劉 順，羅 杰，陳 衡，魏紹明，華雄飛

（中廣核檢測技術(shù)有限公司，蘇州 215021）

數(shù)字射線成像系統(tǒng)（Digital Radiography，DR）利用數(shù)字探測器實現(xiàn)射線信號的探測與轉(zhuǎn)換[1]，運用圖像處理技術(shù)實現(xiàn)射線圖像數(shù)字化，檢測速度快、靈敏度高、寬容度大，是應(yīng)用在工業(yè)無損檢測中最廣泛的數(shù)字射線檢測方法[2]。然而由于數(shù)字射線成像系統(tǒng)中探測器的CsI 閃爍體對軟射線有更好的能量響應(yīng)，其在X射線下量子吸收和轉(zhuǎn)換效率均較高[3]，因此，為了獲得更優(yōu)秀的DR圖像質(zhì)量，寬能譜的X射線是DR系統(tǒng)中理想的射線。

受限于核電現(xiàn)場復(fù)雜的工況環(huán)境，現(xiàn)場工件及焊縫的數(shù)字射線檢查只能以γ射線為主。目前，國內(nèi)外對γ射線數(shù)字射線的研究仍較少，其工藝還不成熟，無法適用X 射線數(shù)字成像的檢驗工藝[4]。而數(shù)字射線檢測獨有的優(yōu)勢可以極大地提高核電廠射線檢查效率和檢驗質(zhì)量，為了推廣該類技術(shù)在核電領(lǐng)域的應(yīng)用[5]。本文基于RCCM 標準，并通過比較傳統(tǒng)膠片照相與γ射線數(shù)字射線成像系統(tǒng)在核電現(xiàn)場的應(yīng)用結(jié)果以及數(shù)字射線特有的優(yōu)勢，分析γ射線數(shù)字成像在核電廠應(yīng)用的可行性。

1 試驗方法

1.1 試驗對象與設(shè)備

本試驗針對某核電廠一次大修所有輔助管道焊縫、BOSS 焊縫及一些需及時反饋的部件等。其中，輔助管道焊縫清單見表1。

試驗所用γ射線強35Ci，尺寸φ3×2 mm，如圖1所示。

數(shù)字射線成像系統(tǒng)中，探測器像元尺寸為154 μm，極限分辨率為3.24 Lp/mm，采用16 位AD 轉(zhuǎn)換器采樣，如圖2 所示。采集軟件滿足檢驗標準要求，可以實現(xiàn)單絲像質(zhì)計目測觀察和雙絲像質(zhì)計的計算測量。

1.2 檢驗工藝

數(shù)字射線的檢驗和驗收標準在國內(nèi)仍不完整。因此，本試驗采用核電RCCM 標準[6]，設(shè)計檢驗工藝和相關(guān)參數(shù)，根據(jù)檢驗對象的不同，選擇雙壁雙影或者雙壁單影透照方式，其布置如圖3所示。

表1 CPR1000機組輔助管道焊縫檢驗對象Table 1 Test object of auxiliary pipe welds of CPR1000 unit

圖1 880DELTA射線機Fig.1 880DELTA radiographic machine

圖2 數(shù)字射線平板探測器Fig.2 Detector for digital radiographic testing

圖3 試驗曝光布置Fig.3 Exposure arrangement

根據(jù)標準要求，其透照焦距可以滿足：

式中，f——焦距；

d——焦點尺寸；

b——公稱厚度。

試驗不采用放大技術(shù)，探測器盡可能貼近工件。

2 可行性分析

2.1 DR系統(tǒng)分辨率

系統(tǒng)分辨率主要依賴探測器系統(tǒng)的基本空間分辨率，這也是影響檢測圖像不清晰度的主要因素[7]。DR 系統(tǒng)中，圖像不清晰度與空間頻率線對值互為倒數(shù)關(guān)系，通常采用雙絲像質(zhì)計進行測定，關(guān)系可以表示為R=1/2d1，其中，R為空間頻率線對值；d1為不能區(qū)分絲對的最大絲直徑，可以用像元尺寸表示。本檢測系統(tǒng)選擇的探測器像元尺寸為154 μm，即R=3.24 Lp/mm，根據(jù)標準要求，雙絲像質(zhì)計應(yīng)能分辨D8，即空間分辨率應(yīng)為D9。對本檢測系統(tǒng)空間分辨率的測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 DR系統(tǒng)空間分辨率測量結(jié)果Fig.4 Spatial resolution measurement results of DR system

檢測中以雙絲像質(zhì)計表征DR系統(tǒng)空間分辨率，計算分析結(jié)果表明，本DR檢測系統(tǒng)滿足空間分辨率要求，可以適應(yīng)核電管道穿透厚度檢驗要求。

2.2 管道焊縫對比試驗結(jié)果

本次試驗為了分析一次大修輔助管道焊縫DR 技術(shù)應(yīng)用的可行性，基于RCCM 標準對像質(zhì)計靈敏度要求，對比了膠片照相與DR技術(shù)的檢驗結(jié)果，結(jié)果如圖5所示。

