丁無極，汪　宏，熊偉東，朱宇龍，屠林楊

(杭州市特種設(shè)備檢測(cè)研究院， 杭州 310003)

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管道環(huán)焊縫射線檢測(cè)數(shù)字成像的畸變規(guī)律

丁無極，汪宏，熊偉東，朱宇龍，屠林楊

(杭州市特種設(shè)備檢測(cè)研究院， 杭州 310003)

摘要：根據(jù)射線數(shù)字成像技術(shù)成像屏對(duì)管道焊縫檢測(cè)成像的幾何原理，推導(dǎo)出基于管道環(huán)焊縫檢測(cè)的畸變公式。通過實(shí)際成像的檢測(cè)與畸變修正效果進(jìn)行驗(yàn)證，得出管道的畸變規(guī)律，可實(shí)現(xiàn)實(shí)際管道缺陷的準(zhǔn)確定位、定量。

關(guān)鍵詞：無損檢測(cè)；數(shù)字實(shí)時(shí)成像技術(shù)； 畸變；修正

X射線檢測(cè)技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)檢測(cè)中的常用技術(shù)[1]。常規(guī)X射線檢測(cè)技術(shù)是一種以X射線發(fā)生器為射線源，以工業(yè)膠片為感光和成像介質(zhì)，以觀片燈為觀察和分析平臺(tái)，對(duì)構(gòu)件內(nèi)部的缺陷進(jìn)行無損檢測(cè)的方法。經(jīng)過多年的發(fā)展，射線數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)(DR技術(shù))已具有較高的靈敏度和成像質(zhì)量，利用數(shù)字探測(cè)器代替膠片不僅降低了對(duì)環(huán)境的污染、提高了檢測(cè)效率，而且檢測(cè)記錄保存方便、重復(fù)性高，克服了常規(guī)膠片檢測(cè)的諸多缺點(diǎn)，目前已成為一種被普遍接受的射線檢測(cè)方法。但是，射線數(shù)字成像檢測(cè)采用的數(shù)字探測(cè)器都是平板硬屏，在曲面物體(以管道對(duì)接焊縫檢測(cè)最為典型)的檢測(cè)中，由于其不能像膠片那樣有效地貼近物體，從而增加了射線源與射線接收裝置的距離。在當(dāng)前大部分使用“點(diǎn)源”射線的情況下，使用硬屏數(shù)字探測(cè)器會(huì)產(chǎn)生比膠片更大的放大倍數(shù)，而加劇圖像的畸變。使用畸變的圖像，易使得缺陷的評(píng)定失準(zhǔn)、缺陷的查找更困難，造成制造與檢測(cè)成本的提高。

對(duì)于大直徑管道的檢測(cè)，DR技術(shù)的工效比膠片照相大幅降低，在曝光時(shí)間方面，DR硬平板只能采用分段靜態(tài)曝光方式，受平板大小及幾何變形限制，一次曝光只能有十幾厘米長(zhǎng)，加上必要的搭接，直徑1 m的管道焊縫約需要曝光17次以上[2]；在圖像評(píng)定時(shí)，由于只有十幾厘米長(zhǎng)的圖片相對(duì)膠片會(huì)增加不少張圖像，增加了評(píng)判時(shí)間。隨著大屏射線數(shù)字成像板的開發(fā)及DR檢測(cè)圖像拼接技術(shù)的進(jìn)展[3]，DR技術(shù)的工效問題可以有效解決，但是更需要檢測(cè)圖像修正技術(shù)的支持。筆者根據(jù)射線數(shù)字成像技術(shù)成像屏對(duì)管道焊縫檢測(cè)成像的幾何原理，推導(dǎo)出基于管道環(huán)焊縫檢測(cè)的畸變公式；并通過實(shí)際成像的檢測(cè)與畸變修正效果進(jìn)行驗(yàn)證，得出管道的畸變規(guī)律。

1射線圖像畸變的幾何原理

射線對(duì)物體檢測(cè)的最基本原理與光線的透射與接收方法一致，大部分射線檢測(cè)都使用“點(diǎn)源”。射線照相是通過投影將具有三維尺寸的試件(包括其中的缺陷)投射到底片上再轉(zhuǎn)化為只有二維尺寸的圖像，由于射線源、物體(試件及缺陷)、膠片三者間相對(duì)位置和角度的變化，會(huì)使底片上的影像與實(shí)際物體的尺寸、形狀、位置有所不同。而為了防止探測(cè)器被受檢工件表面撞壞，要求探測(cè)器與工件表面保持一定的空間距離。根據(jù)幾何投影的原理，檢測(cè)部分圖像必然是放大的。幾何放大倍數(shù)不宜過大，過大會(huì)使有效檢驗(yàn)長(zhǎng)度減少，且圖像質(zhì)量會(huì)下降。為保護(hù)探測(cè)器、X射線管不受工件碰撞損傷，且為控制一次透照長(zhǎng)度范圍內(nèi)兩側(cè)環(huán)焊縫影像的不清晰度和投影變形量，圖像幾何放大倍數(shù)M宜控制在1.2左右[4]。

