祖耀中

(遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，石油管道在建設(shè)和運(yùn)行期間由于焊接質(zhì)量不滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求存在極大的安全隱患。從某種程度上講，石油管道焊縫質(zhì)量直接決定整個(gè)工程輸油工程的安全性和優(yōu)劣性。因此，在實(shí)際應(yīng)用中需采取可靠、有效的手段對(duì)石油管道的焊接質(zhì)量進(jìn)行綜合判定。目前，針對(duì)石油管道焊縫質(zhì)量檢測(cè)的主要手段為射線檢測(cè)法，該種方式具有準(zhǔn)確性高、可直觀顯示焊縫的圖像，尤其適用于對(duì)體積型缺陷檢測(cè)的特點(diǎn)[1]。但是，射線檢測(cè)手段在實(shí)際應(yīng)用中還存在效率低、周期長(zhǎng)、檢測(cè)成本高、作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、保存成本高等劣勢(shì)。

因此，對(duì)于石油管道焊縫質(zhì)量檢測(cè)而言，采用射線檢測(cè)技術(shù)不僅影響石油管道的施工速度，而且對(duì)后期管道連續(xù)性生產(chǎn)帶來隱患。本文將基于上述問題提出石油管道焊縫檢測(cè)的數(shù)字射線檢測(cè)方法，并對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 數(shù)字射線檢測(cè)系統(tǒng)工作原理

首先，數(shù)字射線檢測(cè)系統(tǒng)是在射線檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上形成。射線檢測(cè)技術(shù)是依據(jù)當(dāng)射線穿透管道的缺陷或者在結(jié)構(gòu)上存在差異的部位時(shí)，對(duì)應(yīng)射線的衰減程度不同，因此，根據(jù)射線衰減程度的不同判斷管道焊縫質(zhì)量。根據(jù)數(shù)字射線檢測(cè)的基本原理，其主要由射線源、探測(cè)器及圖像處理分系統(tǒng)等組成。數(shù)字射線檢測(cè)流程如圖1所示。

圖1 數(shù)字射線檢測(cè)流程

圖1所示的“3”平板探測(cè)器為數(shù)字射線檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵儀器，其主要獲取穿透待檢測(cè)物件射線，該器件的性能將直接決定圖像的質(zhì)量，進(jìn)而決定對(duì)焊縫質(zhì)量評(píng)估的準(zhǔn)確性和效率。平板探測(cè)器可分為非晶硅平板探測(cè)器和非晶硒平板探測(cè)器。其中，非晶硅平板探測(cè)主要對(duì)工業(yè)中管道的焊縫質(zhì)量進(jìn)行探測(cè)；非晶硒平板探測(cè)器主要應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)。本文著重對(duì)非晶硅平板探測(cè)器進(jìn)行研究，非晶硅平板探測(cè)器主要包括有閃爍體層、非晶硅層、放大電路和晶體管陣列等[2]。

1)閃爍體層是一種在射線的作用下發(fā)光的化合物。閃爍體層的厚度范圍一般為500 μm～600 μm。

2)晶體管陣列主要功能是將閃爍體層發(fā)出的可見光轉(zhuǎn)換為凸顯，從而完成了對(duì)連續(xù)圖像的采樣。

3)放大電路為非晶硅平板探測(cè)器外圍電路的一種，其在時(shí)序控制的統(tǒng)一指揮下并通過A/D轉(zhuǎn)換器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將所轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)發(fā)送至上位機(jī)顯示、記錄。

2 數(shù)字射線檢測(cè)系統(tǒng)的試驗(yàn)研究

影響數(shù)字射線檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)質(zhì)量主要因素包括有對(duì)比度、不清晰度和顆粒度。因此，可通過控制數(shù)字射線檢測(cè)系統(tǒng)的對(duì)比度、不清晰度和顆粒度保證其檢測(cè)精度。

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)工藝條件的選擇

鑒于非晶硅平板探測(cè)器與膠片之間的本質(zhì)區(qū)別，其應(yīng)用于數(shù)字射線檢測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵不足在于其分辨率不足。因此，為保證數(shù)字射線檢測(cè)系統(tǒng)的圖像質(zhì)量需對(duì)系統(tǒng)對(duì)比度和空間分辨率進(jìn)行同時(shí)設(shè)置。

2.1.1 透照布置方式的選取

數(shù)字射線檢測(cè)系統(tǒng)透照布置主要包括對(duì)系統(tǒng)透照方式、透照方向以及一次透照區(qū)等參數(shù)的確定。其中，針對(duì)石油管道焊縫檢測(cè)可采用的透照方法包括有單壁單影、雙壁單影以及雙壁雙影，三種透照方法中以單壁單影的透照方法靈敏度最高，故選擇單壁單影透照；同時(shí)，針對(duì)石油管道焊縫的檢測(cè)將其透照源設(shè)置在外，并將射線垂直照射于被檢測(cè)部件的表明，盡可能地提升一次透照區(qū)。

2.1.2 透照參數(shù)的確定

對(duì)于數(shù)字射線檢測(cè)系統(tǒng)而言，透照參數(shù)包括有射線能量、焦距以及曝光量等。其中，隨著射線能量的增加，系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度將會(huì)下降[3]。故，在保證射線源足夠穿透力的情況下，射線能量應(yīng)該盡可能的??；而焦距參數(shù)主要影響系統(tǒng)圖像的清晰度，結(jié)合相關(guān)研究及理論分析，一般將焦距設(shè)定為600 mm～900 mm；曝光量主要影響檢測(cè)系統(tǒng)所成像的信噪比，一般采用更大的曝光量以增加成像的質(zhì)量。

