伍晶晶 ， 張士晶 ， 陳 華 ， 張小海 ， 冉龍宏 ， 鄔冠華 ， 高鴻波 ,*

（1. 無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室（南昌航空大學(xué)），南昌 330063；2. 中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621999；3. 重慶天驕航空動力有限公司，重慶 401120）

0 引言

近年來，石油天然氣泄漏、液氨管道爆炸事故頻頻發(fā)生，嚴(yán)重威脅到企業(yè)和人民的生命財產(chǎn)安全，如何保證特種設(shè)備管道的質(zhì)量安全逐漸成為我國安全生產(chǎn)的重要課題[1-2]。特種設(shè)備壓力容器管道如果發(fā)生腐蝕減薄，其受力截面減小，存在發(fā)生災(zāi)難性失效的風(fēng)險，是潛在的事故隱患，因此進(jìn)行壓力容器管道壁厚無損檢測，對其腐蝕情況進(jìn)行監(jiān)測，在防止災(zāi)難性事故，保護國家和人民生命財產(chǎn)安全上意義重大。利用傳統(tǒng)的膠片射線照相技術(shù)，通過控制相應(yīng)的檢測工藝參數(shù)，可以使膠片黑度的變化與材料透照厚度呈線性關(guān)系，進(jìn)而實現(xiàn)厚度測量[3]。隨著科技的不斷發(fā)展，為有效解決常規(guī)射線拍片檢測周期長、重拍率高、膠片保管困難，對環(huán)境不友好等難題，能顯著提高檢測的及時性和有效性的數(shù)字射線檢測技術(shù)成為射線檢測發(fā)展的主要方向[4-7]。

目前所有的數(shù)字射線成像技術(shù)中，計算機射線照相（Computed Radiography，CR）技術(shù)盡管在成像機理和圖像的評價方式與傳統(tǒng)膠片照相技術(shù)有著本質(zhì)區(qū)別，但其透照方式，透照布置，透照參數(shù)控制等適應(yīng)性方面與膠片技術(shù)極為一致，不需要更換或改造射線設(shè)備，不需要特殊的工裝，其探測器-成像板(Image Plate，IP)的物理性質(zhì)也類似膠片，可根據(jù)實際檢測的對象進(jìn)行彎曲并分割成不同尺寸和形狀，在使用膠片的場所均可用IP 板來替代[4]。因此，CR 對現(xiàn)有的射線檢測系統(tǒng)的改造成本是最低的，其初始投資相對較少，可以使企業(yè)獲得比較滿意的投資收益，是現(xiàn)階段最有希望的膠片替代技術(shù)[5]。

在檢測管道腐蝕程度以及壁厚監(jiān)測方面，與其他數(shù)字射線成像技術(shù)相比，CR 技術(shù)優(yōu)勢明顯，其不受射線能量的限制，可以在任何曝光電壓下透照，對壁厚較大的壓力容器也可以保證足夠的射線穿透能力完成檢測；可以很方便地使用鉛增感屏，從而減少散射和提高對比度；IP 板柔軟，可彎曲，便于貼合檢測對象幾乎沒有額外增加的幾何不清晰度并且很容易獲得周向數(shù)字圖像，非常適合壓力管道等曲面對象的在役檢測。使用CR 技術(shù)及相關(guān)厚度測量軟件，不僅可以顯著縮短企業(yè)停產(chǎn)時間，極大減少事故或故障損失，而且可以快速準(zhǔn)確地了解管道的狀況，將故障杜絕于萌芽狀態(tài)，可大大提高特種設(shè)備管道乃至企業(yè)的運行效率[6-7]。因此，本研究自制16MnR 鋼階梯試塊和管道試樣，通過對試樣進(jìn)行檢測，分析檢測精確性，擬對管道的檢測提供參考。

