王長(zhǎng)安 ，余國(guó)民 ，魏雅博

（1．中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710077;2．北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京100101;3．上海海隆防腐技術(shù)工程有限公司，上海200941）

0 前言

平板DR（digital radiography）數(shù)字成像技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，取代了膠片技術(shù)和圖像增強(qiáng)器的間接數(shù)字?jǐn)z影系統(tǒng)。近年來(lái)，美國(guó)通用電器、瓦里安、日本佳能、島津等公司都相繼在工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域推廣DR平板技術(shù)，用來(lái)替代傳統(tǒng)X射線工業(yè)電視（X射線實(shí)時(shí)成像、圖像增強(qiáng)器接收）和X射線拍片技術(shù)。由于當(dāng)前計(jì)算機(jī)在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)方面的采集能力應(yīng)用良好，在焊管制造行業(yè)，已經(jīng)有許多廠家利用DR數(shù)字成像技術(shù)取代了傳統(tǒng)的X射線工業(yè)電視。筆者通過(guò)對(duì)平板DR成像技術(shù)與X射線工業(yè)電視實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行對(duì)比分析，說(shuō)明了平板DR數(shù)字成像技術(shù)在焊管行業(yè)檢測(cè)中的優(yōu)點(diǎn)，可完全取代X射線工業(yè)電視檢測(cè)技術(shù)。

1 平板DR數(shù)字成像技術(shù)原理

平板DR數(shù)字成像過(guò)程為X射線管發(fā)射的X射線光子穿過(guò)目標(biāo)物體時(shí)，沒(méi)有被目標(biāo)物體吸收的X射線光子撞擊一層閃爍體材料，閃爍體材料將它們轉(zhuǎn)化成可見(jiàn)光光子，隨后這些光子撞擊光電二極管陣列，光電二極管陣列將它們轉(zhuǎn)化成電子，這些電子可以激活非晶硅層的像素，這些激活的像素產(chǎn)生電子數(shù)據(jù)，它可以被計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)化成高質(zhì)量的目標(biāo)物體圖像，并在計(jì)算機(jī)上顯示出來(lái)，如圖1所示。

圖1 平板射線成像過(guò)程示意圖

DR數(shù)字成像系統(tǒng)是由電子暗盒、掃描控制器、系統(tǒng)控制器、影像監(jiān)示器等組成，其核心部件平板探測(cè)器直接將X射線光子通過(guò)電子暗盒轉(zhuǎn)換為數(shù)字化圖像，是一種廣義上的直接數(shù)字化X射線攝影。在兩次照射期間，不必更換膠片和存儲(chǔ)熒光板，僅僅需要幾秒鐘的數(shù)據(jù)采集，就可以觀察到圖像，檢測(cè)速度和效率高于X射線工業(yè)電視。除了不能分割和彎曲外，DR與膠片幾乎具有相同的適用性和應(yīng)用范圍。DR數(shù)字成像步驟為：X射線—平板探測(cè)器（數(shù)字化圖像）。

X射線工業(yè)電視主要部件為圖像增強(qiáng)器，包括輸入轉(zhuǎn)換屏、光電層、聚焦電極、輸出屏等。圖像增強(qiáng)器吸收入射射線，將能量轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光發(fā)射，光電層將可見(jiàn)光能量轉(zhuǎn)換為電子發(fā)射，輸出屏將電子能量轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光發(fā)射，數(shù)字式攝像機(jī)攝取可見(jiàn)光，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入圖像處理器，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理顯示圖像。X射線工業(yè)電視成像步驟為：X射線—可見(jiàn)光—電子能量—可見(jiàn)光—模擬/數(shù)字—處理器—圖像顯示。

這從原理上說(shuō)明了平板射線數(shù)字成像技術(shù)（DR）比X射線工業(yè)電視成像轉(zhuǎn)化步驟少，轉(zhuǎn)化效率高。

2 平板DR成像技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

相比較于影像增強(qiáng)器，DR技術(shù)在檢測(cè)靈敏度、檢測(cè)效率、輻射劑量等方面都有質(zhì)量保證，顯示出了其獨(dú)特的優(yōu)越性。