2.2 射線檢測(cè)系統(tǒng)的配置

根據(jù)圖1所示的數(shù)字射線檢測(cè)流程配置各個(gè)檢測(cè)期間，主要包有X射線平板探測(cè)器、X射線機(jī)、圖像處理單元以及被測(cè)試件。本系統(tǒng)所測(cè)試的試件為X80鋼管。

結(jié)合目前常采用數(shù)字X射線平板探測(cè)器，本試驗(yàn)系統(tǒng)所選擇平板探測(cè)器的具體型號(hào)為PaxScan2520型，該型平板探測(cè)器的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 PaxScan2520 X射線平板探測(cè)器關(guān)鍵參數(shù)

結(jié)合試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)測(cè)試所要求的輻射強(qiáng)度、負(fù)載特性以及焦點(diǎn)尺寸等，所選擇X射線機(jī)的具體類型高頻固定式射線機(jī)，其關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。

表2 高頻固定式射線機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

對(duì)于圖像處理單元，本檢測(cè)系統(tǒng)選用專門的圖像處理軟件對(duì)平板探測(cè)器所形成的圖像進(jìn)行處理，選用CPU為I3的工業(yè)計(jì)算機(jī)為本試驗(yàn)系統(tǒng)的圖像處理單元。

2.3 數(shù)字射線檢測(cè)系統(tǒng)的試驗(yàn)

本試驗(yàn)對(duì)6個(gè)壁厚不同的鋼管進(jìn)行測(cè)試，所測(cè)試試件的壁厚包括了當(dāng)前石油管道常見的壁厚，并且包含了常見石油管道所存在的焊接缺陷[4]。不同試件所采用的測(cè)試參數(shù)如表3所示。

表3 不同試件測(cè)試參數(shù)

經(jīng)對(duì)不同壁厚管件所成像的圖像質(zhì)量進(jìn)行分析可知，該數(shù)字射線測(cè)試系統(tǒng)形成的圖像滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。為進(jìn)一步說明，數(shù)字射線檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)越性，主要對(duì)本數(shù)字射線檢測(cè)系統(tǒng)和傳統(tǒng)膠片射線檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)效果進(jìn)行對(duì)比分析。針對(duì)焊縫中的氣孔檢測(cè)對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

圖2 數(shù)字和膠片射線檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

如圖2所示，圖2a)為數(shù)字射線檢測(cè)系統(tǒng)的成像結(jié)果，圖2b)為膠片攝像檢測(cè)系統(tǒng)的成像結(jié)果。經(jīng)對(duì)圖2進(jìn)行分析可知,基于數(shù)字射線檢測(cè)系統(tǒng)和膠片射線檢測(cè)系統(tǒng)均檢測(cè)出管道焊縫中氣孔缺陷[5]。不同的是，基于數(shù)字射線檢測(cè)系統(tǒng)所成圖像的清晰度更好，圖形中氣孔缺陷更容易被辨識(shí)；而且，在實(shí)際檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)，采用數(shù)字射線檢測(cè)系統(tǒng)較膠片射線檢測(cè)系統(tǒng)既有更高的檢測(cè)效率，其對(duì)應(yīng)的成像時(shí)間較短。

針對(duì)焊縫中的裂紋檢測(cè)對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。

圖3 數(shù)字和膠片射線檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

如圖3所示，圖3a)為數(shù)字射線檢測(cè)系統(tǒng)的成像結(jié)果，下圖為膠片攝像檢測(cè)系統(tǒng)的成像結(jié)果。經(jīng)對(duì)圖3進(jìn)行分析可知：基于數(shù)字射線檢測(cè)系統(tǒng)和膠片射線檢測(cè)系統(tǒng)均可檢測(cè)出管道焊縫中裂紋缺陷且圖像清晰度相差不大。不同的是，基于數(shù)字射線檢測(cè)系統(tǒng)成像過程僅需短短幾秒鐘；而基于膠片射線檢測(cè)系統(tǒng)成像時(shí)還需借助暗室處理程度，大大延誤了檢測(cè)效率，而且增加了檢測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3 結(jié)語

為保證石油管道在實(shí)際安裝和應(yīng)用的安全性，需保證管道質(zhì)量滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。管道焊縫是影響其質(zhì)量的關(guān)鍵因素，故需采取高效、可靠的檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)管道焊縫進(jìn)行檢測(cè)。數(shù)字射線檢測(cè)主要由平板探測(cè)器、射線機(jī)、圖像處理單元等關(guān)鍵分系統(tǒng)組成。本文針對(duì)6個(gè)不同壁厚的石油管道的焊縫缺陷進(jìn)行檢測(cè)，并將其成像結(jié)果與膠片射線檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比得知，數(shù)字射線檢測(cè)系統(tǒng)與膠片射線檢測(cè)系統(tǒng)相比具有成像清晰度高、成像速度快、效率高以及勞動(dòng)強(qiáng)度等優(yōu)勢(shì)，今后應(yīng)在石油管道檢測(cè)中推廣。