1 CR 檢測原理和理論依據(jù)

CR 是在工業(yè)射線檢測的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，成像的工作過程主要由X 射線曝光和讀取IP 板潛影兩部分組成[8]。曝光過程與傳統(tǒng)射線膠片照相技術(shù)基本一致。當(dāng)射線束透過被檢測工件時，由于被檢測工件對射線的吸收和散射，使射線強度發(fā)生衰減。考慮到工業(yè)檢測常用的X 射線是多色連續(xù)譜，因此射線穿透物質(zhì)后初始射強度的降低可以用Beer 的吸收定律[9]來表示：

式中：μ 為射線穿過單位厚度物質(zhì)時的線衰減系數(shù)；t 為物體的厚度；I 為射線透射后的強度；I0為入射射線強度。對于給定的材料，線衰減系數(shù)強烈地依賴于射線光子能量，因此寫成光子能量E 的函數(shù)形式μ(E)。在射線源能譜和材料都給定的情況下，通過引入等效衰減系數(shù)μeff，將多色連續(xù)譜線看做與之衰減規(guī)律相同的單色譜處理，因此可將式(1)改寫為：

其中，B 是與散射相關(guān)的系數(shù)，稱為累積因子，與射線能量、材料類型和材料厚度相關(guān)[10]。

CR 成像技術(shù)與膠片照相技術(shù)區(qū)別在于探測器成像機理不同。經(jīng)過工件衰減后，記錄被檢材料內(nèi)部信息的射線以不同的強度照射在數(shù)字成像板(IP)上，衰減程度與其所經(jīng)過的工件各部位的厚度、結(jié)構(gòu)及缺陷（即密度變化）等因素有關(guān)。IP 板中熒光物質(zhì)內(nèi)部晶體的電子被激勵并被俘獲到一個較高的能帶（半穩(wěn)態(tài)或更高能量的狀態(tài)），從而獲取一幅與被檢工件相關(guān)的射線強度分布圖，形成潛在影像（光激發(fā)熒光中心）即射線影像信息圖。將已形成潛影的成像板置入掃描儀內(nèi)用激光束對其進(jìn)行掃描，在氦-氖紅色激光激發(fā)下（激光能量釋放被俘獲的電子），光激發(fā)射熒光中心的電子將返回它們的初始能級，同時以發(fā)射藍(lán)色可見光的形式釋放能量，這種光發(fā)射的強度與原來接收的射線劑量成正比，成像板發(fā)射熒光的量與用于一次激發(fā)的射線量在一定范圍內(nèi)具有良好的線性。光導(dǎo)材料收集藍(lán)色可見光并將其導(dǎo)入光電倍增管，經(jīng)放大并轉(zhuǎn)換為模擬電信號后，進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，變成可轉(zhuǎn)譯為數(shù)字圖像的數(shù)碼流，該數(shù)碼流輸入計算機儲存，成為初始數(shù)字化的射線照相灰度圖像，最后CR 數(shù)字圖像發(fā)送到工作站，通過計算機數(shù)字圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行評片與診斷。

2 檢測參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)CR 測厚原理，需要針對所檢對象以及按照特種設(shè)備檢測標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.11—2015 規(guī)定的檢測技術(shù)等級，對生成的數(shù)字圖像質(zhì)量進(jìn)行評價，以確定最佳透照參數(shù)。涉及：1）測量IP 板對X 射線輻射的響應(yīng)關(guān)系即灰度與厚度隨曝光劑量的變化關(guān)系，找出其用于厚度測量的線性響應(yīng)范圍；2）對生成的數(shù)字圖像質(zhì)量即歸一化信噪比和空間分辨率進(jìn)行評價確保檢測參數(shù)可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的檢測技術(shù)等級。

2.1 成像板對輻射劑量的響應(yīng)關(guān)系

試驗主要針對特種設(shè)備管道進(jìn)行研究，使用與檢測管材相同的16MnR 鋼階梯試塊，階梯共14 級，相鄰階梯厚度為1 mm。根據(jù)階梯厚度選擇以下透照參數(shù)進(jìn)行試驗：射線源到IP 板的距離為1 m，曝光量為5 mA×2 min，管電壓分別為130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230 kV。試驗采用的CR 系統(tǒng)以及掃描參數(shù)如表1 所示。

