巨西民，蔣中印，蘭 川，唐彥林，李曉敏

（1.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安 710065；2.西安石油大學 石油工程學院，西安 710065；3.中油寶世順（秦皇島）鋼管有限公司，秦皇島 066206）

埋弧焊鋼管是油氣長輸管線建設中的主要用管［1］，我國已建成的“西氣東輸”管線、“西氣東輸”二線和正在建設的三線幾乎全部使用了埋弧焊鋼管。為了檢出鋼管焊縫焊接缺陷，保證管線質量，鋼管企業(yè)在鋼管制造期間，采用無損檢測技術進行焊縫缺陷檢測，主要檢測方法之一是X射線技術，管端焊縫主要采用射線膠片技術，管體焊縫采用X射線數(shù)字成像（DR）檢測技術。這兩種技術很好地保證了焊縫缺陷的檢出。但射線膠片技術耗時、耗材、檢測處理速度慢，影響了生產(chǎn)效率。采用圖像增強器的射線檢測系統(tǒng)的靈敏度和分辨率較低，觀察清晰度較差，影響了缺陷識別。隨著射線檢測技術的進步，數(shù)字射線檢測技術在埋弧焊鋼管焊縫射線檢測中已經(jīng)得到了應用，為了確認數(shù)字射線的檢測效果，筆者分析了數(shù)字射線檢測機理，并在相關鋼管公司進行了埋弧焊鋼管焊縫數(shù)字射線成像系統(tǒng)靈敏度、空間分辨率和缺陷檢出試驗，確認了該新技術的主要特性。

1 埋弧焊鋼管焊縫DR的檢測機理

1.1 埋弧焊鋼管焊縫DR檢測基本機理

埋弧焊縫數(shù)字射線檢測技術主要采用直接數(shù)字化射線檢測（DR）技術，直接數(shù)字化射線檢測技術是采用分立輻射探測器完成射線檢測的技術。在直接數(shù)字化檢測中，X射線能量轉換成電信號是通過平板探測器（Flat Plane Detector，F(xiàn)PD）來實現(xiàn)的，DR檢測系統(tǒng)的基本組成包括射線源、輻射探測器、圖像顯示與處理單元。平板探測器的特性會對DR圖像質量產(chǎn)生比較大的影響。埋弧焊鋼管焊縫使用的DR探測器主要為非晶硅（α－Si）輻射探測器［2］。

1.2 埋弧焊鋼管焊縫非晶硅DR探測器構成及射線轉換原理

1.2.1 非晶硅輻射探測器構成

非晶硅輻射探測器是間接轉換型半導體輻射探測器。包括：閃爍體層、非晶硅層（光電二極管陣列）、薄膜晶體管陣列（TFT）、電路，結構如圖1所示。其中閃爍體層、非晶硅層是影響數(shù)字射線成像品質的重要組成部分。

圖1 非晶硅平板探測器結構

閃爍體層一般由銫碘化物組成，銫碘化物是較理想的材料。碘化銫閃爍層是一種吸收X射線并把能量轉換為可見光的化合物。閃爍體材料由厚度為500～600μm連續(xù)排列的針狀碘化銫晶體構成，針柱直徑約為6μm，如圖2所示，碘化銫晶體的針狀結構能夠類似光纖一樣匯集散射光，可以有效抑制散射，從而改善探測器的調制解調（MTF）特性和量子探測效率（DQE）特性，碘化銫和非晶硅的組合DQE和MTF特性是最好的［3］。

圖2 碘化銫閃爍層

非晶硅光電二極管陣列完成可見光圖像向電荷圖像轉換的過程，同時還實現(xiàn)了連續(xù)圖像的點陣化采樣。典型探測器的陣列由間距為143μm的非晶硅光電二極管按行列矩陣式排列，431.8mm×431.8mm的探測器陣列由3000行×3000列共900萬個像元構成，根據(jù)應用要求的不同也可采用不同的像元尺寸以及不同的陣列大小，如圖3所示。圖3（b）為單個像元的放大照片，每一像元由具有光敏性的非晶硅光電二極管及不能感光的開關二極管，行驅動線和列讀出線構成。位于同一行所有像元的行驅動線相連，位于同一列所有像元的列讀出線相連，構成了探測器矩陣的總線系統(tǒng)。非晶硅平板檢測器（FPD）目前已可達到127μm×127μm像素和431mm×431mm的接收面積，每一個像素的幾何尺寸僅有幾十微米，具有極高的空間分辨率和很寬的動態(tài)范圍，可用做普通X射線數(shù)字照相。探測器可承受15MeV能量的X射線直接照射，工作性能穩(wěn)定，動態(tài)范圍大于2000∶1，A／D轉換位數(shù)可達16Bit（65536灰度級），可以一次性實現(xiàn)透照厚度變化大的工件的掃描成像檢測，曝光幾秒后即可顯示圖像，成像速度快，間接轉換型DR平板探測器大多為非晶硅結構，多用于工業(yè)X射線檢測領域［4］。

