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)
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]。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。