殷曉杰, 吉莉紅, 易一平, 黎 鑫

(1.上海山友工程檢測(cè)有限公司，上海 200540；2.上海船舶工藝研究所，上海 200032；3.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司 工程管理中心，北京 100097)

0 引 言

在我國(guó)很多行業(yè)中，例如石油、化工、船舶和發(fā)電廠等，較多壓力管道均長(zhǎng)期處于運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致壓力管道的組織性能劣化。在運(yùn)行過(guò)程中，在腐蝕環(huán)境中或惡劣條件下會(huì)產(chǎn)生各種危險(xiǎn)性缺陷(裂紋和厚度減薄等)，導(dǎo)致泄漏甚至引起爆炸等安全性事故。為保證壓力管道安全運(yùn)行，需要定期對(duì)其進(jìn)行在線檢測(cè)，以便盡早發(fā)現(xiàn)缺陷隱患。壓力管道受到保溫層、內(nèi)部介質(zhì)和表面溫度的影響，若采用常規(guī)射線檢測(cè)(Radiography Testing，RT)方法進(jìn)行檢測(cè)，則需要停產(chǎn)并拆除保溫層，這樣需要投入更多的人力和物力，而停產(chǎn)會(huì)給企業(yè)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。隨著數(shù)字化技術(shù)的迅速發(fā)展，一種新型的可替代膠片的數(shù)字射線成像(Digital Radiography，DR)技術(shù)在RT領(lǐng)域中得到應(yīng)用。伴隨數(shù)字射線成像檢測(cè)(Digital Radiography Testing，DRT)技術(shù)日趨成熟，在RT領(lǐng)域中呈現(xiàn)多元化的檢測(cè)手段和檢測(cè)系統(tǒng)，為壓力管道焊縫不停產(chǎn)檢測(cè)增加一種更好的檢測(cè)方法。

1 DRT技術(shù)

1.1 基本原理

DRT是利用數(shù)字探測(cè)器和計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)RT，DR成像板分為非晶硅、非晶硒和電荷耦合器件(Charge-Coupled Device，CCD)等種類，由成像板上的晶體電路將X射線轉(zhuǎn)換為數(shù)字化，最后在計(jì)算機(jī)上顯示。

DRT系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)射線成像檢測(cè)(Computed Radiography Testing，CRT)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)，利用數(shù)字化技術(shù)將透射圖像轉(zhuǎn)換為便于計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字圖像，進(jìn)行圖像處理分析和識(shí)別，得到檢測(cè)結(jié)論[1]。DRT技術(shù)在常規(guī)膠片成像的基礎(chǔ)上，借助計(jì)算機(jī)和數(shù)字圖像處理技術(shù)[2]，克服由膠片成像帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，提高工作效率，降低射線劑量和圖像噪聲，使圖像的對(duì)比度和清晰度具有較大的提高。DRT系統(tǒng)具有較大的寬容度，對(duì)于厚度變化范圍大的被檢工件，可實(shí)現(xiàn)一次透照成像。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

常規(guī)RT是采用膠片進(jìn)行記錄的一種無(wú)損檢測(cè)(Non-Destructive Testing，NDT)方法，利用射線膠片感光特性使其在透過(guò)射線的被檢材料中發(fā)生一定變化，經(jīng)顯定影處理后得到底片。射線照射能量取決于底片各處的黑度變化程度，確定材料內(nèi)部缺陷(裂紋、未熔合和未焊透等)。底片借助高強(qiáng)度工業(yè)觀片燈觀察，可看到由黑度差所造成的不同形狀影像，技術(shù)人員根據(jù)缺陷大小、數(shù)量和性質(zhì)情況依據(jù)國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定試件質(zhì)量。

與常規(guī)RT技術(shù)相比，DRT技術(shù)更高效、快捷，具有更高的動(dòng)態(tài)范圍，存儲(chǔ)、調(diào)用和傳輸均較方便，數(shù)字圖像可在臺(tái)式計(jì)算機(jī)、手機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)和投影儀等設(shè)備上顯示和觀察；而常規(guī)RT技術(shù)通過(guò)膠片成像得到底片，只能通過(guò)專業(yè)的觀片燈觀察，且底片只有1套，在需要較大的存儲(chǔ)空間時(shí)調(diào)用和傳輸均比較麻煩。