2.1 DR檢測(cè)靈敏度2.1.1 靜態(tài)靈敏度

采用Seifert 225 kV高頻X射線源，對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始校正后，使用130 kV，6 mA參數(shù)對(duì)φ1 016 mm×15.9 mm X70M鋼管進(jìn)行透照，獲得DR平板靜態(tài)靈敏度的負(fù)片和正片，如圖2所示。由圖2可以計(jì)算出靜態(tài)靈敏度已達(dá)到1.2%（12號(hào)絲徑，內(nèi)外余高各按2.5 mm計(jì)算），遠(yuǎn)超過(guò)API 5L及GB/T 9711等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的拍片或圖像增強(qiáng)器2%的靈敏度要求。

圖2 DR平板靜態(tài)靈敏度的正片和負(fù)片

2.1.2 動(dòng)態(tài)靈敏度

圖3 DR和X射線檢測(cè)技術(shù)的動(dòng)態(tài)靈敏度圖像

為進(jìn)一步驗(yàn)證DR技術(shù)的高靈敏度，筆者采用高分辨率的數(shù)碼相機(jī)對(duì)φ1 016 mm×15.9 mm X70M鋼管進(jìn)行DR數(shù)字成像和X射線工業(yè)電視動(dòng)態(tài)靈敏度抓拍比較，以平均3 m/min的焊縫檢測(cè)速度分別獲得兩種技術(shù)的動(dòng)態(tài)靈敏度圖像，如圖3所示。由圖3可以計(jì)算出DR的動(dòng)態(tài)靈敏度達(dá)到1.9%（9號(hào)絲徑，內(nèi)外余高各按2.5 mm計(jì)算）；X射線工業(yè)電視的動(dòng)態(tài)靈敏度達(dá)到3.0%（8號(hào)絲徑，內(nèi)外余高各按2.5 mm計(jì)算）。說(shuō)明DR技術(shù)的動(dòng)態(tài)靈敏度遠(yuǎn)超過(guò)API 5L及GB/T 9711等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定圖像增強(qiáng)器的4%靈敏度要求。同時(shí)，也說(shuō)明了DR成像技術(shù)動(dòng)態(tài)靈敏度遠(yuǎn)高于X射線工業(yè)電視。

2.1.3 實(shí)際檢測(cè)缺陷圖譜

圖4 DR和X射線工業(yè)電視在同位置缺陷的檢測(cè)圖像比較

筆者收集了生產(chǎn)過(guò)程中DR和X射線工業(yè)電視檢測(cè)同一位置缺陷的圖譜，如圖4所示。從圖中可以明顯看出DR檢測(cè)高靈敏度和高分辨率的特點(diǎn)。

2.2 DR技術(shù)檢測(cè)效率

DR技術(shù)檢測(cè)效率主要體現(xiàn)在圖像的動(dòng)態(tài)降噪和圖像像素深度變換線性增強(qiáng)方面。圖像的分辨率和清晰度都超過(guò)X射線工業(yè)電視，可緩解視力疲勞，從而大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.2.1 動(dòng)態(tài)降噪

DR成像系統(tǒng)采用射線/數(shù)字直接轉(zhuǎn)換的方式,提高了信號(hào)傳輸?shù)男旁氡?且在線性探測(cè)器接收端口安裝了射線準(zhǔn)直窗口,將X射線控制在很窄的縫隙中,屏蔽了周圍大部分的散射線影響,使得圖像的本底噪聲非常低。再配合使用相應(yīng)的濾波電路,動(dòng)態(tài)降噪,從而保證了系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)檢測(cè)時(shí)可獲得低噪音、高清晰度的數(shù)字圖像。

2.2.2 實(shí)際應(yīng)用

采用DR成像技術(shù)對(duì)埋弧焊管焊縫進(jìn)行X射線無(wú)損檢測(cè),檢測(cè)靈敏度和分辨率超過(guò)了圖像增強(qiáng)器成像系統(tǒng),達(dá)到甚至超過(guò)了傳統(tǒng)膠片照相水平，空間分辨率優(yōu)于4 Lp/mm，如圖5所示。圖6為14.3 mm壁厚焊縫試樣掃描成像效果圖，可清晰識(shí)別金屬絲像質(zhì)計(jì)（Fe6/12）第12號(hào)絲，甚至能清晰識(shí)別到像質(zhì)計(jì)的塑料皮封裝影像， 自然缺陷斷續(xù)未焊透清晰可見(jiàn)， 完全可替代拍片。

