馮云國，李圣爭，陳 聰

（山東電力工業(yè)鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，山東 濟南 250003）

0 引言

管母線主要應(yīng)用在電力建設(shè)工程中電網(wǎng)輸電導(dǎo)線與變電站變壓器之間的導(dǎo)體連接、輸電線路中的跳線、電力設(shè)備中的連接導(dǎo)體，是電力輸變電系統(tǒng)中關(guān)鍵的設(shè)備之一，對輸變電系統(tǒng)及電力設(shè)備的安全、可靠運行起著至關(guān)重要的作用。

管母線空心管形結(jié)構(gòu)，表面光澤，尺寸均勻。外徑尺寸大多在D60 mm～D300 mm 之間，材質(zhì)多以鋁和鋁合金為主。管母線主要焊接而成，在焊接缺陷中，龍會國等研究氣孔占據(jù)了相當(dāng)大的比例［1］。本文以含有氣孔缺陷的500 kV 變電站管母線為檢測對象，使用數(shù)字射線檢測設(shè)備，通過射線機管電壓、管電流以及數(shù)字射線積分幀數(shù)大小這3 個參數(shù)調(diào)整來研究檢測設(shè)備和檢測對象一定條件下，數(shù)字射線檢測參數(shù)對成像質(zhì)量的影響，并從檢測試驗中驗證數(shù)字成像相比于傳統(tǒng)膠片顯像在檢測參數(shù)設(shè)定和組合上存在的優(yōu)勢［2-3］。

1 方法論述

1.1 圖像質(zhì)量影響因素

DR 圖像的質(zhì)量與平板探測器、射線源、成像參數(shù)和被檢工件等多方面有關(guān)，但關(guān)鍵因素仍是探測器的性能。對于給定的X 射線源和檢測對象，電腦顯示器最終圖像質(zhì)量優(yōu)劣主要取決于平板探測器的材料和制作工藝，如成像矩陣大小、像素尺寸、閃爍體材料及A/D 位數(shù)等。即便如此，X 射線數(shù)字成像檢測參數(shù)的設(shè)置也在一定程度上影響著圖像質(zhì)量，現(xiàn)主要分析射線機管電壓、管電流和積分幀數(shù)對數(shù)字射線圖像對比度、信噪比等方面帶來的影響。

1.2 設(shè)備與檢測對象

DR 檢測系統(tǒng)主要由CP160 射線機和14×17 WGB 非晶硅平板探測器為核心組件。CP160 射線機主要性能參數(shù)見表1。14×17 WGB 非晶硅平板探測器主要性能參數(shù)見表2。

表1 CP160 主要性能參數(shù)

表2 14×17 WGB 主要技術(shù)參數(shù)

檢測對象為500 kV 變電站硬管母線樣管，規(guī)格為D200／184 mm、材質(zhì)是6063G。外管為焊接管，焊接接頭為檢驗對象，管壁厚度為8 mm，焊縫余高小于2 mm；內(nèi)管為支撐管，厚度為8 mm。樣管焊接接頭經(jīng)過縱向取樣4 次，截面結(jié)構(gòu)宏觀清晰可見。

1.3 實驗過程

檢測對象經(jīng)取樣驗證和前期X 射線DR 檢測確定存在氣孔缺陷，缺陷為焊接過程中自然形成缺陷，這也是鋁鎂合金材質(zhì)6063G 管母線常見缺陷［4］。透照工藝采用橢圓雙壁單影成像，透照厚度比K＜1.1，根據(jù)NB／T 47013.11—2015 《承壓設(shè)備無損檢測第11 部分：X 射線數(shù)字成像檢測》 要求，B 級射線數(shù)字成像檢測技術(shù)：射線機至被檢焊縫表面距離f 應(yīng)滿足式（1）要求。

式中：d 為有效焦點尺寸；b 為被檢工件表面到探測器距離。

本射線機d 為0.8 mm；b 值確定如下，因管母線外徑D=200 mm，焊縫余高取2 mm，所以b=204 mm。由式（1）算出f 為416 mm，實際選取f 為600 mm，符合B 級檢測技術(shù)等級要求。本文以相同的透照工藝，對同一檢測對象、同一位置進行DR 檢測，通過改變射線機管電壓、管電流以及積分幀數(shù)對得到的數(shù)字射線圖像，在同樣的亮度、對比度、放大比例等條件下分析原始圖像的對比度、分辨率、信噪比等方面差異。

圖1（a）為存在缺陷的管母線原始圖像，圈內(nèi)部分存在群孔，圖1（b）為放大后的群孔圖像，由上至下依次分為A、B、C 3 個區(qū)域，每個區(qū)域含有3 個不同直徑的氣孔。

圖2 中，管電流為0.5 mA、積分幀數(shù)為4，管電壓分別為70 kV、90 kV、110 kV、130 kV 的圖像；之后，固定管電壓110 kV、同樣設(shè)定積分幀數(shù)為4，管電流分別為0.1 mA、0.2 mA、0.3 mA、0.4 mA，依次透照，成像對應(yīng)圖3；最后，設(shè)置射線機管電流0.5 mA，管電壓110 kV，改變積分幀數(shù)單幀、2 幀、8 幀、16幀，分別透照得到圖4。

