梁世蒙，高海良，趙廣波，李韶偉，井 亮,蔣夢(mèng)浩

(1.渤海造船廠集團(tuán)有限公司, 葫蘆島125004;武警江西省總隊(duì)，南昌 330025)

隨著工業(yè)技術(shù)與現(xiàn)代化造船模式的不斷發(fā)展，船舶領(lǐng)域正向高效、高精度及高可靠性的建造方向發(fā)展。膠片射線檢測(cè)技術(shù)作為船體結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)管路焊縫內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)的主要手段，已經(jīng)形成了較為完整的技術(shù)體系，技術(shù)成熟度較高；但膠片射線檢測(cè)技術(shù)的局限性(如成本高、效率低、底片難以長(zhǎng)久保存、存在環(huán)境污染等)已經(jīng)成為制約其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

近年來，數(shù)字化射線檢測(cè)技術(shù)得到了高速發(fā)展，與傳統(tǒng)膠片檢測(cè)技術(shù)相比，其圖像靈敏度高、檢測(cè)速度快、動(dòng)態(tài)范圍大、可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的電子存儲(chǔ)，省略了洗片過程，且不會(huì)造成環(huán)境污染，目前已經(jīng)應(yīng)用于民用核電、特種設(shè)備、電力及汽車等領(lǐng)域，但在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用還不普遍。筆者針對(duì)目前行業(yè)內(nèi)普遍采用的計(jì)算機(jī)射線照相(CR)與數(shù)字成像檢測(cè)(DR)技術(shù)開展相關(guān)試驗(yàn)，研究了數(shù)字化射線檢測(cè)技術(shù)在船舶行業(yè)應(yīng)用的適用性。

1 計(jì)算機(jī)射線照相(CR)

1.1 CR檢測(cè)技術(shù)與膠片檢測(cè)技術(shù)等價(jià)性評(píng)價(jià)

CR檢測(cè)技術(shù)是一種用可重復(fù)使用的IP板代替膠片的X射線照相技術(shù)。要大規(guī)模應(yīng)用CR檢測(cè)技術(shù)，首先要分析影響其成像質(zhì)量的各種因素，獲得CR檢測(cè)技術(shù)與膠片檢測(cè)技術(shù)在不同厚度下的對(duì)應(yīng)性，最終與膠片技術(shù)的檢測(cè)結(jié)果和現(xiàn)行質(zhì)量等級(jí)要求相比較，確定CR檢測(cè)技術(shù)的能力。

射線底片影像的質(zhì)量由射線照相影像的對(duì)比度、不清晰度、顆粒度決定。對(duì)比度是影像與背景的黑度差，不清晰度是影像邊界擴(kuò)展的寬度，顆粒度是影像黑度的不均勻性程度。影像的對(duì)比度決定了在射線透照方向上可識(shí)別的細(xì)節(jié)尺寸，影像的不清晰度決定了在垂直于射線透照方向上可識(shí)別的細(xì)節(jié)尺寸，影像的顆粒度決定了影像可顯示的細(xì)節(jié)最小尺寸[1]。為了使CR檢測(cè)技術(shù)與膠片檢測(cè)技術(shù)具有同等能力，僅僅考查像質(zhì)計(jì)靈敏度是不夠的，還必須保證CR檢測(cè)技術(shù)所獲得的圖像滿足以下兩方面的指標(biāo)：① 像質(zhì)計(jì)靈敏度達(dá)到同級(jí)別膠片的檢測(cè)技術(shù)水平；② 不清晰度達(dá)到同級(jí)別膠片檢測(cè)技術(shù)水平。

所采用的試驗(yàn)設(shè)備為：GE公司的IPS型IP板，CR 50P型信息掃描儀，ISOVOLT HS型450 kV X射線機(jī)，系統(tǒng)最佳像素尺寸為50 μm(8 lp·mm-1)。

1.1.1 像質(zhì)計(jì)靈敏度分析試驗(yàn)