DR圖像利用計(jì)算機(jī)可大量存儲(chǔ)，以數(shù)字電子化的方式進(jìn)行管理[1]，不需要建立資料室進(jìn)行底片存檔；而傳統(tǒng)膠片保存需要設(shè)置恒溫資料室，資料室的干濕度具有一定要求，不僅底片管理需要花費(fèi)較多的人力和物力，而且隨時(shí)間的增加，底片逐漸變質(zhì)、質(zhì)量降低。

在DRT系統(tǒng)中，曝光結(jié)束即可得到圖像；探測(cè)器可固定在管道上，技術(shù)人員無(wú)須過(guò)多移動(dòng)探測(cè)器，檢測(cè)速度快；設(shè)備自帶電源，提高野外和高空檢測(cè)能力，提高工作效率，降低檢測(cè)成本。

DRT系統(tǒng)的購(gòu)買費(fèi)用相對(duì)較高，但平板探測(cè)器可反復(fù)使用，在1 a或2 a內(nèi)DR與膠片費(fèi)用相當(dāng)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看DR成本遠(yuǎn)低于膠片成本。

DRT系統(tǒng)消除在膠片沖洗過(guò)程中由顯影液、停顯影、定影液和水沖洗所產(chǎn)生的重金屬污水與有害廢水，對(duì)環(huán)境保護(hù)起到較大的作用。

從使用環(huán)境和成本來(lái)看，DR大幅優(yōu)于膠片成像。從成像速度來(lái)看，膠片成像技術(shù)已遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)過(guò)程的需求。隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展發(fā)展，DRT技術(shù)在許多領(lǐng)域逐步取代膠片成像技術(shù)。

2 DRT技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

2.1 實(shí)例1——上海市某工廠壓力管道檢測(cè)

RT為定檢作業(yè)的一部分，對(duì)其中5條管線的42道焊縫進(jìn)行RT。管道內(nèi)的介質(zhì)為蒸汽，其溫度為450 ℃；巖棉保溫層厚度為100 mm，外覆馬口鐵防水層；保溫層外溫度約45 ℃。管道規(guī)格(外徑×壁厚)分別為325 mm×13 mm、455 mm×14 mm、530 mm×16 mm，材質(zhì)為15CrMo鋼，焊接方式為氬弧焊打底和焊絲電焊蓋面。該5條管線是企業(yè)生產(chǎn)的主要熱能供應(yīng)來(lái)源，根據(jù)企業(yè)要求，在管道內(nèi)存在介質(zhì)的情況下，采用DRT方法進(jìn)行不停產(chǎn)RT。

(1)設(shè)備選擇

系統(tǒng)由便攜式射線機(jī)、平板探測(cè)器、控制終端(手提式輕便計(jì)算機(jī))影像處理軟件和輔助裝置等部分組成。

射線源為瑞士COMET公司的PXS EVO 300DS射線機(jī)：焦點(diǎn)為1.0 mm×1.0 mm；管電壓為150～300 kV，高頻恒壓；輻射角度為40°；穿透力強(qiáng)，最大穿透能力(A3鋼)為65 mm。

平板探測(cè)器(DR成像板)為比利時(shí)Xris公司的WA-P2530：非晶硅；閃爍體為Gd2O2S：Tb(硫氧化釓)；像素為139 μm；線對(duì)值為3.6 LP/mm；空間分辨率為4.0 LP/mm；模數(shù)轉(zhuǎn)換(Analog to Digital，A/D)為16 bits；通信接口為千兆網(wǎng)；平板探測(cè)器尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為460 mm×460 mm×268 mm(含內(nèi)置鋰電池)；有效成像面積為427 mm×427 mm；像素矩陣為3 072×3 072 pixel；幀速率為4幀/15 s；量子檢測(cè)效率為65%；質(zhì)量為2.3 kg；耐高能，滿足B級(jí)要求。

