楊杰

(洛陽欣隆工程檢測(cè)有限公司，河南洛陽 471012)

淺談射線檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展

楊杰

(洛陽欣隆工程檢測(cè)有限公司，河南洛陽 471012)

對(duì)無損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了介紹，闡述了其現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。

射線檢測(cè)技術(shù);現(xiàn)狀;實(shí)時(shí)成像;發(fā)展

1 無損檢測(cè)概述

美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)(American Society of Testing Materials，ASTM)在Standard Terminology for Nondestructive Examinations中將無損檢測(cè)定義為：在不損害其后續(xù)有用性和適用性的前提下，發(fā)展和應(yīng)用測(cè)試材料或構(gòu)件的技術(shù)方法來探測(cè)、定位、測(cè)量和評(píng)價(jià)缺陷;評(píng)估材料的完整性、性質(zhì)和組成;測(cè)量幾何特征。其基本過程是采用無損檢測(cè)手段，確定檢測(cè)信息為偽缺陷、相關(guān)缺陷或非相關(guān)缺陷，然后評(píng)估確定該構(gòu)件是否符合特定的可接受的標(biāo)準(zhǔn)。

無損檢測(cè)具有兩個(gè)層次上的意義：①無損檢測(cè)(NDT)是指對(duì)材料或部件進(jìn)行某種檢測(cè)以獲得相關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、有無缺陷、缺陷的性質(zhì)、形狀、大小、位置及分布等信息而對(duì)被檢測(cè)材料不造成任何損傷;②無損評(píng)價(jià)(NDE)是依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，借助于檢驗(yàn)、測(cè)量、試驗(yàn)、計(jì)算和模擬等手段，對(duì)被評(píng)對(duì)象的固有屬性、功能、狀態(tài)、潛力及趨勢(shì)等做出完整、準(zhǔn)確的綜合評(píng)價(jià)。其綜合性、預(yù)見性、復(fù)雜程度、技術(shù)難度及其公正性、向?qū)远歼h(yuǎn)遠(yuǎn)超過無損檢測(cè)。NDE需要以NDT為基礎(chǔ)，卻超越了NDT的范疇。

目前，NDT/NDE已經(jīng)廣泛應(yīng)用于從材料的研制到構(gòu)件制備，直至其服役期的檢測(cè)，橫跨材料的整個(gè)生命周期。據(jù)美國(guó)國(guó)家宇航局調(diào)研分析，無損檢測(cè)方法可分為六大類約70余種。但在實(shí)際應(yīng)用中比較常見的常規(guī)無損檢測(cè)方法有以下幾種：①超聲檢測(cè)(簡(jiǎn)稱UT);②射線檢測(cè)(簡(jiǎn)稱RT);③磁粉檢測(cè)(簡(jiǎn)稱MT);④滲透檢驗(yàn)(簡(jiǎn)稱PT);⑤渦流檢測(cè)(簡(jiǎn)稱ET)。

射線檢測(cè)技術(shù)，從最初的單純膠片射線照相檢驗(yàn)，經(jīng)100多年的發(fā)展，今天已成為以先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)為特征，包括射線照相檢驗(yàn)、射線實(shí)時(shí)成像檢驗(yàn)和射線層析檢測(cè)等多種技術(shù)的無損檢測(cè)手段。由于該技術(shù)具有可自我監(jiān)控檢測(cè)工作質(zhì)量和檢測(cè)技術(shù)正確性的特性，已成為重要和廣泛應(yīng)用的無損檢測(cè)技術(shù)。

2 射線檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀

什么是射線檢測(cè)技術(shù)呢?它是利用射線(X射線、γ射線、中子射線等)穿過材料或工件時(shí)的強(qiáng)度衰減，檢測(cè)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不連續(xù)性的技術(shù)。穿過材料或工件的射線由于強(qiáng)度不同，在X射線膠片上的感光程度也不同，由此生成內(nèi)部不連續(xù)的圖像。

2.1 常規(guī)射線照相檢驗(yàn)技術(shù)