試驗(yàn)采用近圓柱形孔人工缺陷模擬鋼板對(duì)接焊縫中常見的氣孔、夾渣等體積缺陷，通過與相同試樣的膠片檢測(cè)結(jié)果相比較，來確定CR檢測(cè)技術(shù)的實(shí)際檢測(cè)能力。為此，設(shè)計(jì)的鋼板人工缺陷試件尺寸如圖1所示，首先加工出兩塊尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為120 mm×50 mm×3 mm的鋼板，表面拋光，然后在下板上以10 mm間隔依次加工出直徑分別為0.1，0.2，0.4，0.5，0.8，1.0，1.5 mm的7個(gè)孔，深度分別為0.1，0.2，0.4，0.5，0.8，1.0，1.5 mm。用銷釘將上、下兩塊板緊固住，形成近圓柱形孔人工缺陷。

圖1 鋼板人工缺陷試件尺寸示意

試驗(yàn)中使用厚度分別為6，10，14，20，30，40 mm的6個(gè)試件。除6 mm厚的試件外，其他厚度的試件用6 mm試件+墊板的方式實(shí)現(xiàn)，帶有缺陷的6 mm試件放在墊板上方，以模擬射線檢測(cè)中最難發(fā)現(xiàn)的上表面缺陷。試驗(yàn)得到的檢測(cè)圖像如圖2，3所示，檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 不同厚度試件的膠片檢測(cè)圖像

圖3 不同厚度試件的CR檢測(cè)圖像

表1 不同厚度試件的膠片射線和CR射線檢測(cè)數(shù)據(jù)

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知:當(dāng)透照厚度≤20 mm時(shí)，CR射線檢測(cè)的圖像質(zhì)量與相對(duì)靈敏度優(yōu)于膠片射線檢測(cè)的，當(dāng)透照厚度>20 mm時(shí)，膠片射線檢測(cè)的圖像質(zhì)量與相對(duì)靈敏度優(yōu)于CR射線檢測(cè)的，但兩者都能達(dá)到B級(jí)檢測(cè)技術(shù)等級(jí)，最小可識(shí)別孔徑為0.4～1.0 mm；另外，CR檢測(cè)圖像中可以看到很多零星的白點(diǎn)和短線，在后繼試驗(yàn)結(jié)果中也都能發(fā)現(xiàn)類似痕跡,這是由IP板讀取裝置設(shè)計(jì)不合理，在讀取過程中不斷產(chǎn)生劃痕而造成的偽缺陷。

1.1.2 不清晰度分析試驗(yàn)

在CR檢測(cè)技術(shù)中，目前標(biāo)準(zhǔn)中的質(zhì)量評(píng)價(jià)是通過不清晰度來完成的，例如EN 14784-2《NDT-CR X射線金屬材料檢測(cè)》中規(guī)定了不同厚度和驗(yàn)收等級(jí)下的雙絲像質(zhì)計(jì)指數(shù)，實(shí)際上是直接通過不清晰度來評(píng)判檢測(cè)質(zhì)量的。在膠片檢測(cè)技術(shù)中，雖然目前并無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不清晰度作相應(yīng)規(guī)定，但事實(shí)上，近年來國(guó)內(nèi)外的許多標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)射線照相檢驗(yàn)技術(shù)不同級(jí)別的幾何不清晰度進(jìn)行了間接規(guī)定。

雖然對(duì)于工業(yè)射線照相檢驗(yàn)而言，產(chǎn)生不清晰度的原因是多方面的，但其中最主要的影響因素是幾何不清晰度和膠片固有不清晰度。

Ui=0.001 33V0.790 26

(1)

式中：Ui為固有不清晰度;V為透照電壓。

由式(1)可得到與透照電壓相對(duì)應(yīng)的膠片固有不清晰度值。結(jié)合透照厚度可進(jìn)一步給出允許的最大幾何不清晰度Ug max。而射線照相總的不清晰度則可由最大幾何不清晰度Ug max和最大固有不清晰度Ui max通過下式計(jì)算得到。

(2)

計(jì)算得到的鋼板射線照相不清晰度如表2所示。

分別對(duì)厚度為16,26,36,46 mm的試件進(jìn)行CR射線檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示(表中IQI表示雙絲像素計(jì)靈敏度)。

