(1.沈陽市自然資源保護行政執(zhí)法支隊，沈陽 110031；2.丹東華日理學(xué)電氣有限公司，丹東 118001；3.丹東市陽光儀器有限公司， 丹東 118001)

近年來,隨著國內(nèi)外油氣等管路鋪設(shè)項目的大量增加,淺海管路鋪設(shè)項目增長迅速，但惡劣的工作條件限制了鋪設(shè)鋼管對接焊縫缺陷的X射線檢測。傳統(tǒng)的X射線檢測方法存在效率低，膠片損耗資源大等缺點。X射線數(shù)字實時成像檢測技術(shù)的應(yīng)用，解決了各種實際問題，筆者從環(huán)形機械移動平臺入手，結(jié)合X射線實時成像原理，介紹了海上鋼管對接焊縫的高效率X射線實時數(shù)字成像檢測系統(tǒng)的構(gòu)成及其具體的應(yīng)用過程。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有自動化程度高，提高工作效率及節(jié)約膠片等優(yōu)點。

1 淺海鋪設(shè)鋼管焊縫的X射線數(shù)字成像檢測系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)由X射線檢測單元、機械傳動系統(tǒng)、專用軟件與控制系統(tǒng)、輻射防護系統(tǒng)等組成，檢測系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 X射線數(shù)字實時成像檢測系統(tǒng)組成框圖

X射線檢測單元包括X射線管及數(shù)字成像板，成像板的成像原理是： X射線管發(fā)射出的X射線穿透被檢測鋼管，照在數(shù)字成像板上。數(shù)字成像板將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成圖像信號，再將信號傳輸?shù)接嬎銠C顯示器上，進行實時圖像缺陷檢查。由于是雙臂透照鋼管，為了避免前后兩條焊縫重疊，將射線管與成像板偏移微小角度，檢測靠近成像板一端的焊縫即可，X射線數(shù)字實時成像原理如圖2所示[1-2]。

圖2 X射線數(shù)字實時成像原理示意

機械傳動系統(tǒng)包括外部鋼管輸送輥道、防護鉛房和環(huán)繞式機械移動平臺，機械傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。外部鋼管輸送輥道是根據(jù)適用鋼管制成的V行傳送輥道，將其固定在船舶上可對鋼管進行輸送。兩根鋼管對接焊接后，送入檢測防護鉛房中進行X射線檢測，合格后將鋼管一直輸送到終端。根據(jù)國家標準，檢測防護鉛房可對X射線等進行屏蔽，從而保證人員安全。環(huán)繞式機械移動平臺為裝置的核心，其通過移動定位來完成對接焊縫的X射線檢測。

圖3 機械傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

專用軟件與控制系統(tǒng)由計算機、運動控制器、伺服電機及控制驅(qū)動器、位置編碼器及相關(guān)電氣元件等組成。通過接收發(fā)送各種控制信號，控制驅(qū)動各個機構(gòu)按照預(yù)定程序完成相應(yīng)動作，從而實現(xiàn)整個X射線實時成像檢測的過程。

2 環(huán)繞式機械移動平臺的機械結(jié)構(gòu)和功能

環(huán)繞式機械移動平臺作為裝置的核心，由平移傳動導(dǎo)軌機構(gòu)、環(huán)形導(dǎo)軌移動架機構(gòu)、環(huán)形移動軌道小車機構(gòu)、環(huán)形齒輪小車驅(qū)動機和自動噴標裝置等組成。其中，平移傳動導(dǎo)軌機構(gòu)由導(dǎo)向平移直線導(dǎo)軌、傳動部件和傳動電機減速機等組成。該平臺的功能是將整體平臺沿橫向向左移動一定距離。當(dāng)鋼管焊縫有缺陷時，向一側(cè)移動一定空間，方便進行焊縫的修補工作。環(huán)形導(dǎo)軌移動架是在整體的支撐架體上面鑲嵌的環(huán)形導(dǎo)向?qū)к?，其功能是支撐固定整體結(jié)構(gòu)，環(huán)形導(dǎo)向定位。環(huán)形移動軌道小車由射線管移動固定小車、成像板移動固定小車和環(huán)形固定拉板等組成，用于固定射線管和成像板等元器件，其利用車體的行走輪在環(huán)形支撐導(dǎo)軌上滾動，實現(xiàn)射線管與成像板等的同步環(huán)繞運動。環(huán)形齒輪小車驅(qū)動裝置由圓環(huán)齒輪、電機減速機及驅(qū)動齒輪等組成。圓環(huán)齒輪固定在環(huán)形導(dǎo)軌移動架上，電機減速機及驅(qū)動齒輪固定在成像板移動固定小車上。系統(tǒng)控制咬合傳動，帶動環(huán)形移動軌道小車運動。自動噴標裝置為電控自動噴涂液體漆液的小型噴標裝置，固定于成像板移動固定小車上，當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷后系統(tǒng)自動將噴嘴瞄準缺陷位置，自動噴標，標記缺陷位置。環(huán)繞式機械移動平臺結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