2管道雙壁雙影透照成像的畸變公式

一組光線將物體的形狀投射到一個(gè)面上得到的圖像，稱為“投影”，這個(gè)面稱為“投影面”。投射線從一點(diǎn)出發(fā)的稱為“中心投影”，投射線相互平行的稱“平行投影”。平行投影中，投影與投射影面垂直的稱“正投影”，傾斜的稱“斜投影”。對(duì)于一物體，正投影和斜投影得到的影像形狀不同，如果正投影得到的像視為正常，則認(rèn)為斜投影的像發(fā)生了畸變[5]。如何識(shí)別圖像的畸變并使之還原為正常狀態(tài)，是減少缺陷的誤判與錯(cuò)誤定位的一大關(guān)鍵問題。管道環(huán)焊縫的射線檢測(cè)外部透照方式一般有兩種：雙壁雙影與雙壁單影。在研究透照成像畸變時(shí)，雙壁單影是僅把遠(yuǎn)離射線源側(cè)的焊縫投影在數(shù)字成像板上，是雙壁雙影透照中的一種典型模式，所以只需研究雙壁雙影透照模式。

管道雙壁雙影的透照視圖如圖1所示。

圖1　雙壁雙影射線透照示意

由于此次成像檢測(cè)以常見的薄壁管道為例，所以忽略管道的壁厚，幾何參數(shù)如圖1(a)，以下計(jì)算公式以管道的外壁截面為參考平面，公式中θ角的單位為弧度。

以θ角的外弧原始長(zhǎng)度l1為:

(1)

平行投影長(zhǎng)度l2為:

(2)

根據(jù)幾何形狀變形后的長(zhǎng)度l3(遠(yuǎn)離射線源側(cè))為：

(3)

根據(jù)幾何形狀變形后的長(zhǎng)度l4(近射線源側(cè))為：

(4)

3管道DR檢測(cè)成像

3.1檢測(cè)試件

為了更好地分析缺陷在曲面物體的成像狀況，將錫焊絲(規(guī)格φ1 mm×15 mm與φ1 mm×30 mm相連)用雙面膠標(biāo)貼于檢測(cè)鋼管的外側(cè)，這是由于錫焊絲比較柔軟，可以模擬管道環(huán)焊縫緊帖在鋼管外壁上。被測(cè)鋼管的幾何參數(shù)為：鋼管規(guī)格φ64 mm×3.6 mm;焦距380 mm;傾斜角17.4°;錫絲標(biāo)貼總長(zhǎng)200 mm;透射方式為雙壁雙影。依據(jù)條款為NB/T47013.2-2015標(biāo)準(zhǔn)中4.1.4條“小徑管環(huán)向?qū)雍附咏宇^的透照布置規(guī)定”。小徑管采用雙壁雙影透照布置，當(dāng)同時(shí)滿足T(壁厚)不大于8 mm和g(焊縫寬度)不大于D0/4(D0為小徑管外徑)兩個(gè)條件時(shí),應(yīng)采用傾斜透照方式橢圓成像；不滿足上述條件或橢圓成像有困難時(shí),可采用垂直透照方式重疊成像[6-7]。

3.2畸變圖像對(duì)比

DR檢測(cè)技術(shù)設(shè)備進(jìn)行管道的透照試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)如圖2所示。

圖2　管道DR透照試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片

此次檢測(cè)搭建的平臺(tái)中，射線源的透照中心為直徑為6.3 mm的圓孔，管道橫截面(焊絲環(huán)面)與射線源的中心軸線的夾角γ(見圖1(b))為17.4°(符合標(biāo)準(zhǔn)射線束中心一般與被檢焊縫平面傾斜15°～20°的要求)，采用雙壁雙投影照相法[7]。由于射線源焦點(diǎn)的大小不僅影響圖像清晰度，還直接影響到檢測(cè)圖像的對(duì)比度，焦點(diǎn)越小圖像越清晰、對(duì)比度越好[8]，故選取小焦點(diǎn)射線機(jī)；其現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)設(shè)定為：管電壓270 kV；根據(jù)成像質(zhì)量調(diào)試，脈沖式射線機(jī)曝光量設(shè)定為20個(gè)脈沖，焦點(diǎn)尺寸為1 mm×1 mm，4次平均降噪。