表3 不同厚度下的CR檢測(cè)不清晰度

通過表2,3的數(shù)據(jù)對(duì)比可見，兩種技術(shù)的不清晰度差異明顯，CR檢測(cè)的不清晰度明顯好于AB級(jí)膠片射線檢測(cè)的不清晰度，且較為接近B級(jí)膠片射線檢測(cè)的不清晰度。由此可見，CR檢測(cè)的不清晰度足以滿足船舶領(lǐng)域鋼板對(duì)接焊縫的檢測(cè)需求，但對(duì)于高靈敏度檢測(cè)需求的焊縫檢測(cè)，其不清晰度稍顯不足。

1.2 CR檢測(cè)裂紋試驗(yàn)

等價(jià)性評(píng)價(jià)試驗(yàn)中的可識(shí)別孔徑尺寸并不能完全反應(yīng)CR檢測(cè)技術(shù)的缺陷識(shí)別能力，筆者在試件中部和端部分別加工出中心裂紋和弧坑裂紋，以模擬鋼板對(duì)接焊縫中常見的裂紋，通過其CR檢測(cè)結(jié)果與相同試件的膠片檢測(cè)結(jié)果的比較，來確定CR檢測(cè)技術(shù)的實(shí)際檢測(cè)能力。

將兩塊尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為150 mm×80 mm×6 mm的鋼板沿著長(zhǎng)邊對(duì)焊，分別在焊縫中心位置和端部預(yù)埋人工缺陷，然后用熱處理的方法獲得尖銳的裂紋。試驗(yàn)時(shí)使用6個(gè)厚度分別為6，10，14，20，30，40 mm的試件進(jìn)行檢測(cè)，試件與墊板的擺放與前文相同，得到的檢測(cè)圖像如圖4所示，檢測(cè)數(shù)據(jù)如表4所示。

圖4 不同厚度試件上的裂紋CR檢測(cè)圖像

表4 6～40 mm厚度試件的優(yōu)化CR工藝參數(shù)及相應(yīng)的圖像質(zhì)量

在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，散射線對(duì)成像質(zhì)量的影響較為明顯，在檢測(cè)中需嚴(yán)格控制各項(xiàng)透照參數(shù)，做好散射線防護(hù)等措施能夠提高照像成像質(zhì)量。通過試驗(yàn)并與射線底片對(duì)比得出結(jié)論：當(dāng)透照厚度≤20 mm時(shí)，CR檢測(cè)的圖像質(zhì)量與缺陷的細(xì)節(jié)體現(xiàn)與B級(jí)膠片檢測(cè)能力相當(dāng)；透照厚度>20 mm時(shí)，CR檢測(cè)的圖像質(zhì)量依然可以達(dá)到B級(jí)膠片的檢測(cè)能力，但缺陷的細(xì)節(jié)顯示有所下降，與AB級(jí)膠片檢測(cè)能力相當(dāng)。

2 數(shù)字射線成像技術(shù)(DR)

2.1 數(shù)字射線成像技術(shù)(DR)等價(jià)性評(píng)價(jià)

目前DR射線檢測(cè)技術(shù)因檢測(cè)速度快、所需曝光量少、可實(shí)時(shí)成像等特點(diǎn),應(yīng)用較CR技術(shù)更加廣泛，與常規(guī)膠片射線檢測(cè)技術(shù)相比，其采用輻射探測(cè)器代替膠片完成射線信號(hào)的探測(cè)和轉(zhuǎn)換，采用圖像數(shù)字化技術(shù)獲得數(shù)字檢測(cè)圖像。由于DR射線檢測(cè)成像系統(tǒng)與膠片射線檢測(cè)技術(shù)的不同，故從實(shí)際工作角度考慮數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)對(duì)缺陷的檢測(cè)能力是否能達(dá)到膠片射線檢測(cè)技術(shù)水平。