3 電氣控制處理流程及原理

圖4 環(huán)繞式機械移動平臺結(jié)構(gòu)示意

電氣控制中心采用計算機作為上位機，利用面向?qū)ο蟮恼Z言Delphi進行軟件設(shè)計和開發(fā)，通過運動控制卡驅(qū)動系統(tǒng)并采集移動的數(shù)據(jù)，得到移動位置數(shù)據(jù)，以用于計算。上位機作為整個系統(tǒng)的操作界面，完成數(shù)據(jù)分析、報告、處理以及對執(zhí)行機構(gòu)的控制等任務(wù)。運動控制器作為控制核心，完成發(fā)送及接收控制脈沖信號。伺服電機接收控制器發(fā)送的脈沖驅(qū)動移動軸運動，同時伺服電機編碼器將信號反饋給運動控制器。電氣控制中心的硬件控制結(jié)構(gòu)示意如圖5所示，上位機連接裝有運動控制卡、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、報警提示元件等部件。運動控制卡通過伺服驅(qū)動器分別控制環(huán)形齒輪小車驅(qū)動機構(gòu)的伺服電機A、平移傳動導(dǎo)軌機構(gòu)伺服電機B、外部鋼管輸送輥道伺服電機C，從而實現(xiàn)整套裝置的機械行程動作，操作面板安裝一體觸摸屏來實現(xiàn)人機交互控制，傳感器接收控制元件由信號采集反饋芯片及位置編碼器等元器件構(gòu)成，報警提示元件由傳感器反饋芯片及報警急停接觸器等器件組成。

圖5 硬件控制結(jié)構(gòu)示意

圖6 多線程任務(wù)處理方式示意

計算機軟件的具體實現(xiàn)采用多線程任務(wù)處理方式(見圖6)， 檢測開始進行系統(tǒng)初始化，即檢測裝置回原點坐標原始定位。啟動線程Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，同步開啟線程Ⅰ(用戶界面交互)、線程Ⅱ(反饋坐標讀取)和I/O口控制、線程Ⅲ(綜合計算處理)。線程Ⅰ負責(zé)和用戶的交互，接收用戶設(shè)置的一些檢測參數(shù),如速度、焦距、物距等任務(wù)；線程Ⅱ負責(zé)將反饋位置信息形成數(shù)字坐標讀取，并通過I/O口進行控制；線程Ⅲ負責(zé)將用戶交互信息及位置坐標信息等進行綜合計算處理。從環(huán)形移動軌道檢測工件開始直到檢測結(jié)束,系統(tǒng)軟件對掃描圖像進行分析，在顯示屏上對缺陷部位進行標記確定，計算出具體的實物缺陷位置及需要運行的軌跡路程，然后驅(qū)動環(huán)形齒輪小車驅(qū)動機構(gòu)，承載自動噴標裝置移動到實際缺陷點的上方，并進行缺陷標記。標記后驅(qū)動外部鋼管輸送輥道，將鋼管移動出檢測鉛房后立刻進行修補，并重新檢測。

4 角度測量缺陷定位方法

由于整套系統(tǒng)均采用數(shù)字成像和數(shù)字控制環(huán)形移動定位，射線管與成像板的旋轉(zhuǎn)移動掃描均能用數(shù)字化標示出其移動的實時狀態(tài)，包括旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)角度，以射線管與成像板的中心線為基準線。當(dāng)在檢測圖像上發(fā)現(xiàn)缺陷時，在屏幕上標記缺陷位置，軟件處理系統(tǒng)自動計算測定缺陷位置相對于基準線的角度α。由于基準線與自動噴標裝置的噴嘴角度β固定，所以此時噴嘴距離缺陷點位置的角度為β-α=γ，即此時自動噴標裝置的噴嘴再移動γ角度后即可到達缺陷點的位置。系統(tǒng)將γ數(shù)值反饋給驅(qū)動系統(tǒng)，將自動噴標裝置的噴嘴移動到缺陷位置后，自動噴標完成缺陷的自動標識。角度測量缺陷定位示意如圖7所示。