圖5 核電輔助管道DR技術(shù)與膠片結(jié)果對比Fig.5 Comparison results between DR technology and film of the auxiliary pipeline welds

圖5 中，紅色曲線是DR 測試結(jié)果；藍色曲線為膠片測試結(jié)果；柱狀圖是RCCM 標準要求的像質(zhì)計靈敏度值?？梢钥闯?，管道焊縫的DR數(shù)字射線像質(zhì)計顯示與膠片照相底片像質(zhì)計顯示接近，僅個別小徑管像質(zhì)計顯示級別略低于膠片，主要原因是γ射線能量高，散射線對圖像影響較大，而小徑管散射線防護相對較難。從圖中也可看出，部分工件的測試結(jié)果顯示，DR的像質(zhì)計靈敏度還要高于傳統(tǒng)膠片，從像質(zhì)計靈敏度而言，DR 技術(shù)和傳統(tǒng)膠片技術(shù)基本上持平，兩種技術(shù)均能滿足RCCM 標準的要求，且遠高于現(xiàn)有的數(shù)字射線檢驗標準要求。

DR 數(shù)字射線成像最大的優(yōu)點是成像速度快，曝光時間短，能實現(xiàn)檢驗結(jié)果的實時反饋，能明顯降低檢驗人員的接受劑量，從這方面來講，DR 數(shù)字射線技術(shù)非常適合核電廠的射線檢驗方法。與膠片照相技術(shù)相比，DR 數(shù)字射線技術(shù)在曝光時間上具有非常明顯的優(yōu)勢，特別是對大管徑大壁厚管道焊縫，DR 數(shù)字射線成像技術(shù)在時間上的優(yōu)勢更加明顯，如測試中φ812×46 mm、φ273×25.58 mm、φ406×21.4 mm等規(guī)格的管道的膠片成像的曝光時間遠遠高于DR技術(shù)成像時間。分析認為，DR 成像技術(shù)在穿透厚度大于36 mm 的管道焊縫檢驗過程中在曝光時間上對比膠片成像有明顯的時間優(yōu)勢，穿透厚度為20～36 mm 時，在曝光時間上優(yōu)勢不太明顯，當(dāng)穿透厚度小于20 mm 后，DR 成像在曝光時間上比膠片成像曝光時間短，比較節(jié)省時間。

2.3 核電應(yīng)用的優(yōu)勢

2.3.1 窗寬-窗位

窗寬-窗位工具是數(shù)字射線采集軟件中特有的功能，它可以通過局部調(diào)整看到更多的DR圖像的信息。本試驗采用的探測器可以獲得16 位動態(tài)范圍的圖像，相當(dāng)于65536灰度級的圖像信息，而普通的顯示屏僅能顯示256 圖像灰度級。因此，利用窗寬-窗位工具調(diào)整可以在8 位的顯示屏上看到16位的圖像，觀察到更多的細節(jié)。

BOSS 焊縫是核電現(xiàn)場常見的不等厚部件，在相關(guān)系統(tǒng)中起到至關(guān)重要的作用，圖6 為對BOSS焊縫的DR技術(shù)應(yīng)用結(jié)果。

圖6 BOSS焊縫DR處理結(jié)果Fig.6 Results of BOSS welds by DR technology

結(jié)果顯示，DR 圖像可以達到膠片水平，其邊界清晰，結(jié)構(gòu)完整。特別是對DR圖像局部窗寬-窗位調(diào)整，可以看到更多的細節(jié)，像質(zhì)計也清晰可見，這是膠片照相無法比擬的。因此，對于該類厚度差大的工件，DR 技術(shù)有優(yōu)勢，是替代膠片照相的理想方法。

2.3.2 銳化

銳化工具是DR技術(shù)中常用的圖像處理算法，γ射線周向曝光，且焦點尺寸較大，會增加DR圖像的幾何不清晰度，對γ射線DR圖像應(yīng)用這種處理算法，可以最大限度地降低噪聲，突出細節(jié)。

核電現(xiàn)場常出現(xiàn)螺栓失效的情況，需要采用無損檢測手段對其進行檢查，以保證螺栓質(zhì)量和核電系統(tǒng)安全。目前，常用的無損檢測方法是超聲和渦流的方法，但是其檢驗結(jié)果不夠直觀，而且螺栓常見的小缺陷容易出現(xiàn)漏檢，檢測速度較慢，無法及時反饋結(jié)果。而傳統(tǒng)的膠片照相受邊蝕效應(yīng)的影響，螺栓輪廓易被噪聲侵蝕，且對于該類透照厚度比大的工件，膠片對比度很難滿足要求。DR 透照寬容大，可實時顯示結(jié)果，并且可以通過圖像處理更好地顯示缺陷。圖7顯示的是核電現(xiàn)場常見的螺栓數(shù)字射線檢驗結(jié)果。