2.1.1 船舶領(lǐng)域DR射線檢測(cè)的基本數(shù)據(jù)需求

對(duì)于被檢工件，需要分析工件的厚度范圍、缺陷特點(diǎn)及膠片射線檢測(cè)的空間分辨率控制要求[2]。針對(duì)目前船舶領(lǐng)域射線檢測(cè)的工件主要厚度范圍(2～40 mm)計(jì)算的基本數(shù)據(jù)要求，如表5所示。

2.1.2 常用成像系統(tǒng)的最佳放大倍數(shù)與不清晰度

對(duì)于DR射線檢測(cè)技術(shù)，可以采用放大透照的方式進(jìn)行檢測(cè)，選擇合適的最佳放大倍數(shù)可以使檢測(cè)圖像的空間分辨率達(dá)到最佳。最佳放大倍數(shù)由輻射探測(cè)器的固有不清晰度和射線源尺寸決定，射線源的焦點(diǎn)尺寸越小，可以選擇的放大倍數(shù)越大，當(dāng)射線源尺寸較大時(shí)，只能采用放大倍數(shù)接近1的方式透照[3]。

檢測(cè)圖像的不清晰度U與放大倍數(shù)的關(guān)系如式(3)所示。

表5 射線檢測(cè)技術(shù)基本數(shù)據(jù)要求

(3)

式中：φ為射線機(jī)的焦點(diǎn)尺寸；Ui為成像板的固有不清晰度。

最佳放大倍數(shù)公式如式(4)所示。

(4)

以目前行業(yè)內(nèi)較為常用的輻射探測(cè)器的像素尺寸為例(分別為127,143,200 μm)，針對(duì)以上3種像素尺寸分別計(jì)算最佳放大倍數(shù)與圖像不清晰度，具體數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 不同焦點(diǎn)尺寸、像素尺寸成像系統(tǒng)的最佳放大倍數(shù)與不清晰度

比較表5，6可以發(fā)現(xiàn)，采用相同透照條件時(shí)，成像系統(tǒng)的像素尺寸越小，最佳放大倍數(shù)與不清晰度越小，其中最佳放大倍數(shù)變化較大，但不清晰度變化較小，當(dāng)采用微焦點(diǎn)尺寸射線源時(shí)，不清晰度變化明顯，可以有效提升檢測(cè)圖像的空間分辨率；對(duì)于船舶領(lǐng)域來說,以上3種成像系統(tǒng)均可以滿足AB級(jí)檢測(cè)需求，且不必為追求不清晰度而刻意選擇較小的像素尺寸，其主要原因是隨著像素尺寸的減小，射線檢測(cè)所需的曝光量會(huì)大幅度增加，影響檢測(cè)效率；而在進(jìn)行成像質(zhì)量有較高要求的B級(jí)檢測(cè)時(shí)，采用最佳放大倍數(shù)與1級(jí)補(bǔ)償原則，像素尺寸為127，143 μm的成像系統(tǒng)可以滿足3.5～40 mm厚度范圍試件的檢測(cè)需求，但對(duì)于母材公稱厚度小于3.5 mm的薄板的檢測(cè)能力尚有不足。

2.2 基于不同種類射線裝置的管焊縫DR檢測(cè)試驗(yàn)

在船舶射線檢測(cè)領(lǐng)域中采用的輻射探測(cè)器質(zhì)量一般為2～5 kg，其遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于膠片的質(zhì)量，且在船舶分段制作、船臺(tái)合攏等階段，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)環(huán)境復(fù)雜，登高作業(yè)頻繁，DR成像系統(tǒng)在某些復(fù)雜環(huán)境下難以實(shí)施，但該系統(tǒng)以檢測(cè)效率高、厚度寬容度大、可實(shí)時(shí)成像等特點(diǎn)更加適用于曝光間內(nèi)的管系焊縫批量檢測(cè)。目前船舶領(lǐng)域常用的射線裝置分別為X射線機(jī)和γ射線源，下面基于不同種類射線裝置的DR檢測(cè)成像質(zhì)量進(jìn)行分析，驗(yàn)證DR射線技術(shù)在船舶管系焊縫檢測(cè)領(lǐng)域的適用性。

