關(guān)于低溫管道在役數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用的研究

趙書毅，牛 帥，孟令民，張紹昆

（青島市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，山東青島 266000）

0 引言

工業(yè)管道定期檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)焊接缺陷的方法通常應(yīng)用膠片射線檢測(cè)，在檢測(cè)過程中需要拆除保溫層，置換、排空介質(zhì)后才能開展工作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力、材料消耗大、停工時(shí)間長(zhǎng)、拆除和恢復(fù)保溫層過程中出現(xiàn)的安全問題也屢見不鮮，生產(chǎn)企業(yè)也會(huì)因生產(chǎn)產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)價(jià)值的不同對(duì)停工檢測(cè)造成30～300 萬元/日的損失。數(shù)字射線成像技術(shù)可以有效降低工業(yè)生產(chǎn)中的檢測(cè)安全問題，不用重復(fù)以上的排空、置換工作，可以在不停機(jī)的情況下實(shí)現(xiàn)內(nèi)部缺陷檢測(cè)，實(shí)時(shí)、快速呈現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果，從而提高企業(yè)生產(chǎn)的效率及安全性，減少能耗和環(huán)境破壞。

低溫壓力管道系統(tǒng)通常應(yīng)用有易燃、易爆性質(zhì)的制冷介質(zhì)，在管道發(fā)生泄漏事故后很容易造成相關(guān)人員中毒、破壞生態(tài)平衡等不良后果，因此針對(duì)壓力管道埋藏性缺陷的檢測(cè)，力爭(zhēng)做到做到“防微杜漸”。

1 X 射線數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)發(fā)展概況與趨勢(shì)

X 射線數(shù)字成像技術(shù)作為新型射線檢測(cè)技術(shù)，不同于傳統(tǒng)膠片射線檢測(cè)、計(jì)算機(jī)射線檢測(cè)技術(shù)，其采用非晶硅平板探測(cè)器接收X 射線，成像方便、直觀，傳輸方便，圖像對(duì)比度范圍一般會(huì)比較大[1]。應(yīng)用于涉氨類低溫、小管徑壓力管道有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，在不停機(jī)檢測(cè)過程中，常常依據(jù)數(shù)字射線檢測(cè)圖像灰度的變化來判斷管道埋藏性缺陷的嚴(yán)重程度[2]。

為了更為準(zhǔn)確地了解X 射線數(shù)字成像技術(shù)并在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用與推廣，世界各地區(qū)的檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)著手開展多項(xiàng)關(guān)于該技術(shù)的應(yīng)用研究工作。在研究過程中進(jìn)一步掌握數(shù)字成像技術(shù)的各種應(yīng)用參數(shù)，以此制定了一系列規(guī)范作為技術(shù)支撐，并逐漸形成一定的理論體系。得益于歐盟各國(guó)聯(lián)合承辦的FilmTree 科技研究項(xiàng)目，德國(guó)聯(lián)邦材料測(cè)試研究所（BAM）的專家學(xué)者更為深入、系統(tǒng)地探究了數(shù)字射線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，通過大量區(qū)別于傳統(tǒng)膠片檢測(cè)技術(shù)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出其成像效果更好、缺陷檢出率更高這些明顯優(yōu)勢(shì)[3]。

射線檢測(cè)法具有對(duì)待檢本體缺陷的直觀表現(xiàn)、定位精準(zhǔn)、檢測(cè)結(jié)果記錄便捷等特點(diǎn)，成為工業(yè)制造生產(chǎn)應(yīng)用廣泛的質(zhì)量控制方法?，F(xiàn)在射線成像技術(shù)已應(yīng)用于各行各業(yè)，并快速發(fā)展：在核能領(lǐng)域，它應(yīng)用于核反應(yīng)堆元件密度測(cè)量及缺陷的檢測(cè)，以便明確殼體內(nèi)部芯體位置、核動(dòng)力裝置及組件的構(gòu)成；在航空航天領(lǐng)域，它用于精密鑄件及復(fù)合材料的缺陷檢測(cè)；在鋼鐵行業(yè)，通過成像底片中管徑、壁厚橢圓度及偏心率等參數(shù)的測(cè)量實(shí)現(xiàn)對(duì)于鋼材質(zhì)量的把控。此外，醫(yī)療、食品藥品、礦產(chǎn)、建筑、石油化工等各行業(yè)已廣泛應(yīng)用了X 射線無損檢測(cè)技術(shù)。