2.1.1 常規(guī)射線照相檢驗(yàn)技術(shù)理論

20世紀(jì)80年代以來，我國(guó)射線檢測(cè)技術(shù)工作者引入了歐美和日本射線檢測(cè)技術(shù)的研究成果并進(jìn)行了消化性的研究和吸收，逐步形成了適合我國(guó)的、科學(xué)的理論系統(tǒng)。以無損檢測(cè)學(xué)會(huì)Ⅱ級(jí)教材、鍋爐壓力容器系統(tǒng)教材和航空航天系統(tǒng)內(nèi)部Ⅱ、Ⅲ級(jí)合一培訓(xùn)教材《射線檢測(cè)技術(shù)》為代表的新版培訓(xùn)教材，基于對(duì)射線照相檢驗(yàn)技術(shù)基本理論和技術(shù)的理解及多年實(shí)際檢驗(yàn)工作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)等，構(gòu)建了我國(guó)射線照相檢驗(yàn)技術(shù)的理論系統(tǒng)。從20世紀(jì)80年代后期，我國(guó)的一些射線檢測(cè)工作者對(duì)國(guó)外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)多有關(guān)注。一方面，翻譯了一些有影響的國(guó)外標(biāo)準(zhǔn);另一方面，從射線照相檢驗(yàn)技術(shù)的一般理論對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行了分析研究，明確提出了射線照相檢驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)規(guī)定的核心線索。它不僅給出了射線照相檢驗(yàn)技術(shù)的基本面，而且揭示了各方面的基本關(guān)系。這對(duì)于理解、應(yīng)用和修訂標(biāo)準(zhǔn)顯然都具有意義。

2.1.2 常規(guī)射線照相檢驗(yàn)工藝

20世紀(jì)90年代，射線檢測(cè)工作者重點(diǎn)針對(duì)小直徑管對(duì)接焊縫射線照相檢驗(yàn)工藝所做的進(jìn)一步工作主要有：全面引入國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)直徑、壁厚、焊縫寬度、透照方式和透照次數(shù)的規(guī)定;對(duì)這些規(guī)定從一般理論上進(jìn)行討論，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，給出了橢圓成像一次有效透照長(zhǎng)度的近似估計(jì)方法。這些工作使小直徑管對(duì)接焊縫的射線照相檢驗(yàn)有了完整的工藝，揭示了我國(guó)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)存在的問題與不足。

2.1.3 缺陷自動(dòng)識(shí)別

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)和模式識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，缺陷自動(dòng)識(shí)別技術(shù)一直受到一些研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注，已有一些熔焊缺陷自動(dòng)識(shí)別研究結(jié)果，如北方交通大學(xué)等提出了提高缺陷識(shí)別率的新課題，哈爾濱工業(yè)大學(xué)國(guó)家焊接重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成了電阻點(diǎn)焊缺陷的自動(dòng)識(shí)別評(píng)定研究。該方面的研究可能還要經(jīng)歷一段時(shí)間才能得到工業(yè)應(yīng)用成果。

2.1.4 射線檢測(cè)器材

在常規(guī)射線照相檢驗(yàn)技術(shù)的器材方面，國(guó)內(nèi)近年來多集中在研制管道爬行器和減輕便攜式X射線機(jī)的重量方面。我國(guó)的X射線機(jī)生產(chǎn)廠，如沈陽探傷機(jī)廠、中南無損檢測(cè)儀器廠和大連通海公司等為減輕便攜式X射線機(jī)的質(zhì)量做了許多工作，已取得了明顯進(jìn)展。我國(guó)已研制出系列管道爬行器，現(xiàn)正向體積小、質(zhì)量輕和數(shù)字成像的方向努力。

2.1.5 CR技術(shù)

CR技術(shù)是近年正在迅速發(fā)展的數(shù)字射線照相技術(shù)中一種新的非膠片射線照相技術(shù)。該技術(shù)是基于某些熒光發(fā)射物質(zhì)具有保留潛在圖像信息的能力，這些熒光物質(zhì)在較高能帶俘獲的電子形成光激發(fā)射熒光中心，在激光激發(fā)下，光激發(fā)射熒光中心的電子將返回它們初始能級(jí)，并以發(fā)射可見光的形式輸出能量。這種光發(fā)射與原來接收的射線劑量成比例。這樣，當(dāng)激光束掃描儲(chǔ)存熒光成像板時(shí)，就可得到射線照相圖像。已有文獻(xiàn)報(bào)道，CR技術(shù)已成功應(yīng)用在一些重要方面。我國(guó)射線檢測(cè)工作者對(duì)該技術(shù)給予了充分的重視。除公開介紹該技術(shù)外，還將該項(xiàng)技術(shù)列入鍋爐壓力容器高級(jí)人員復(fù)試培訓(xùn)和考試內(nèi)容。北京鄒展鹿城無損檢測(cè)器材公司組織了CR技術(shù)座談會(huì)，并進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)。江蘇立達(dá)機(jī)電(昆山)有限公司已引入了美國(guó)PPTI公司的CR技術(shù)成像板。期望它盡快成為可替代膠片的射線照相檢驗(yàn)技術(shù)。