表 1 CR 檢測系統(tǒng)及掃描參數(shù)Table 1 CR system and scanning parameters

在不同管電壓下透照階梯試塊，測量每個臺階的平均灰度值（框住中心區(qū)域取平均值）。根據(jù)測量值得到不同電壓下的灰度-厚度關(guān)系擬合曲線如圖1 所示。

圖 1 不同電壓下厚度-灰度擬合曲線圖Fig.1 Thickness-gray fitting curve at different voltages

由圖1 可知，曲線從整體上大致分為非線性區(qū)和線性區(qū)。射線透照厚度較小時，曝光量過大導(dǎo)致IP 板灰度飽和，曲線均呈現(xiàn)與x 軸平行的特點。隨著厚度的增大，厚度與灰度呈現(xiàn)出大致的線性關(guān)系。當(dāng)透照厚度較大時，曲線又呈現(xiàn)出由散射效應(yīng)主導(dǎo)的非線性特點。在IP 板響應(yīng)的線性區(qū)，對同一管電壓所對應(yīng)的曲線，兩個不同的透照厚度區(qū)間所對應(yīng)的灰度對比度基本上相同。很顯然，增加射線能量即提高管電壓將使曲線梯度減小，線性灰度區(qū)變窄，不利于厚度準(zhǔn)確測量。因此，為了提高檢測精度，需要對透照參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以保證數(shù)字圖像上被檢工件的測量區(qū)平均灰度處于線性區(qū)，本研究采用的各管電壓下，數(shù)字圖像上試塊灰度線性區(qū)大約在20 000～40 000 之間，即最大灰度值的40%～80%，這基本上達(dá)到了NB/T 47013.11—2015 規(guī)定的檢測技術(shù)等級AB級20%～80%的要求。

射線能量即管電壓的大小會影響到灰度線性區(qū)的范圍和檢測靈敏度，進(jìn)而影響厚度測量的精度，所以，必須根據(jù)透照厚度和檢測對象的數(shù)字圖像質(zhì)量結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)等級要求對管電壓進(jìn)行合理的選擇。

2.2 曝光參數(shù)優(yōu)化

2.2.1 射線能量選擇

適宜的灰度可以保證高的數(shù)字圖像質(zhì)量，從而在比較高的對比度和靈敏度條件下檢測以提高精度。本研究中，將所用CR 系統(tǒng)的最大灰階的50%即25 000 作為灰度基準(zhǔn)，利用圖1 的擬合曲線確定出灰度在25 000 時各管電壓下的透照厚度值，將得到的厚度數(shù)據(jù)與管電壓進(jìn)行非線性曲線擬合，擬合曲線如圖2 所示。

圖 2 灰度為25 000 時厚度-電壓擬合曲線Fig.2 Thickness-voltage fitting curve with gray scale of 25 000

為了驗證本研究中所提方法的可行性，選擇3 根標(biāo)稱壁厚不同鋼管做為驗證對象，壁厚分別為4.0、5.0、5.5 mm。采用雙壁單影的垂直透照方式，實際透照的厚度為2 倍管壁厚度，即8、10、11 mm。

根據(jù)圖2，針對不同壁厚的3 個樣品選擇的透照電壓如表2 所示。透照后樣品數(shù)字圖像如圖3所示，圖中標(biāo)記并顯示出了檢測對象感興趣區(qū)域的位置、面積、灰度平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。

表 2 3 個樣品的透照管電壓Table 2 Transmitting tube voltage of three samples

圖 3 3 根鋼管不同透照條件下的數(shù)字圖像Fig.3 Digital radiogram of three pipe samples at different exposure conditions