影像處理軟件為原廠軟件，滿足工業(yè)認(rèn)證要求。利用Maestro軟件獨(dú)有的視頻實(shí)時(shí)曝光參數(shù)調(diào)節(jié)模式，操作員易于確立每道焊縫的曝光參數(shù)，避免重復(fù)測(cè)試和重復(fù)曝光。

(2)配置方案

平板探測(cè)器(DR成像板)為耐高壓便攜式設(shè)備，自帶電池工作，現(xiàn)場(chǎng)比較簡(jiǎn)潔，方便作業(yè)和安全。射線機(jī)為高頻機(jī)，DR為較小像素尺寸NDT試板，可構(gòu)建高靈敏度和高分辨率的檢測(cè)條件。Maestro軟件配置多種NDT檢測(cè)濾鏡，具有較好的低密度物質(zhì)射線圖像處理能力，可輕易剔除保溫層和介質(zhì)對(duì)圖像的信噪比影響。

(3)檢測(cè)方法

透照方式：采用雙壁單影透照，射線機(jī)應(yīng)適當(dāng)傾斜，保證主射線透照、成像灰度均勻；在采用靜態(tài)成像方式采集圖像時(shí)，圖像采集的重疊區(qū)域長(zhǎng)度應(yīng)不小于30 mm。

透照參數(shù)選擇：采用250～280 kV、幀/10 s的采集方式成像，以灰度、靈敏度、圖像分辨率和信噪比達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)為要求，可根據(jù)圖像情況適當(dāng)調(diào)節(jié)。

(4)圖像質(zhì)量

滿足標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)的技術(shù)要求；測(cè)定圖像質(zhì)量的像質(zhì)計(jì)分為線型像質(zhì)計(jì)和雙線型像質(zhì)計(jì)。

(5)DR圖像

325 mm×13 mm規(guī)格的管道存在咬邊缺陷，如圖1所示。

圖1 咬邊缺陷

455 mm×14 mm規(guī)格的管道存在未焊透缺陷，如圖2所示。

圖2 未焊透缺陷

30 mm×16 mm規(guī)格的管道存在氣孔缺陷，如圖3所示。

圖3 氣孔缺陷

典型缺陷數(shù)字圖譜如圖4～圖7所示。

圖4 圓形缺陷(氣孔)

圖5 條形缺陷(夾渣)

圖6 未焊透、條形缺陷(夾渣)

圖7 未熔合缺陷

在壓力管道DRT中，系統(tǒng)成像能力穩(wěn)定，工作量進(jìn)度符合預(yù)期；采集的圖像符合成像質(zhì)量，在后期圖像處理上，高對(duì)比度濾鏡和邊緣銳化濾鏡處理均必須使用，可較好剔除保溫層和防水覆管材料的成像影響，具有較好的目檢效果，不會(huì)出現(xiàn)漏檢和誤判的情況。

2.2 實(shí)例2——某特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院管道中心管道檢測(cè)

化工管道、蒸汽管道、熱力管道和低溫管道等設(shè)置保溫層，管道內(nèi)存在介質(zhì)，對(duì)這些管道進(jìn)行不停產(chǎn)檢測(cè)。管道類型多，直徑規(guī)格為89～530 mm，共計(jì)1 020道焊口。為保證輻射安全，不能與其他工作同時(shí)作業(yè)。RT作業(yè)需要避開白天正常的工作時(shí)間，只能安排在晚上22點(diǎn)至第二天的6點(diǎn)進(jìn)行，而整個(gè)項(xiàng)目的檢測(cè)作業(yè)時(shí)間只有15 d。若采用常規(guī)RT方法，在保證輻射安全的前提下，現(xiàn)場(chǎng)最多只能安排3組人員。每道焊口檢測(cè)需要30 min，每天每個(gè)作業(yè)點(diǎn)可檢測(cè)16道焊口，每天最大工作量為48道焊口(影響作業(yè)的其他因素忽略不計(jì))。按正常時(shí)間推算，全部檢測(cè)時(shí)間最少需要22 d(176 h)。在與企業(yè)溝通后，在保證檢測(cè)質(zhì)量的前提下，采用DRT方法進(jìn)行檢測(cè)作業(yè)。