2.2 射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)

射線實(shí)時(shí)成像檢驗(yàn)技術(shù)幾乎與膠片射線照相技術(shù)同時(shí)發(fā)展。早期主要是熒光屏實(shí)時(shí)成像檢驗(yàn)系統(tǒng)，目前應(yīng)用的射線實(shí)時(shí)成像檢驗(yàn)系統(tǒng)有多種，主要是圖像增強(qiáng)器、成像板和線陣列射線實(shí)時(shí)成像檢驗(yàn)系統(tǒng)等。成像板和線陣列射線實(shí)時(shí)成像檢驗(yàn)系統(tǒng)是近年發(fā)展起來的數(shù)字實(shí)時(shí)成像檢驗(yàn)系統(tǒng)，它們使用基于非晶硅的閃爍檢測(cè)器和熒光光電倍增器制成的成像板或線陣列拾取信號(hào)。這種實(shí)時(shí)成像檢驗(yàn)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是，同時(shí)具有很高的分辨力和很大的動(dòng)態(tài)范圍，可檢驗(yàn)厚度差或密度差很大的物體。

我國(guó)一些工業(yè)部門從20世紀(jì)70年代開始引入圖像增強(qiáng)器射線實(shí)時(shí)成像檢驗(yàn)系統(tǒng)，目前主要應(yīng)用于輪胎、鑄造汽車輪轂、蒸汽鍋爐過熱器、省煤器及水冷壁系統(tǒng)等的小管徑對(duì)接焊縫檢驗(yàn)。廣東粵海鋼瓶廠對(duì)液化氣鋼瓶對(duì)接焊縫的圖像增強(qiáng)器射線實(shí)時(shí)成像檢驗(yàn)與膠片射線照相檢驗(yàn)作了大量對(duì)比和總結(jié)，形成了氣瓶對(duì)接焊縫的圖像增強(qiáng)器射線實(shí)時(shí)成像檢驗(yàn)技術(shù)，并制訂了相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化所研制了高能射線實(shí)時(shí)成像檢驗(yàn)系統(tǒng)，可用于大厚度工件的檢驗(yàn)。

射線實(shí)時(shí)成像檢驗(yàn)技術(shù)能否代替膠片射線照相檢驗(yàn)技術(shù)，是近年射線工作者和有關(guān)方面十分關(guān)注的問題。在最近的航天系統(tǒng)無損檢測(cè)技術(shù)交流會(huì)上，研究人員從射線照相檢驗(yàn)技術(shù)的基本理論出發(fā)，分析了射線照相檢驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和射線實(shí)時(shí)成像技術(shù)，提出了評(píng)價(jià)射線實(shí)時(shí)成像檢驗(yàn)技術(shù)與射線照相檢驗(yàn)技術(shù)對(duì)缺陷檢驗(yàn)?zāi)芰Φ牡葍r(jià)性指標(biāo)，給出了評(píng)定等價(jià)性的方法。這對(duì)今后射線實(shí)時(shí)成像檢驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用具有意義。

2.3 射線層析檢測(cè)技術(shù)

2.3.1 射線CT技術(shù)

CT技術(shù)，即計(jì)算機(jī)輔助層析成像技術(shù)。CT技術(shù)從投影數(shù)據(jù)重建物體的圖像。1971年英國(guó)EMI公司研制出世界上第一臺(tái)醫(yī)療射線CT裝置，并稱為計(jì)算機(jī)輔助層析成像掃描器。70年代末期致力于工業(yè)應(yīng)用研究的美國(guó)研制了專門應(yīng)用的工業(yè)CT系統(tǒng)，主要是針對(duì)大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和小型精密工件。