選取現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中較為常見的大直徑薄壁管(219 mm×7 mm,直徑×壁厚)、中等直徑厚壁管(114 mm×10 mm,直徑×壁厚)及小徑管(45 mm×4.5 mm,直徑×壁厚)開展DR檢測(cè)試驗(yàn)，采用的射線裝置分別為300 kV X射線機(jī)和Se75 γ射線源，輻射探測(cè)器選用非晶硅平板探測(cè)器，像素尺寸為127 μm，A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為16 bit；試驗(yàn)中采用的圖像平均次數(shù)為8，可以起到良好的降噪作用。基于不同射線裝置的管系焊縫檢測(cè)圖像見圖5，檢測(cè)數(shù)據(jù)見表7。

由表7可知，對(duì)φ114 mm×10 mm和φ219 mm×7 mm管系焊縫檢測(cè)時(shí)，采用X射線裝置的像質(zhì)計(jì)靈敏度與信噪比優(yōu)于γ射線裝置的，但均可達(dá)到B級(jí)檢測(cè)需求，而對(duì)于空間分辨率的比較，兩者差別較為明顯，相差2～3個(gè)絲號(hào)；采用X射線檢測(cè)時(shí)，以上兩種規(guī)格的管系焊縫圖像質(zhì)量均可達(dá)到B級(jí)，采用γ射線檢測(cè)時(shí)，則可達(dá)到AB級(jí)(φ114 mm×10 mm規(guī)格的管系采用了補(bǔ)償原則)；而對(duì)φ45 mm×4.5 mm規(guī)格的管系焊縫檢測(cè)時(shí)，信噪比相對(duì)較低，這是管直徑較小，射線能量分布不均勻且管焊縫截面厚度變化較大引起的，同時(shí)管徑較小還無法放置雙絲像質(zhì)計(jì)，無法評(píng)定圖像質(zhì)量級(jí)別，但可以通過同等厚度的對(duì)比試件代替被檢工件進(jìn)行空間分辨率測(cè)量[4]，對(duì)比試件的檢測(cè)圖像如圖6所示。

圖5 基于不同射線裝置的管系焊縫檢測(cè)圖像

表7 基于不同射線裝置的管系焊縫數(shù)據(jù)

圖6 管焊縫等厚對(duì)比試件檢測(cè)圖像

對(duì)圖6中的雙絲像質(zhì)計(jì)進(jìn)行測(cè)量可知，采用X射線檢測(cè)時(shí)空間分辨率為D10，采用γ射線檢測(cè)時(shí)空間分辨率為D8;結(jié)合表7中的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合判定，對(duì)于φ45 mm×4.5 mm的小徑管采用X射線檢測(cè)時(shí)靈敏度和空間分辨率皆可以達(dá)到B級(jí)要求，信噪比達(dá)到AB級(jí)要求，采用γ射線檢測(cè)時(shí)靈敏度和信噪比可以達(dá)到AB級(jí)要求，但空間分辨率不滿足AB級(jí)要求。

通過圖像及檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)發(fā)現(xiàn)，采用X射線裝置檢測(cè)的DR成像效果明顯好于γ射線的，對(duì)于有較高圖像質(zhì)量需求的工件應(yīng)采用X射線裝置，對(duì)于一般圖像質(zhì)量需求的工件可以采用γ射線裝置，但應(yīng)進(jìn)行工藝驗(yàn)證與優(yōu)化，保證檢測(cè)靈敏度、空間分辨率和信噪比滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)CR與DR數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)的等價(jià)性評(píng)價(jià)和試驗(yàn)分析可知，以上兩種技術(shù)在選擇合適的工藝參數(shù)時(shí)，其檢測(cè)圖像質(zhì)量可以達(dá)到甚至優(yōu)于B級(jí)膠片射線檢測(cè)質(zhì)量，其檢測(cè)能力可以滿足船舶射線領(lǐng)域主要應(yīng)用試件厚度范圍的檢測(cè)需求，已經(jīng)具備了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)，但由于數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)的普及率相對(duì)較低，對(duì)于復(fù)雜作業(yè)環(huán)境下的適用性還有待考證。