(1)設(shè)備選擇

射線檢測(cè)機(jī)為德國(guó)YXLON公司的產(chǎn)品：焦點(diǎn)尺寸為3.0 mm×3.0 mm；機(jī)頭尺寸(長(zhǎng)×直徑)為775 mm×295 mm，質(zhì)量為33.0 kg；輻射方式為定向；穿透能力為65 mm(鐵)；管電壓為50～300 kV(調(diào)節(jié)精度為1.0 kV/step)，恒電位；管電流為0.5～3.0 mA(調(diào)節(jié)精度為0.1 mA/step)；最大輻射角為40°～55°。該檢測(cè)機(jī)特點(diǎn)是輸出極其穩(wěn)定，曝光時(shí)間相對(duì)縮短，大幅提高工作效率；管電壓、管電流和曝光時(shí)間等參數(shù)可通過(guò)鍵盤輸入，或調(diào)用預(yù)先設(shè)定的參數(shù)，多達(dá)100組；控制單元可對(duì)射線管頭自動(dòng)識(shí)別，移動(dòng)調(diào)整預(yù)熱程序，并可自動(dòng)記錄近100組的曝光參數(shù)。

DR成像板為德國(guó)布魯泰克(PROTEC)公司的RAPIXX 4NDT：閃爍體為Csl(碘化銫)；像素為139 μm；調(diào)制傳遞函數(shù)為62%(1*1)@1.0LP/mm；線對(duì)值為3.6 LP/mm；灰階轉(zhuǎn)換為16 bits；有效成像面積為427 mm×427 mm；像素矩陣為3 072×3 072 pixel；幀速率為4幀/15 s；量子檢測(cè)效率為65%；材料類型為非結(jié)晶質(zhì)硅樹脂；X射線能量為40～350 kV；工作溫度為10～75 ℃；濕度為10%～75%；防水等級(jí)為IPX3。

影像處理軟件為原廠軟件?；竟δ埽捍皩?；放大器；旋轉(zhuǎn)；自由旋轉(zhuǎn)；正負(fù)片；翻轉(zhuǎn)；剪切；注釋。特點(diǎn)：直觀的用戶界面；智能的自動(dòng)備份功能；圖像自動(dòng)處理(Automatic Image Processing，AIP)功能；程序不僅可在窗口運(yùn)行，而且可在全屏模式下運(yùn)行；具有不同的濾波。測(cè)量功能：長(zhǎng)度、灰度值、歸一化信噪比和分辨率等圖像質(zhì)量控制參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量和計(jì)算。輔助功能：區(qū)域窗位；測(cè)量；附加濾波器；傾斜；全屏；縮放；快速訪問(wèn)工具欄；直方圖。

(2)DRT效果

DRT自動(dòng)化程度高，檢測(cè)速度快，檢測(cè)效率高。整個(gè)檢測(cè)過(guò)程同樣安排3組人員，只用13 d即完成全部檢測(cè)任務(wù)，不僅降低人工成本，而且得到企業(yè)的好評(píng)。DRT效果如圖8～圖10所示。

圖8 加保溫棉的管道

圖9 外徑為219 mm、介質(zhì)為天然氣、設(shè)置保溫層的管道

圖10 -30°、存在介質(zhì)、帶鐵皮外殼、保溫厚度為200 mm的管道

3 結(jié) 語(yǔ)

常規(guī)RT無(wú)法對(duì)設(shè)置保溫層和存在介質(zhì)的壓力管道進(jìn)行檢測(cè)，而DRT技術(shù)不僅可解決該難題，而且可消除由停運(yùn)、停產(chǎn)、停航或拆除管道保溫層等造成的經(jīng)濟(jì)損失。DRT技術(shù)不使用膠片，即沒(méi)有暗室處理環(huán)節(jié)，可消除由暗室處理帶來(lái)的環(huán)境污染，對(duì)環(huán)境保護(hù)起到較大作用。