圖1 管母線圖像

圖2 不同管電壓群孔圖像

圖3 不同管電流群孔圖像

圖4 不同積分幀數(shù)群孔圖像

2 實驗結(jié)果

由于計算機軟件在X 射線數(shù)字圖像上的強大處理功能，對不同參數(shù)條件下的12 幅圖像未做任何處理，為便于觀察，對原始圖像同一區(qū)域放大2 倍后統(tǒng)一存儲，通過目視觀察A、B、C 3 個區(qū)域成像質(zhì)量來直觀對比數(shù)字射線參數(shù)對圖像質(zhì)量影響。A 和C 位于透照厚度為36 mm 區(qū)域；由于焊縫經(jīng)過縱向取樣，B 位于透照厚度為18 mm 區(qū)域。

2.1 管電壓對圖像質(zhì)量影響

其他DR 檢測參數(shù)固定條件下，管電壓為70 kV、90 kV、110 kV、130 kV 時，所對應(yīng)圖像為圖2。從圖像上可知圖2（a）與圖2（b）—圖2（d）質(zhì)量差距明顯，圖2（c）和圖2（d）沒有明顯差別。對比4 幅圖像區(qū)域B，可以發(fā)現(xiàn)圖像分辨率、對比度等基本沒有差別，而在對比區(qū)域A 和區(qū)域C 時，能明顯觀察到圖2（a）的A 區(qū)和C 區(qū)分辨率和對比度要差，圖2（a）區(qū)域C 只能觀察到2 個氣孔，并且兩個氣孔邊界線并不清晰。同時，圖2（a）中36 mm 透照厚度區(qū)域信噪比明顯要低。分析原因，可以認為18 mm 透照厚度區(qū)域，70 kV 管電壓可以滿足透照要求；而對于區(qū)域A和區(qū)域C 則需要較高管電壓，所以管電壓≥90 kV時，才能保證這兩個區(qū)域靈敏度和分辨率達到要求。此外，管電壓與圖像對比度存在一定關(guān)系，將圖2（c）與圖2（d）比較可以觀察到，管電壓升高，對比度會有一定程度下降。

2.2 管電流對圖像質(zhì)量影響

其他DR 檢測參數(shù)固定條件下，管電流為0.1 mA、0.2 mA、0.3 mA、0.4 mA 時，所對應(yīng)圖像為圖3。對比圖3（a）—圖3（c）變化可以看出，隨著電流增大，曝光量增大，最終圖像的信噪比有所提高，與相關(guān)文獻一致［5］。當(dāng)電流到一定值后，信噪比優(yōu)化帶來的圖像質(zhì)量提高程度從宏觀上基本觀察不到了，對比圖3（c）和圖3（d），可以發(fā)現(xiàn)圖像質(zhì)量沒有明顯差別。

2.3 積分幀數(shù)對圖像質(zhì)量影響

選取射線機管電壓110 kV、管電流0.5 mA，積分幀數(shù)采集分別為單幀、2 幀、4 幀、16 幀圖像，所對應(yīng)圖像為圖4。積分幀數(shù)帶來的影響主要是信噪比的提高，曾亞斌研究圖像經(jīng)過多幀疊加求平均后，低頻區(qū)域的噪聲能量大幅降低，圖像中各個方向的隨機噪聲得到很好的消除，圖像的多幀平均對DR 圖像信噪比的提高具有積極作用［6］。圖4（a）—圖4（c）中，從單幀積分圖像，到2 幀積分圖像，再到8 幀積分圖像信噪比宏觀可見提高，積分幀數(shù)到達一定值后，肉眼已經(jīng)觀察不到信噪比提高帶來的圖像質(zhì)量優(yōu)化，對比圖4（c）和圖4（d）的8 幀積分圖像和16幀積分圖像，目視觀察不到明顯區(qū)別。

3 結(jié)語

管母線焊接接頭成像質(zhì)量與平板探測器、射線源、成像參數(shù)等因素相關(guān)，這些因素中，射線源焦點尺寸和平板探測器性能決定了原始輸出圖像的質(zhì)量。針對給定的DR 檢測系統(tǒng)，由于X 射線數(shù)字射線成像原理和膠片成像原理存在著本質(zhì)上的不同，數(shù)字射線檢測參數(shù)對原始輸出圖像質(zhì)量只是一定范圍內(nèi)存在優(yōu)化作用，超過了一定閾值之后，優(yōu)化作用不再明顯。管電壓決定了X 射線穿透力，因此檢測對象的材質(zhì)和規(guī)格決定了管電壓最低值，在一定范圍內(nèi)，管電壓的升高會提升圖像質(zhì)量，超過最佳值后，管電壓升高會帶來信噪比的提高和對比度的下降；管電流增大，曝光量增大，最終圖像的信噪比有所提高，達到一定值后，管電流影響不再明顯；積分幀數(shù)的增大有助于信噪比提高，多幀疊加求平均后，隨機噪聲得到了很好的消除，圖像質(zhì)量得以優(yōu)化，到達一定值后積分幀數(shù)影響不再顯著，帶來的負面作用是成像時間大幅增加。試驗證明，在保證圖像靈敏度和分辨率的情況下，一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)管電壓均可透照出優(yōu)質(zhì)圖像，同時管電流和積分幀數(shù)在增加到一定數(shù)值后對成像質(zhì)量優(yōu)化作用顯著降低，這3 個數(shù)字射線參數(shù)在數(shù)值設(shè)定和組合上具有很大的選擇范圍。