應(yīng)用于壓力管道檢測(cè)領(lǐng)域的數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)在我國(guó)發(fā)展已有20 余年，但是國(guó)內(nèi)目前實(shí)際檢測(cè)的案例卻比較少。從目前開展的實(shí)際應(yīng)用情況來看，存在缺陷成像測(cè)量結(jié)果偏差較大、覆蓋保冷層的焊縫位置難以確定、檢測(cè)工裝穩(wěn)定性得不到保障、非相關(guān)缺陷影響檢測(cè)結(jié)果等諸多問題。針對(duì)目前所遇到的困難，青島市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院力求在DR（Digital Radiograph，數(shù)字射線成像檢測(cè)）設(shè)備校驗(yàn)方法、覆蓋保溫層管線焊縫位置確定等方面持續(xù)攻關(guān)，不斷完善DR 檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)管道工程應(yīng)用的技術(shù)體系。

2 X 射線數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)原理

當(dāng)X 射線入射到工件表面時(shí)，工件組成原子便會(huì)與入射光子相互作用，發(fā)生吸收、散射等現(xiàn)象弱化射線束的強(qiáng)度，其程度通常與工件厚度、材料衰減系數(shù)相關(guān)。如果工件內(nèi)部存在埋藏性缺陷，其性質(zhì)與構(gòu)成缺陷的材料的衰減程度是存在差異的，通過對(duì)差異的分析可以得出工件是否存在缺陷。在射線束穿透被檢測(cè)工件后，可以得到射線強(qiáng)度分布潛像圖，與此同時(shí)在工件背面放置一臺(tái)檢測(cè)儀，得到這些潛像的投影，再通過特定的技術(shù)加以處理，可以使這些潛像轉(zhuǎn)化成肉眼可見的二維平面布置圖[4]。

區(qū)別于射線膠片照相技術(shù)，數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)的基本原理是：射線束在穿透金屬材料后，強(qiáng)度往往會(huì)減弱，隨后由平板探測(cè)器接收，并通過對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)從而被計(jì)算機(jī)接收，形成數(shù)字圖像，并最終以一定的形式儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)內(nèi)，在顯示儀器上顯示[5]。數(shù)字射線檢測(cè)系統(tǒng)由射線源、中心控制單元、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集和圖像處理軟件、平板探測(cè)器組成，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，如數(shù)字射線成像圖片的像素一般在百萬級(jí)，而X 射線模擬影像大約是2000 萬像素。

3 X 射線數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

3.1 圖像靈敏度

在開展數(shù)字射線檢測(cè)過程中，單絲像質(zhì)計(jì)通常用來表示圖像靈敏度。它是由與待檢測(cè)試件相同或相似材料制造而成，排列順序根據(jù)各個(gè)金屬絲的直徑來確定，并且相互之前等距離相互平行，通過透明材料封裝在長(zhǎng)方形試片內(nèi)，每個(gè)金屬絲旁邊都標(biāo)明它的編號(hào)。在國(guó)際上每一條金屬絲的直徑通常使用等比數(shù)列進(jìn)行排列，不同絲徑的金屬絲都有自己的編號(hào)，圖像上能識(shí)別到的最細(xì)的金屬絲編號(hào)就是像質(zhì)計(jì)的靈敏度值。