通過試驗得到3 個樣品的數(shù)字圖像中感興趣區(qū)域的平均灰度值如表3 所示。由表3 可知，管電壓為140、170、190 kV 時灰度值均接近25 000，圖像對比度良好，曝光參數(shù)的選擇比較合適。需進(jìn)一步根據(jù)NB/T 47013.11—2015 評價3 個樣品在所采用的曝光參數(shù)下獲取的數(shù)字圖像其圖像質(zhì)量滿足的檢測技術(shù)等級。

表 3 圖像感興趣區(qū)域的平均灰度值Table 3 Mean pixel intensity values on regions of interest

2.2.2 空間分辨率

圖像空間分辨率采用雙線型像質(zhì)計進(jìn)行測定，像質(zhì)計置于源側(cè)與檢測樣品材質(zhì)和透照厚度相同的對比試塊上與IP 板掃描方向大致成2°～5°。在樣品所采用的曝光參數(shù)下，雙絲像質(zhì)計的數(shù)字圖像如圖4 所示。在圖像上雙線像質(zhì)計的識別根據(jù)NB/T 47013—2015 第11 章附錄C 的瑞利判據(jù)[11]。

圖 4 不同電壓時的雙線型像質(zhì)計數(shù)字圖像Fig.4 Duplex wire image quality indicator digital image at different exposure conditions

圖5 為雙線型像質(zhì)計可識別率圖。根據(jù)圖5，在能夠清晰地分辨最細(xì)絲對的影像處，按式(3)計算絲的可識別率R[12]：

式中：ΔGV 為可分辨的最細(xì)線對灰度差；BGV 為背景灰度。要求滿足R＞20%，即滿足邊緣分離大于20%的要求，則這一線對可識別。雙線型像質(zhì)計圖像中第一組不大于20%的線對，即為最小分辨率。

圖 5 雙線型像質(zhì)計可識別率圖Fig.5 Duplex wire image quality indicator recognizable rate

用圖像處理軟件ImageJ 讀取圖4 數(shù)字圖像中雙線型像質(zhì)計的灰度值，得到的灰度曲線如圖6所示。由圖6 可以得到，140 (8 mm)、170 (10 mm)、190 (11 mm) kV 時D9、D9、D8 號絲的可識別率R（表4）。從表4 可知，3 個樣品的圖像分辨率都達(dá)到了NB/T 47013—2015 第11 章規(guī)定的AB 級像質(zhì)。

2.2.3 歸一化信噪比

信噪比是指圖像感興趣區(qū)域的信號平均值與信號標(biāo)準(zhǔn)差之比。在樣品數(shù)字圖像上的待測區(qū)取面積不小于50×50 的矩形感興趣區(qū)，計算此區(qū)域的灰度均值和標(biāo)準(zhǔn)差，按照信噪比定義得到測量信噪比SNRm。射線曝光量相似時，與清晰數(shù)字系統(tǒng)相比，欠清晰數(shù)字系統(tǒng)獲取的SNR 測量值較高，但對細(xì)小缺陷的檢測性能較差。因此，SNR 測量值要用基本空間分辨率標(biāo)準(zhǔn)化即歸一化處理。歸一檢化測信性噪能比[13]相。同歸的一系化統(tǒng)信，噪對比細(xì)S小N R細(xì)n節(jié) 由具式有(4相)計似算的得出，其中，P 為探測器像素值，μm。

由圖3、式(4)可計算3 個樣品140 kV(8 mm)、170 kV(10 mm)、190 kV(11 mm)的歸一化信噪比如表5 所示。3 個樣品的歸一化信噪比均大于100，滿足NB/T 47013—2015 第11 章規(guī)定的AB級技術(shù)等級的要求。

由以上參數(shù)優(yōu)化分析可以得出，選擇對于透照厚度8、10、11 mm 的3 個樣管分別在管電壓為140、170、190 kV，曝光量為5 mA×2 min 時進(jìn)行透照，數(shù)字圖像質(zhì)量可以滿足NB/T47013.11—2015規(guī)定中的AB 級技術(shù)等級。

