杜興吉，沈 赟，沈曉軍，張黎明，柴東京

（1.浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，杭州 310020；2.浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州313028）

X射線平板數(shù)字成像技術(shù)在復(fù)合管管端堆焊檢測中的應(yīng)用

杜興吉1，沈 赟2，沈曉軍2，張黎明2，柴東京2

（1.浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，杭州 310020；2.浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州313028）

為了提高復(fù)合管管端堆焊焊縫檢測的靈敏度、分辨率和檢測效率，降低成本，開發(fā)了一套新型復(fù)合管管端焊縫檢測設(shè)備，采用X射線數(shù)字式DR成像檢測系統(tǒng)，對復(fù)合管的管端堆焊焊縫進(jìn)行了檢測，采集所得的圖像靈敏度與膠片靈敏度相當(dāng)，完全能達(dá)到ISO 17636標(biāo)準(zhǔn)B級要求，與X射線膠片照相結(jié)果比對表明，DR實(shí)時(shí)成像技術(shù)具有快速、簡便、直觀等特點(diǎn)，可取代傳統(tǒng)照相技術(shù)。

焊管；復(fù)合鋼管；堆焊；X射線平板數(shù)字成像

雙金屬復(fù)合管是以碳素鋼管或合金鋼管為基管，在其內(nèi)表面覆襯一定厚度的不銹鋼、鎳基合金等耐蝕合金的復(fù)合管。這種特殊的結(jié)構(gòu)形式，使得其兼顧碳鋼的耐壓性和不銹鋼的耐蝕性，并且有相對不銹鋼價(jià)格低廉的特點(diǎn)。其突出的性價(jià)比和耐蝕性能使其在石油及天然氣工業(yè)、化學(xué)工程等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。

本研究采用的耐蝕合金復(fù)合鋼管加工類型為機(jī)械復(fù)合，基管為X65QO，襯管為316L，成品管規(guī)格為Φ219 mm×（12.7+3）mm，除需要滿足API SPEC 5LD—2009《內(nèi)覆或襯里耐腐蝕合金復(fù)合鋼管規(guī)范》要求外，還需要滿足客戶的附加條件，質(zhì)量等級要求非常高，對鋼管管端堆焊焊縫進(jìn)行100%射線檢測，檢測標(biāo)準(zhǔn)為ISO 17636，圖像質(zhì)量級別為B級。

對于機(jī)械式復(fù)合管，由于兩層金屬之間物化性能的差異、錯(cuò)邊及兩層金屬之間的間隙，極易造成氣孔、結(jié)構(gòu)性陰影、未熔合及裂紋等缺陷，目前工廠常用的無損檢測方法有X射線、超聲波、磁粉、滲透和渦流檢驗(yàn)。若采用常規(guī)的膠片成像法進(jìn)行射線檢測，不僅成本高，而且檢測周期長。

X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)與膠片照相法一樣具有直觀、準(zhǔn)確、可靠和有檔可查的特點(diǎn)，配合適當(dāng)?shù)臋z測工藝即可達(dá)到與膠片照相法同等的缺陷檢出能力，且其檢測速度快，完全能滿足檢測要求。經(jīng)過多次試驗(yàn)對比后，數(shù)字式DR成像檢測完全能達(dá)到與常規(guī)膠片法檢測同樣的效果。

1 系統(tǒng)主要組成

由于管端堆焊區(qū)域范圍較小，不利于自動(dòng)化檢測，因此開發(fā)了專門的X射線平板數(shù)字實(shí)時(shí)成像檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由X射線機(jī)、數(shù)字式DR成像系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)處理存儲(chǔ)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等部分組成，X射線平板數(shù)字實(shí)時(shí)成像檢測系統(tǒng)現(xiàn)場布置如圖1所示。

圖1 X射線平板數(shù)字實(shí)時(shí)成像檢測系統(tǒng)現(xiàn)場布置圖

選用HS－XY160高頻X射線機(jī)，其管電壓20～160 kV（絕對精度±1%、重復(fù)精度±0.05%、步長0.1 kV）， 管電流1～10 mA（絕對精度±0.5%、 重復(fù)精度±0.01%、步長0.01 mA），最大穿透33 mm，拍片靈敏度優(yōu)于1.5%。

X射線管選用瑞士COMET公司生產(chǎn)的MXR－50HP/11，焦點(diǎn)尺寸0.4 mm/1.0 mm；高壓電纜選用瑞士進(jìn)口原配電纜。與常規(guī)膠片法成像選用的射線機(jī)相比，具有較小焦點(diǎn)尺寸，從而能顯著降低幾何不清晰度，提高圖像質(zhì)量。

平板探測器選用的是美國PerkinElmer公司的XRD－0822 AP3，是非晶硅數(shù)字式X射線探測器系列中最新增加的產(chǎn)品，AD轉(zhuǎn)換系數(shù)高，具有接收高能X射線照射的功能，產(chǎn)品可靠性高。其主要參數(shù)：16 bit 65 536級灰度，超過88 dB的圖像動(dòng)態(tài)范圍，通過幾個(gè)讀出模式幀速率高達(dá)100幀/s。承受射線能量為15 MeV。對于移動(dòng)速度4～8 m/s的動(dòng)態(tài)成像，對比靈敏度可達(dá)到2%～2.5%，同時(shí)靜態(tài)成像的靈敏度達(dá)到1.1%。