圖7 螺栓圖像銳化處理結(jié)果Fig.7 Sharpened results of bolt image

從圖中可以看出，DR 圖像整體效果與膠片相差不大，但是受邊蝕效應(yīng)影響更小，邊緣更加清晰。對于這種透照厚度差較大的工件，DR圖像通過后期的圖像處理可以極大地提高缺陷檢出率，極小的線性顯示也清晰可見。因此，寬容度大、可以實時顯示的DR成像技術(shù)是螺栓理想的無損檢測方法，應(yīng)用在核電現(xiàn)場是可行的。

2.3.3 疊加

均值疊加工具通過將兩張或多張圖像的每個像素灰度值疊加獲得最終檢測圖像，用戶可以設(shè)置連續(xù)圖像的疊加張數(shù)，以減少最終圖像噪聲，從而突出缺陷。本試驗分析了疊加次數(shù)對核電VVP 管道焊縫標準試塊圖像質(zhì)量的影響。結(jié)果如圖8所示。

圖8 疊加次數(shù)對圖像質(zhì)量的影響Fig.8 The effect of the number of superpositions on image quality

圖8直觀地顯示了疊加次數(shù)對圖像質(zhì)量的影響，即隨著圖像疊加次數(shù)的增加，圖像更加均勻和平滑，缺陷顯示更加清晰。對疊加圖像的像質(zhì)計靈敏度和信噪比分析如圖9所示。

圖9 疊加次數(shù)對像質(zhì)計靈敏度和信噪比的影響Fig.9 Effect of the number of superpositions on image sensitivity and signal-to-noise ratio

對比圖像像質(zhì)計靈敏度和信噪比可以看出，隨著圖像疊加次數(shù)的增加，像質(zhì)計靈敏度和圖像信噪比隨之增加，在疊加到8次時圖像質(zhì)量提高明顯，超過16 次的疊加像質(zhì)計靈敏度和信噪比變化較少。分析認為，經(jīng)過16 次疊加的圖像在較短的檢驗時間內(nèi)最大程度地保證了圖像質(zhì)量，疊加工具的使用將很大程度上改善γ射線數(shù)字射線成像系統(tǒng)的圖像質(zhì)量。

3 結(jié)論

γ射線數(shù)字射線成像系統(tǒng)在核電廠應(yīng)用的關(guān)鍵問題在于在能譜單一的γ射線能量響應(yīng)下的數(shù)字圖像能否達到膠片照相的水平。本試驗比較了核電廠輔助管道焊縫數(shù)字射線成像與膠片照相結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩種射線檢測方法的圖像像質(zhì)計靈敏度比較接近，均能滿足RCCM 標準要求，而數(shù)字射線成像系統(tǒng)在透照時間和檢驗效率方面有膠片無法比擬的優(yōu)勢，是應(yīng)用在核電管道焊縫射線檢測中極佳的無損檢測方法。本文還通過分析數(shù)字射線成像系統(tǒng)獨有的優(yōu)勢，在BOSS 焊縫、螺栓等常規(guī)膠片照相無法適應(yīng)的領(lǐng)域分析了DR 應(yīng)用的可行性，結(jié)果表明，DR 數(shù)字射線系統(tǒng)可以充分發(fā)揮自身優(yōu)勢，實現(xiàn)核電現(xiàn)場一些特殊應(yīng)用。

總之，作為替代膠片照相的一種無損檢測方法，γ射線數(shù)字射線成像系統(tǒng)可以發(fā)揮數(shù)字射線寬容度大、檢驗效率高的特點，可極大地節(jié)省核電廠檢修工期和提高檢驗質(zhì)量，在核電廠的應(yīng)用是可行的，也是必要的。

4 展望

根據(jù)國家中長期發(fā)展規(guī)劃，我國將成為名副其實的核電大國。隨著國內(nèi)核電建設(shè)的推廣、發(fā)展和核電結(jié)構(gòu)老化檢測的迫切需求，射線檢測仍是核電結(jié)構(gòu)檢測的重要手段。目前采用的膠片照相法由于其自身檢測效率低、存儲困難、難以遠程共享、不利環(huán)保等缺點，已不能滿足目前工業(yè)化生產(chǎn)和競爭日益激烈的環(huán)境需要。γ射線數(shù)字成像技術(shù)的研究及開發(fā)將進一步提升核電現(xiàn)場無損檢測的自動化和智能化水平，具有直接的經(jīng)濟效益和社會效益。

γ射線數(shù)字成像技術(shù)在核電應(yīng)用上仍需要更深入的研究，為了保證該類技術(shù)在核電現(xiàn)場順利、穩(wěn)定運行，重點可在以下3個方面應(yīng)對新工藝、新方法帶來挑戰(zhàn)：（1）通過空間分辨率和信噪比控制最終成像質(zhì)量的工藝和方法；（2）建立γ射線數(shù)字成像技術(shù)的核電標準，確定的檢驗工藝和程序；（3）加強人員技能培訓(xùn)和技術(shù)提升。