圖7 角度測量缺陷定位示意

5 X射線數(shù)字實時成像檢測技術(shù)在淺海鋼管鋪設(shè)中的應(yīng)用

淺海鋪設(shè)鋼管焊縫的X射線數(shù)字實時成像檢測流程控制框圖如圖8所示，系統(tǒng)的檢測使用方法如下所述。

圖8 淺海鋪設(shè)鋼管焊縫的X射線數(shù)字實時成像檢測流程控制框圖

(1) 電氣控制中心控制驅(qū)動外部鋼管輸送輥道，在兩根鋼管對接焊接后，將其送入檢測防護鉛房，到達射線管與成像板中心檢測區(qū)后停止。

(2) 電氣控制中心發(fā)出控制指令控制驅(qū)動環(huán)繞式機械移動平臺中的環(huán)形齒輪小車驅(qū)動機構(gòu),帶動環(huán)形移動軌道小車沿環(huán)形導(dǎo)軌移動架上的環(huán)形導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動，帶動小車上固定的射線管和成像板同步沿環(huán)形軌道正向檢測移動。

(3) 電氣控制中心發(fā)出控制指令，啟動數(shù)字平板X射線實時成像系統(tǒng)工作，開始同步檢測。

(4) 射線管和成像板環(huán)繞鋼管對接焊縫正向均勻順次移動，并將同時生成的焊縫透照圖像呈現(xiàn)在計算機顯示器上，進行缺陷的實時評定。

(5) 環(huán)繞一周后，停止移動，關(guān)閉射線系統(tǒng),結(jié)束檢測。

(6) 若檢測過程中，在顯示器上發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，則操作控制停止移動和檢測，并用鼠標在屏幕上標記缺陷點的位置。然后操作控制繼續(xù)移動和檢測，完成剩余檢測。

(7) 在完成剩余檢測的過程中，系統(tǒng)根據(jù)其測量缺陷定位方法，計算出自動噴標裝置中的噴嘴距離缺陷點的位置，當(dāng)噴嘴同步移動到達缺陷點上方時，控制系統(tǒng)控制自動噴標裝置動作，噴射液體漆液附著在焊縫缺陷位置。完成缺陷標記直到當(dāng)次檢測結(jié)束。

(8) 缺陷標記檢測結(jié)束后，電氣控制中心發(fā)出控制指令，控制驅(qū)動環(huán)繞式機械移動平臺中的平移傳動導(dǎo)軌機構(gòu)上的傳動電機轉(zhuǎn)動，帶動整體平臺沿橫向向左移動一定距離。

(9) 在平臺移出的空間里，對標記的缺陷點進行焊縫的修補工作。

(10) 在完成修補后,操作控制驅(qū)動環(huán)繞式機械移動平臺中的平移傳動導(dǎo)軌機構(gòu)上的傳動電機反向轉(zhuǎn)動，帶動整體平臺沿橫向向右移回原先的檢測位,重新進行焊縫檢測,直到整體焊縫無缺陷，檢測結(jié)束。

(11) 重新回到第(1)步,將下一道焊縫輸送到檢測位檢測。重復(fù)步驟(2)，但驅(qū)動環(huán)形移動軌道小車上固定的射線管和成像板同步沿環(huán)形軌道反向檢測移動。其余步驟順次不變。

6 檢測工藝試驗與結(jié)果分析

檢測工藝試驗參數(shù)：管道直徑為1 020 mm，管道厚度為21 mm，雙壁透照厚度為42 mm,管長為12 m,焦距為1 140 mm，透照方式為雙壁透照，輸出電壓為200 kV，輸出電流為3 mA。合格品與不合格品的檢測影像如圖9所示。檢測工藝標準如表1所示。

圖9(a)的檢測圖像中，沒有明顯的缺陷點，檢測合格；根據(jù)圖9(b)的檢測圖像可知，檢測出多處缺陷，檢測出的氣孔直徑為2.4 mm，檢測出的裂紋面積為242.52 mm2，檢測結(jié)果為不合格。

圖9 合格品與不合格品的檢測影像

表1 檢測工藝標準

7 結(jié)語

該檢測系統(tǒng)能夠在淺海復(fù)雜的工況條件下，對鋼管的對接焊縫進行高效率地X射線數(shù)字實時成像檢測，具有自動化程度高，節(jié)約時間及提高工作效率等優(yōu)點。同時，由于裝置采用了計算機圖像存儲，節(jié)約了膠片等耗材，可廣泛推廣應(yīng)用于X射線檢測領(lǐng)域。