機(jī)械系統(tǒng)由射線管架車和DR成像板架車等組成。電氣控制系統(tǒng)由射線機(jī)控制、架車控制和大小鉛門控制等組成。

計(jì)算機(jī)控制操作系統(tǒng)包括操作面板、便于從各方向觀察的數(shù)個(gè)監(jiān)視器、計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制軟件和圖像處理軟件等。

檢測人員可以通過操作面板對系統(tǒng)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，當(dāng)X射線焦點(diǎn)、平板探測器中心和被檢管端堆焊焊縫處于同一直線時(shí)即可開始檢測。同時(shí)，檢測人員可以通過4個(gè)監(jiān)視器對檢測全程進(jìn)行監(jiān)控，從不同的角度觀察焊縫的檢測部位，防止操作過程中發(fā)生意外和碰撞。得到的射線影像由圖像處理軟件進(jìn)行后續(xù)圖像處理。

系統(tǒng)控制臺(tái)是X射線平板數(shù)字實(shí)時(shí)成像檢測系統(tǒng)的控制中心，系統(tǒng)控制臺(tái)的工控機(jī)連接裝有運(yùn)動(dòng)控制卡、操作面板、X射線數(shù)字成像系統(tǒng)控制器、傳感器接收控制元件、報(bào)警提示元件等部件，操作面板安裝一體觸摸屏機(jī)來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互控制，傳感器接收控制元件由信號采集反饋芯片及位置編碼器的元器件構(gòu)成，報(bào)警提示元件由傳感器反饋芯片及報(bào)警急停接觸器等元件組成。

2 系統(tǒng)工作原理

X射線平板數(shù)字成像系統(tǒng)裝置受控制臺(tái)控制，開啟工作時(shí)，X射線管發(fā)射出的X射線穿透被檢鋼管的管端堆焊焊縫后，照在靠近焊縫位置的數(shù)字平板成像器上，數(shù)字平板成像器將接收到的射線信號轉(zhuǎn)換成圖像數(shù)字信號，再將信號傳輸?shù)较到y(tǒng)控制臺(tái)上，系統(tǒng)控制臺(tái)裝有專用成像軟件，信號傳入計(jì)算機(jī)中完成圖像顯示，并且存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)硬盤中。系統(tǒng)控制臺(tái)利用圖像處理手段和圖像測量工具對圖像進(jìn)行內(nèi)部缺陷判斷及存貯等綜合處理。通過成像后的圖像直接在顯示器上按相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評判是否合格（與膠片法相比，區(qū)別在于膠片法是在底片上進(jìn)行評定，而DR是在顯示器上進(jìn)行評定）。如不合格，則對缺陷的性質(zhì)、大小、位置等信息做定性、定量判定，并對焊縫質(zhì)量進(jìn)行評定，最后自動(dòng)生成可打印輸出的檢測報(bào)告。

數(shù)字式DR成像檢測流程：進(jìn)管→曝光→采集圖片→評定圖片→出具檢測報(bào)告→刻錄光盤→資料室（儲(chǔ)存）。

在檢測過程中，采用步進(jìn)式檢測，即鋼管每旋轉(zhuǎn)60 mm距離就停止，然后靜態(tài)采集圖像，采集完成后，鋼管再旋轉(zhuǎn)，再采集，如此循環(huán)直至采集完一周的焊縫圖像，確保每支鋼管管端堆焊焊縫達(dá)到100%射線檢測。

評定過程中，由于數(shù)字式DR成像檢測采集的圖像是在分辨率為2 M的黑白高清電腦顯示屏上直接進(jìn)行評定，再配合專業(yè)成像軟件，采集的圖像的靈敏度與膠片成像底片相當(dāng)。

3 檢測靈敏度比較

為了測試X射線平板數(shù)字實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)的整體技術(shù)特性，在生產(chǎn)現(xiàn)場對系統(tǒng)分辨率、像質(zhì)指數(shù)、檢測速度及可操作性等進(jìn)行了測試，并和膠片法的檢測結(jié)果進(jìn)行了對比。

3.1 靈敏度對比

（1）對規(guī)格為 Φ219 mm×（12.7+3）mm 的鋼管管端堆焊焊縫采用X射線數(shù)字式DR成像檢測，圖像等級按ISO 17636標(biāo)準(zhǔn)B級，要求單絲像質(zhì)計(jì)檢測靈敏度應(yīng)能識(shí)別13＃金屬絲（線徑d=0.20 mm）。曝光參數(shù)為：焦距F=650 mm，工件到膠片的距離L2=100 mm，管電壓430 kV，管電流1.8 mA，有效焦點(diǎn)尺寸df=0.4 mm，采集幀數(shù) 300， 利用公式 Ug=df×L2/（F－L2）， 可計(jì)算出幾何不清晰度Ug=0.073 mm，計(jì)算結(jié)果滿足JB/T 4730標(biāo)準(zhǔn)B級不大于0.31 mm的要求。