拍攝照片原圖調(diào)節(jié)灰度后測(cè)量焊絲長(zhǎng)度(見圖3)，經(jīng)DR檢測(cè)的焊絲數(shù)字圖像周向變形如下：遠(yuǎn)射線源側(cè)為左半側(cè)(主評(píng)定區(qū))靠近管道投影邊緣處，會(huì)產(chǎn)生明顯的縮短變形，其中實(shí)際長(zhǎng)30 mm的焊絲圖像的長(zhǎng)度為24.1 mm；而在投影中間產(chǎn)生的增長(zhǎng)變形，其中近源側(cè)(副評(píng)定區(qū))表面實(shí)際長(zhǎng)15 mm的焊絲的圖像長(zhǎng)度為16.5，17.5 mm,離射線源越遠(yuǎn)變形越大。用儀器自帶軟件測(cè)量圖3中焊絲時(shí)，在焊絲成像右半側(cè)的焊絲與通孔明顯發(fā)虛且被放大；左側(cè)中間的焊絲與通孔與實(shí)物比較接近。另外在上部與下部邊緣處的焊絲，因沿小管徑圓周曲率方向有偏轉(zhuǎn)，形狀畸變嚴(yán)重，不能準(zhǔn)確測(cè)量。由于儀器自帶圖像測(cè)量軟件不完善，不能對(duì)測(cè)量線與圖像中的缺陷完全擬合，在測(cè)試中對(duì)焊絲直線測(cè)量值與軟件分多段測(cè)量值之和比對(duì)，擬合誤差在1.0%以內(nèi)，為了簡(jiǎn)化起見，測(cè)量結(jié)果未考慮軟件的擬合誤差。

圖3　焊絲長(zhǎng)度分布

4圖像缺陷的修正

根據(jù)射線數(shù)字成像技術(shù)的成像屏、管道與射線源成像的幾何關(guān)系，由式(1)(4)經(jīng)過MATLAB計(jì)算得出修正焊絲的成像關(guān)系如圖4所示，修正后的長(zhǎng)度關(guān)系見表1。

圖4　焊絲DR檢測(cè)前后的長(zhǎng)度曲線

由表1得出管道的DR檢測(cè)成像，在圖像上所測(cè)量的焊絲尺寸與實(shí)際的焊絲尺寸有較大的出入，位于主評(píng)定區(qū)的長(zhǎng)30 mm的焊絲，縮短了20%，經(jīng)過修正后變?yōu)閷?shí)際長(zhǎng)度的96%；處于透照中心位置的長(zhǎng)15 mm的焊絲與實(shí)際長(zhǎng)度一致。副評(píng)定區(qū)中，兩條長(zhǎng)15 mm的焊絲處于放大的區(qū)域內(nèi)，其中放大倍數(shù)較大的為117%。

表1　焊絲DR檢測(cè)成像前后的長(zhǎng)度對(duì)比

5結(jié)論

DR檢測(cè)技術(shù)在增加檢測(cè)效率的同時(shí)，也增加了檢測(cè)缺陷的形狀畸變，通過對(duì)畸變的函數(shù)與實(shí)際檢測(cè)圖像的分析，得出以下結(jié)論：

(1) 當(dāng)缺陷位于管道DR透照?qǐng)D像中的主評(píng)定區(qū)(遠(yuǎn)射線源側(cè))時(shí)，其由中心向邊緣，主要產(chǎn)生逐漸縮短的畸變，且離管道中心越遠(yuǎn)形狀縮短越嚴(yán)重。

(2) 當(dāng)缺陷位于管道DR透照?qǐng)D像中的副評(píng)定區(qū)(近射線源側(cè))時(shí)，其由中心向邊緣，主要產(chǎn)生先放大后縮短的畸變，至一定位置后，離管道中心越遠(yuǎn)形狀越短。

(3) 得到的畸變規(guī)律可為批量檢測(cè)管道(流水線作業(yè))的固定式DR檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行缺陷圖像的修正提供方法，減少透照次數(shù)降低缺陷定量的評(píng)定風(fēng)險(xiǎn)。

(4) 對(duì)于受現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)位置局限的管道DR技術(shù)檢測(cè)，采用激光測(cè)距可為檢測(cè)提供詳細(xì)的檢測(cè)位置幾何數(shù)據(jù)，對(duì)DR圖像畸變作幾何還原減少缺陷定量、定位誤差。DR技術(shù)檢測(cè)對(duì)大口徑管道雙壁單影透照時(shí)，根據(jù)檢測(cè)精度， MATLAB圖像變形曲線可為計(jì)算透照次數(shù)提供重要的參考。

參考文獻(xiàn):

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The Distortion Law of Digital Radioscopy in the Ray Detection of Pipe Girth Welds

DING Wu-ji, WANG Hong, XIONG Wei-dong, ZHU Yu-long, TU Ling-yang

(Hangzhou Special Equipment Inspection Institute, Hangzhou 310003, China)

Abstract：According to the geometrical principle of the ray digital radioscopy detection on tubes or pipes, the distortion formulas based on the tube girth weld detection were deduced. The distortion correction effect of the actual imaging was verified by the actual digital radioscopy, and the distortion law of the tube was obtained, which could achieve the accurate localization and quantification of the actual pipe defects.

Key words:Nondestructive testing; Digital radioscopy technology; Distortion; Correction

中圖分類號(hào)：TG115.28

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-6656(2016)04-0038-03

DOI:10.11973/wsjc201604010

作者簡(jiǎn)介：丁無極(1974-)，男，高級(jí)工程師，國(guó)家注冊(cè)設(shè)備監(jiān)理師，主要從事壓力容器、壓力管道檢驗(yàn)、檢測(cè)與研究。通信作者：丁無極，E-mail: 2420673693@qq.com。

基金項(xiàng)目:杭州市科委資助項(xiàng)目(20140533B19)

收稿日期：2015-07-09