單絲型像質(zhì)計(jì)的放置位置、使用類別及數(shù)量在數(shù)字射線檢測(cè)之前都要嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，通常每張圖像上能夠清晰地顯示單絲像質(zhì)計(jì)的圖像。單絲像質(zhì)計(jì)一般放置在射線源的一側(cè)，對(duì)于它的判定標(biāo)準(zhǔn)是可以看到連續(xù)10 mm 以上的絲狀圖像，專用等徑型像質(zhì)計(jì)要求至少能識(shí)別到兩根金屬絲。

3.2 圖像分辨率

檢測(cè)系統(tǒng)所能分別出待檢工件圖像中單位長(zhǎng)度上相鄰的兩個(gè)細(xì)節(jié)之間最小距離的能力被叫做圖像分辨率，系統(tǒng)分辨率核查通常應(yīng)用分辨率測(cè)試卡或雙絲像質(zhì)計(jì)，而雙絲像質(zhì)計(jì)由直徑相同、間距相等的兩根金屬絲組成。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用分析

4.1 概況分析

對(duì)中車青島四方車輛研究所有限公司制冷管道開展了數(shù)字射線檢測(cè)，總長(zhǎng)度103.1 m、介質(zhì)為三氯乙烯、使用壓力0.4 MPa、使用溫度-50 ℃、材料為06Cr19Ni10、其主要規(guī)格為Φ159 mm×4.5 mm/Φ200 mm×6 mm，保溫層材料為聚氨酯，安裝時(shí)采用射線檢測(cè)，檢測(cè)比例為100%，2017 年投用，本次檢驗(yàn)為首次定期檢驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況，存在主要損傷模式為機(jī)械疲勞及沖刷。

檢驗(yàn)員負(fù)責(zé)青島市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院科技計(jì)劃項(xiàng)目，致力于研究壓力管道在不停機(jī)狀態(tài)下對(duì)于埋藏性缺陷的檢測(cè)及內(nèi)部腐蝕的檢測(cè)。對(duì)于本次檢驗(yàn)項(xiàng)目開展了X 射線數(shù)字成像技術(shù)（DR 檢測(cè)）的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)了未熔合、未焊透等埋藏性缺陷，隨后委托青島鑫通用檢測(cè)服務(wù)有限公司進(jìn)行了傳統(tǒng)的膠片法射線檢測(cè)，對(duì)問題管線存在的缺陷進(jìn)行定性、定量分析。

在本次檢驗(yàn)實(shí)施過程中，使用單位提出因試驗(yàn)狀態(tài)，設(shè)備無法停機(jī)，為保障檢驗(yàn)順利實(shí)施，滿足規(guī)范要求，同時(shí)減少企業(yè)損失，容器管道檢驗(yàn)部提出采用X射線數(shù)字成像技術(shù)在無需停機(jī)的條件下開展該制冷系統(tǒng)的定期檢驗(yàn)工作，并由具有相關(guān)檢測(cè)資質(zhì)的人員制作射線數(shù)字成像（DR）檢測(cè)工藝卡（圖1）。

圖1 射線數(shù)字成像（DR）檢測(cè)工藝卡

4.2 成像效果影響因素分析

4.2.1 充裝介質(zhì)

成像質(zhì)量是確保無損檢測(cè)質(zhì)量的關(guān)鍵性因素。在傳統(tǒng)膠片照相中評(píng)片前需確定底片質(zhì)量，其中主要包括底片黑度、底片靈敏度以及其他標(biāo)記偽缺陷情況確認(rèn)。數(shù)字射線檢測(cè)上述質(zhì)量要求依然存在只不過底片灰度變?yōu)閷?duì)圖像灰度值的要求另外增加了對(duì)圖像分辨率及圖像歸一化信噪比的要求。