工業(yè)CT技術(shù)的主要應(yīng)用有：①早期使用在石油工業(yè)，分析鉆井巖芯;②在航空工業(yè)用于檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)復(fù)合材料和復(fù)合結(jié)構(gòu)，評(píng)價(jià)某些復(fù)合件的制造過程，也用于一系列情況下樣件的評(píng)價(jià)。這種檢測(cè)與評(píng)價(jià)過程，大大簡(jiǎn)化了取樣破壞分析過程;③檢測(cè)大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，這樣的CT系統(tǒng)使用電子直線加速器X射線源，能量高達(dá)25 MeV，可檢驗(yàn)直徑達(dá)3 m的大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī);④檢驗(yàn)小型、復(fù)雜、精密的鑄件和鍛件，進(jìn)行缺陷檢驗(yàn)和尺寸測(cè)量;⑤檢查工程陶瓷和粉末冶金產(chǎn)品制造過程發(fā)生的材料或成分變化，特別是對(duì)高強(qiáng)度、形狀復(fù)雜的產(chǎn)品;⑥組件結(jié)構(gòu)檢查。

2.3.2 康普頓散射成像檢測(cè)技術(shù)

1976年前蘇聯(lián)完成了γ射線康普頓散射成像檢驗(yàn)金屬表面缺陷的實(shí)驗(yàn)，1982年前西德進(jìn)行了鋁鑄件康普頓散射成像檢驗(yàn)，1987年美國(guó)將康普頓散射成像技術(shù)用于非金屬多層結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)。

康普頓散射成像檢驗(yàn)技術(shù)采用散射成像，射線源與檢測(cè)器位于物體的同一側(cè)，其技術(shù)上的顯著特點(diǎn)是：①單側(cè)幾何布置，即射線源與檢測(cè)器位于物體的同一側(cè);②一次掃描可得到三維圖像，具有層析功能，一次可得到多個(gè)截面的圖像;③在理論上圖像的對(duì)比度可達(dá)到100%。

由于采用散射線成像，因此康普頓散射成像技術(shù)主要適于低原子序數(shù)物質(zhì)、近表面區(qū)較小厚度范圍內(nèi)缺陷的檢驗(yàn)。

3 射線檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展

3.1 數(shù)字射線照相技術(shù)時(shí)代

1990年，R.Halmshaw和N.A.Ridyard在《英國(guó)無損檢測(cè)雜志》上發(fā)表題為“數(shù)字射線照相方法評(píng)述”的文章，在評(píng)述了各種數(shù)字射線照相方法的發(fā)展之后認(rèn)為，數(shù)字射線照相時(shí)代已經(jīng)到來。近年來射線檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的基本特點(diǎn)是數(shù)字圖像處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于射線檢測(cè)。射線層析檢測(cè)和實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)的重要基礎(chǔ)之一是數(shù)字圖像處理技術(shù)，即使常規(guī)膠片射線照相技術(shù)，也在采用數(shù)字圖像處理技術(shù)。例如，現(xiàn)在已有電視和激光掃描器，可在1 min內(nèi)掃描355～430 mm膠片圖像，將膠片圖像數(shù)字化進(jìn)行儲(chǔ)存，像素直徑為35～100μm、數(shù)據(jù)精度為12～16 bit，密度大于4.0也可以進(jìn)行掃描。正在研究的缺陷自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，也建立在數(shù)字圖像處理技術(shù)基礎(chǔ)上。數(shù)字圖象處理技術(shù)正在影響整個(gè)射線檢測(cè)領(lǐng)域。

3.2 今后重點(diǎn)應(yīng)用的技術(shù)

1994年Harold Berger在美國(guó)《材料評(píng)價(jià)》發(fā)表的“射線無損檢測(cè)的趨勢(shì)”中提出，在20世紀(jì)的最后10年和21世紀(jì)的初期，下列技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用：①數(shù)字X射線實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)在制造、在役檢驗(yàn)和過程控制方面;②具有數(shù)據(jù)交換、使用NDT工作站的計(jì)算機(jī)化的射線檢測(cè)系統(tǒng);③小型、低成本的CT系統(tǒng);④微焦點(diǎn)放大成像的X射線成像檢驗(yàn)系統(tǒng);⑤小型高靈敏度的X射線攝像機(jī);⑥大面積的光電導(dǎo)X射線攝像機(jī)。

TQ050.7

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1003-3467(2010)12-0033-02

2010-04-21