圖 6 雙線型像質(zhì)計的灰度曲線Fig.6 Gray scale profile of duplex wire image quality indicator

3 技術(shù)驗證

根據(jù)圖1 選擇管電壓為140、170、190 kV 時線性擬合曲線如圖7 所示，得到的CR 系統(tǒng)的灰度-厚度的線性方程如下：

表 4 雙線型像質(zhì)計絲的可識別率Table 4 Recognizable rate of duplex wire image quality indicator

表 5 IP 板圖像中的歸一化信噪比Table 5 Normalized signal-to-noise ratio in IP board images

圖 7 140、170、190 kV 時線性擬合Fig.7 Linear fitting at 140, 170, 190 kV

1）透照電壓140 kV，線性方程為：I =-6 932.44t+83 097.36；

2）透照電壓170 kV，線性方程為：I=-6 083.71t+87 069.12；

3）透照電壓190 kV，線性方程為：I=-5 630.46t+89 46

其9.0顯4。著性水平R2分別為0.992 53、0.967 95和0.984 33，均接近1，說明線性回歸直線對觀測值的擬合程度很高。將圖3 和表3 中3 個樣管數(shù)字圖像感興趣區(qū)測定的平均灰度值分別代入不同電壓對應(yīng)的線性方程中，計算透照厚度的理論值和誤差，見表6。由表6 可知，誤差均小于3%，證實了該方法用于測量管壁厚度的可行性。

表 6 管壁厚度估算結(jié)果Table 6 Wall thickness estimation results

4 誤差分析

4.1 CR 系統(tǒng)誤差

選擇過低的電壓會導(dǎo)致IP 板圖像灰度偏小，灰度值不在線性區(qū)，計算出的管壁厚度誤差偏大。

4.2 透照誤差

1）透照布置：工件擺放時射線束應(yīng)對準(zhǔn)透檢區(qū)中心，并在該點垂直于試件表面。若鋼管的透照位置發(fā)生偏移，沒放在中心區(qū)域，透照厚度變大，灰度變小，產(chǎn)生測量誤差。

2）散射線：由于透照對象屬于小徑管，其截面厚度變化非常大，射線穿透材料時康普頓效應(yīng)產(chǎn)生的散射線將降低數(shù)字圖像的信噪比和對比度，測量精度降低。

5 結(jié)論

CR 成像系統(tǒng)具有動態(tài)范圍大，響應(yīng)速度快，檢測圖像可以進(jìn)行數(shù)字化處理和存儲等優(yōu)點，本研究利用CR 系統(tǒng)成像板經(jīng)過掃描后的輸出信號（圖像灰度）與其最初接收的射線強度在很大的范圍內(nèi)呈線性關(guān)系的屬性，驗證了通過測量數(shù)字圖像灰度并使用相應(yīng)的計算方法間接地進(jìn)行材料厚度評價的可行性。

1）針對待檢的3 個不同壁厚的16MnR 鋼管，按特種設(shè)備NB/T47013—2015 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的中靈敏度技術(shù)等級（AB 級）分別對數(shù)字圖像質(zhì)量進(jìn)行評價，確定了最佳曝光參數(shù)。

2）為了驗證所提出的方法，對3 根壁厚為4.0、5.0、5.5 mm 的鋼管分別在各自的最佳曝光參數(shù)下進(jìn)行透照，從獲取的數(shù)字圖像感興趣區(qū)上采集像素平均灰度值，將之代入利用階梯試塊測量并擬合的厚度-灰度線性關(guān)系曲線間接地計算出管壁厚度，通過與壁厚實際測量值相比較，測量誤差分別為0.5%、1.0%、2.9%。本研究通過實例討論并驗證了CR 測量特種設(shè)備管道管壁厚度的可行性，提供了一種管道腐蝕監(jiān)測的輔助方法。