針對(duì)成像結(jié)果加以分析，主要判定依據(jù)為單絲、雙絲象質(zhì)計(jì)等，得出介質(zhì)對(duì)于灰度、歸一化信噪比、分辨率等參數(shù)的影響。圖2、圖3 為充裝三氯乙烯介質(zhì)前后成像質(zhì)量的對(duì)比，在相同管電壓下，充裝前該焊縫部位的灰度均值為48622、分辨率為3.2 lp/mm、歸一化信噪比為276.867；充裝三氯乙烯以后，灰度均值為13027、分辨率為2.3 lp/mm、歸一化信噪比為112.135。由此可見，充裝制冷劑后圖像質(zhì)量降低，而且影響比較大。

圖2 無介質(zhì)充裝時(shí)的成像質(zhì)量

圖3 充裝三氯乙烯介質(zhì)后的成像質(zhì)量

4.2.2 管電壓

管電壓是射線檢測(cè)中最為重要的工藝參數(shù)之一，射線機(jī)管電壓的最重要的確定條件就是能夠保證足夠的穿透能力。在傳統(tǒng)的膠片檢測(cè)理論中，管電壓的選取原則是盡量低的，然而數(shù)字射線檢測(cè)卻更傾向于選擇更大的管電壓，因?yàn)檩^大的管電壓會(huì)提高信噪比與對(duì)比度噪聲比。

射線管電壓是數(shù)字X 射線成像（DDA+CR）檢測(cè)中重要參數(shù)之一。目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)考慮到數(shù)字X 射線管的高電壓會(huì)減少造成對(duì)比的主要原因，因此對(duì)選擇檢測(cè)管的電壓提出了相應(yīng)建議。利用DDA 和CR 對(duì)不同管道電壓下缺陷檢測(cè)板的數(shù)字圖像質(zhì)量和缺陷識(shí)別程度進(jìn)行了比較，分析產(chǎn)生差異的原因，并結(jié)合相應(yīng)的圖像處理技術(shù)提高數(shù)字圖像的信噪比，彌補(bǔ)了管道電壓升高造成的圖像對(duì)比度靈敏度損失，最終提高缺陷識(shí)別程度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，根據(jù)傳統(tǒng)膠片射線技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)所建議的管電壓并不適用于數(shù)字X 射線檢測(cè)，應(yīng)根據(jù)特定的檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行工藝測(cè)試，以確定X 射線管電壓的上限值，而上限值遠(yuǎn)高于有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建議值。

為了選取合適的管電壓，在相同的工況下逐步提高管電壓大小分析成像效果，最終得到的結(jié)果如圖4～圖5所示。隨著管電壓由200 kV 上升至230 kV，同一檢測(cè)部位灰度均值由為16064 上升為24818、歸一化信噪比由100.974 上升為171.270。由此可見，管電壓的增加對(duì)成像效果有正向作用。

圖4 管電壓為220 kV 時(shí)的成像質(zhì)量

圖5 管電壓為230 kV 時(shí)的成像質(zhì)量

5 結(jié)束語

本文通過單一變量法分析了數(shù)字射線成像效果的影響因素，闡述管電壓、介質(zhì)等參數(shù)對(duì)黑度、底片靈敏度、圖像分辨率及圖像歸一化信噪比等評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響。影像質(zhì)量是分辨率、靈敏度、對(duì)比度、信噪比等多種因素共同作用的結(jié)果，需根據(jù)具體應(yīng)用和成像對(duì)象、設(shè)備特點(diǎn)等，優(yōu)選成像參數(shù)。

隨著X 射線數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，新的檢測(cè)系統(tǒng)、檢測(cè)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如何將新技術(shù)帶來的可靠性問題反饋到標(biāo)準(zhǔn)中是X 射線數(shù)字成像檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)制定者們需要思考的問題。而且，隨著新技術(shù)、新設(shè)備的投入使用，也會(huì)產(chǎn)生新的問題，需要對(duì)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估和審視。需要通過對(duì)基礎(chǔ)的、關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)研究，不斷完善標(biāo)準(zhǔn)體系、增加新的標(biāo)準(zhǔn)，廢除不適用的標(biāo)準(zhǔn)，使我國(guó)無損檢測(cè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)新技術(shù)、新工藝的推廣與應(yīng)用。