圖5 DR分辯率檢測(cè)效果圖

圖6 14.3 mm壁厚焊縫成像效果圖

2.3 剩磁對(duì)圖像的影響

鋼管的剩磁是在焊管成型和焊接過(guò)程中產(chǎn)生的。成型使材料屈服變形，可能造成母材中晶格旋轉(zhuǎn)、磁疇趨于有序分布，同時(shí)鋼管成型后，由板材形成閉合的磁回路，在隨后的焊接過(guò)程中對(duì)鋼管進(jìn)行充磁。焊管在內(nèi)外焊接過(guò)程中使用大電流焊接，運(yùn)動(dòng)的電荷或電流在周圍空間產(chǎn)生磁場(chǎng)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度與通電導(dǎo)體的電流強(qiáng)度成正比，這是焊接鋼管產(chǎn)生外加磁場(chǎng)的主要原因。

帶有剩磁的鋼管就像一根磁鐵，而且在管端的磁性表現(xiàn)最為突出，在管端X射線工業(yè)電視探傷過(guò)程中，磁力線穿過(guò)圖像增強(qiáng)器，使成像后圖像增強(qiáng)器中電子束的掃描方向發(fā)生改變，從而產(chǎn)生圖像畸變，使靈敏度大大降低，影響探傷效果。

而平板DR成像采用非晶硅半導(dǎo)體技術(shù)對(duì)X射線進(jìn)行直接、簡(jiǎn)短的信號(hào)轉(zhuǎn)換路徑，因此不會(huì)產(chǎn)生圖像的幾何畸變和失真，圖像整體是平整和一致的，類似于膠片的圖像。圖7為DR成像效果圖，圖8為X射線工業(yè)電視檢測(cè)效果圖。從圖7和圖8可以看出，X射線工業(yè)電視檢測(cè)未完全消磁的鋼管時(shí)，其焊縫嚴(yán)重扭曲變形，需要消磁后重新檢測(cè)，而DR成像不會(huì)出現(xiàn)扭曲變形現(xiàn)象。

圖7 DR檢測(cè)效果圖

圖8 X射線工業(yè)電視檢測(cè)效果圖

2.4 輻射劑量小

由于平板DR成像采用了非晶硅半導(dǎo)體技術(shù)將X射線轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，其對(duì)比影像增強(qiáng)管，沒(méi)有了中間光電和電光轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，因此X射線的轉(zhuǎn)換效率大大提高，在較少的射線照射劑量下產(chǎn)生了和影像增強(qiáng)器一樣的效果，從而可以減少對(duì)操作者的輻射。

3 結(jié) 語(yǔ)

DR成像技術(shù)極大地提高了檢測(cè)的質(zhì)量和效率，已經(jīng)在焊管行業(yè)普遍應(yīng)用。實(shí)踐證明，DR成像技術(shù)可替代X射線拍片，該技術(shù)有效保證了焊縫質(zhì)量，大大降低了管線的事故發(fā)生率，給業(yè)主和企業(yè)帶來(lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

[1]劉云,余光俊.螺旋埋弧焊管X射線探傷圖像扭曲的磁校正[J].焊管,2006(02):59-60.

[2]孔凡琴，路宏年.采用數(shù)字射線DR成像的焊接質(zhì)量檢測(cè)[J].無(wú)損檢測(cè)，2008,30(01):20-22.

[3]夏紀(jì)真.CR和DR成像技術(shù)[J].無(wú)損探傷,2007,31(01):4-6.

[4]陳樹年,路宏年.數(shù)字式X射線成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[J].華北工學(xué)院學(xué)報(bào),1999,20(01):50-51.

[5]韓焱.射線數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)[J].無(wú)損檢測(cè),2003,25(09):468-469.

[6]陳樹越.改進(jìn)射線數(shù)字成像系統(tǒng)的圖像質(zhì)量[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào),2001,15(03):163-165.

[7]唐彥林,丁曉軍,王化松.線掃描DR數(shù)字成像技術(shù)在螺旋埋弧焊管檢測(cè)中的應(yīng)用[J].焊管,2006,29(03):38-39.

[8]張金光，張健.DR數(shù)字成像系統(tǒng)在大口徑長(zhǎng)輸管道施工中的應(yīng)用[J].無(wú)損探傷,2012,36(04):17-18.

[9]李衍.承壓設(shè)備焊縫CR和DR技術(shù)應(yīng)用最新國(guó)際動(dòng)態(tài)[J].無(wú)損探傷，2009,33(04):3-5.

[10]孔凡琴，路宏年.基于數(shù)字射線成像的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片缺陷尺寸的自動(dòng)測(cè)定 [J].兵工學(xué)報(bào),2005,26(03):335-337.