圖3 非晶硅光電二極管陣列及像素放大照片

1.2.2 非晶硅輻射探測器射線轉換原理

非晶硅輻射探測器探測過程為：入射射線激發(fā)閃爍體層，閃爍體層將輻射轉換為熒光；熒光傳輸?shù)椒蔷Ч瓒O管陣列，非晶硅將熒光轉換為電信號；電信號被送到對應于非晶硅二極管陣列的TFT，在TFT的各電容單元形成存儲電荷；最后由讀出電路順序讀出，形成數(shù)字電路，原理如圖4所示。

圖4 非晶硅探測器工作原理

1.3 數(shù)字射線系統(tǒng)性能評價的關鍵參數(shù)

影響數(shù)字射線檢測系統(tǒng)成像質量的因素主要有對比度、空間分辨率、信噪比等，在目前的相關標準中，對于數(shù)字射線檢測技術，需要給出的檢測圖像指標應包括常規(guī)像質計靈敏度值（對比度指標）以及滿足MTF值的雙絲像質計測定值——不清晰度值（空間分辨率指標）。

2 埋弧焊縫的數(shù)字射線檢測應用試驗

2.1 試驗系統(tǒng)組成及試驗標準依據(jù)

進行數(shù)字射線檢測試驗的系統(tǒng)主要由數(shù)字式PerkinElmer 0822AP3型X射線平板探測器、射線管型號為MXR－225HP／11X的高頻固定式射線機，工業(yè)控制計算機和圖像處理軟件等部分組成。

根據(jù)API Spec 5L45版《管線鋼管規(guī)范》E.4.1規(guī)定，射線數(shù)字檢驗應依據(jù)標準ISO 10893－7《鋼管的無損檢測》執(zhí)行。

2.2 試驗結果

2.2.1 靈敏度試驗結果

如圖5所示為不同壁厚條件下所進行的檢測靈敏度試驗結果，如表1所示，其中的標準像質指數(shù)參考標準ISO 10893－7B《鋼管的無損檢測》要求。

表1 不同壁厚下的靈敏度

2.2.2 典型缺陷檢測試驗

埋弧焊鋼管常見的自然缺陷進行數(shù)字射線成像檢測，如圖6所示。通過對自然缺陷的數(shù)字射線成像檢測分析，數(shù)字射線檢測系統(tǒng)對自然缺陷有較好的發(fā)現(xiàn)能力。

圖5 不同壁厚時的檢驗靈敏度試驗結果

圖6 埋弧焊鋼管焊縫常見缺陷的數(shù)字射線檢測

2.2.3 空間分辨率測試

在厚度8.74mm和22mm埋弧焊鋼管焊縫用雙絲像質計測試空間分辨率，基本滿足ISO 10893－7標準要求，如圖7所示。

圖7 不同厚度的空間分辨率測試顯示

3 結論

結合相關研究［5－6］及試驗結果可知，數(shù)字射線檢測技術的相對靈敏度與傳統(tǒng)X射線拍片相當，遠高于X射線圖像增強器的檢測方式。試驗的焊縫靈敏度，分辨率基本滿足ISO 10893－7標準要求。試驗的自然缺陷如：裂縫、未焊透、氣孔、夾渣等檢測圖像清晰，易于辨認，能達到埋弧焊縫膠片照相的同等圖像質量水平，是快速、高效地進行埋弧鋼管焊縫檢測的有效手段，是埋弧焊鋼管焊縫射線檢測的新技術。

［1］王曉香.我國油氣長輸管線用焊接鋼管生產(chǎn)技術的發(fā)展與展望［J］.鋼管，2004，33（3）：7－13.

［2］鄭世才.射線實時成像檢驗技術［J］.無損檢測，2000，22（7）：328－336.

［3］杜朝偉，唐曉薇，翟俊鵬，等.碘化銫非晶硅平板探測器的原理及應用［J］.中國醫(yī)學裝備，2009（6）：10－13.

［4］王化龍，范春雷，姜凱.X射線DR技術在鋁合金鑄件檢測中的應用［J］.影像技術，2012（6）：47－55.

［5］嚴紹書.X射線平板數(shù)字成像技術在螺施焊縫檢測中的應用［J］.焊管，2011，34（2）：21－25.

［6］蔣太秋，張圣光，王坤顯，等.DR平板檢測技術在螺旋埋弧焊管檢測中的應用［J］.焊管，2010，33（2）：57－59.