縫中的氣孔檢測對比結果如圖2所示。

圖2 數(shù)字和膠片射線檢測系統(tǒng)檢測結果對比

如圖2所示，圖2a)為數(shù)字射線檢測系統(tǒng)的成像結果，圖2b)為膠片攝像檢測系統(tǒng)的成像結果。經(jīng)對圖2進行分析可知,基于數(shù)字射線檢測系統(tǒng)和膠片射線檢測系統(tǒng)均檢測出管道焊縫中氣孔缺陷[5]。不同的是，基于數(shù)字射線檢測系統(tǒng)所成圖像的清晰度更好，圖形中氣孔缺陷更容易被辨識；而且，在實際檢測過程中發(fā)現(xiàn)，采用數(shù)字射線檢測系統(tǒng)較膠片射線檢測系統(tǒng)既有更高的檢測效率，其對應的成像時間較短。

針對焊縫中的裂紋檢測對比，結果如圖3所示。

圖3 數(shù)字和膠片射線檢測系統(tǒng)檢測結果對比

如圖3所示，圖3a)為數(shù)字射線檢測系統(tǒng)的成像結果，下圖為膠片攝像檢測系統(tǒng)的成像結果。經(jīng)對圖3進行分析可知：基于數(shù)字射線檢測系統(tǒng)和膠片射線檢測系統(tǒng)均可檢測出管道焊縫中裂紋缺陷且圖像清晰度相差不大。不同的是，基于數(shù)字射線檢測系統(tǒng)成像過程僅需短短幾秒鐘；而基于膠片射線檢測系統(tǒng)成像時還需借助暗室處理程度，大大延誤了檢測效率，而且增加了檢測人員的勞動強度。

3 結語

為保證石油管道在實際安裝和應用的安全性，需保證管道質量滿足相關標準要求。管道焊縫是影響其質量的關鍵因素，故需采取高效、可靠的檢測系統(tǒng)對管道焊縫進行檢測。數(shù)字射線檢測主要由平板探測器、射線機、圖像處理單元等關鍵分系統(tǒng)組成。本文針對6個不同壁厚的石油管道的焊縫缺陷進行檢測，并將其成像結果與膠片射線檢測系統(tǒng)進行對比得知，數(shù)字射線檢測系統(tǒng)與膠片射線檢測系統(tǒng)相比具有成像清晰度高、成像速度快、效率高以及勞動強度等優(yōu)勢，今后應在石油管道檢測中推廣。