采集到的圖像的像質(zhì)計(jì)靈敏度能識(shí)別13＃金屬絲，如圖2所示。從圖2可以看出，像質(zhì)計(jì)靈敏度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 DR圖像像質(zhì)計(jì)靈敏度

（2）采用膠片法（AGFA D5型），曝光參數(shù)為：焦距F=500 mm，工件到膠片的距離L2=15.7 mm，管電壓195 kV，管電流3 mA，有效焦點(diǎn)尺寸df=1.0 mm，曝光時(shí)間1.5 min，利用公式 Ug=df×L2/（F－L2）， 可計(jì)算出幾何不清晰度Ug=0.032 mm，計(jì)算結(jié)果滿足JB/T 4730標(biāo)準(zhǔn)B級不大于0.17 mm的要求。

經(jīng)過暗室處理后得到的底片黑度為3.5，能識(shí)別13＃金屬絲，如圖3所示。由圖3可以看出，像質(zhì)計(jì)靈敏度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 底片像質(zhì)計(jì)靈敏度

3.2 人工缺陷檢測對比

對規(guī)格為Φ219 mm×（12.7+3）mm的刻傷樣管進(jìn)行了測試，測試結(jié)果為：裂紋1個(gè)（長5 mm，深1.0 mm，寬0.05 mm）、 氣孔3個(gè)（孔徑0.8 mm，孔深1.00 mm）、未熔合1個(gè)（長5 mm，深2 mm，寬0.2 mm）。將圖像調(diào)整到1∶1，分別采用X射線數(shù)字DR成像和膠片法檢測，檢測結(jié)果可以識(shí)別13#金屬絲，如圖4～圖6所示。

通過以上幾組缺陷圖像的對比表明，X射線數(shù)字式DR成像檢測與膠片法檢測能夠達(dá)到同樣的靈敏度，并能發(fā)現(xiàn)同樣的缺陷，具有檢測效率高的特點(diǎn)。

3.3 自然缺陷檢測對比

（1）對規(guī)格為 Φ219 mm×（12.7+3）mm 的復(fù)合管管端堆焊焊縫采用X射線數(shù)字式DR成像檢測，圖像放大倍數(shù)為1.6倍，發(fā)現(xiàn)一個(gè)氣孔，如圖7（a）所示。 將圖像調(diào)整到 1∶1， 發(fā)現(xiàn) 13＃金屬絲， 顯示氣孔尺寸＜0.8 mm， 如圖7（b）所示。

（2）采用膠片法（AGFA D5型）對復(fù)合管相同部位進(jìn)行檢測，圖像放大1.6倍時(shí)，底片上發(fā)現(xiàn)一個(gè)＜0.8 mm的氣孔，如圖8（a）所示；將圖像調(diào)整到1∶1時(shí)，發(fā)現(xiàn)13#金屬絲，如圖8（b）所示。

圖4 裂紋檢測結(jié)果

圖5 氣孔檢測結(jié)果

圖6 未熔合檢測結(jié)果

圖7 X射線數(shù)字DR成像檢測

圖8 膠片法檢測

4 結(jié) 語

通過上述對比試驗(yàn)，對耐蝕合金復(fù)合鋼管管端堆焊焊縫采用X射線數(shù)字式DR成像檢測在技術(shù)上是可行的，采集所得的圖像靈敏度與膠片靈敏度相當(dāng)，能達(dá)到ISO 17636標(biāo)準(zhǔn)B級要求，焊縫質(zhì)量控制完全有保證，可以替代X射線膠片法檢測。因此，可以采用數(shù)字DR成像對復(fù)合管管端堆焊焊縫進(jìn)行100%檢測。

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Application of X-ray Panel Digital Imaging Inspection Technology in Surfacing Welding of Composite Pipes Tube End

DU Xingji1，SHEN Yun2，SHEN Xiaojun2，ZHANG Liming2，CHAI Dongjing2
（1.Zhejiang Provincial Special Equipment Inspection and Research Institute，Hangzhou 310020， China；2.Zhejiang Jiuli Special material science and technology Co.，Ltd.，Huzhou 313028， Zhejiang,China）

In order to enhance the sensitivity,resolution ratio,inspection efficiency of composite pipe end surfacing weld inspection,and reduce cost,a new type of composite pipe end weld inspection device was developed.The device adopted X-ray digital DR imaging detection system to detect surfacing weld,the collected image sensitivity was consistent with film sensitivity,can fully meet the requirements of ISO 17636 standard class B.Compared with X-ray radiographic film results,DR real-time imaging technology has the characteristics of rapid,simple,intuitive,can replace traditional photographic technology.

welded pipe;composite steel pipe;surfacing;X-ray plate digital imaging

TG441.7

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.06.005

杜興吉（1968―），男，浙江東陽人，高級工程師，博士后，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)化檢測、特種設(shè)備檢測及機(jī)器人等，發(fā)表論文19篇。

2016－02－29

李紅麗