王國圈* 王勝輝

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院）

0 引言

夾套管是一種通用的換熱型伴熱管道，通過外管輸入熱水、蒸汽等熱媒保證內(nèi)管中物料的溫度高于其凝固或結(jié)晶溫度。運(yùn)行期間夾套管的檢測、維護(hù)工作是目前化工裝置安全發(fā)展的重要研究方向。夾套管內(nèi)管的壁厚檢測一直是工程中的難題，傳統(tǒng)超聲波檢測方法僅能對(duì)半夾套型夾套管露出部分的內(nèi)管進(jìn)行壁厚檢測，對(duì)于全夾套型夾套管的內(nèi)管以及半夾套型夾套管被包圍部分內(nèi)管的壁厚數(shù)字射線（DR）檢測研究目前仍鮮見報(bào)道。

DR檢測是一種新興的數(shù)字化X射線檢測技術(shù)，其通過數(shù)字探測器將X射線光子轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并通過獨(dú)立運(yùn)算單元完成圖像轉(zhuǎn)換過程[1]。DR檢測具有射線檢測圖像成像質(zhì)量高，成像速度快，曝光參數(shù)調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，近年來，該技術(shù)在工業(yè)檢測中應(yīng)用越來越廣泛。本文將DR檢測技術(shù)應(yīng)用于夾套管內(nèi)管壁厚測量工作，以某公司的酚醛樹脂管道為研究對(duì)象，驗(yàn)證DR檢測技術(shù)應(yīng)用于夾套管內(nèi)管壁厚測量時(shí)的準(zhǔn)確度。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣管

實(shí)驗(yàn)樣管為2根同心嵌套的碳鋼直管段模擬夾套管，其中2根內(nèi)管的規(guī)格分別為 34 mm ×3.5 mm，34 mm ×4.5 mm。

1.2 內(nèi)管測厚方法

實(shí)驗(yàn)所用DR檢測設(shè)備及其基本參數(shù)可見表1，實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用平板探測器及微焦點(diǎn)射線機(jī)[2]，透照方式采用垂直透照，如圖1所示。由于被照射工件與DR成像板之間存在一定距離，導(dǎo)致探測器實(shí)際獲取的圖像與待測件尺寸之間存在一定的放大倍數(shù)。為了提高測量準(zhǔn)確性，通過測量待檢工件上已知尺寸部位的像素值，計(jì)算出單位長度表征的像素值，再測量工件壁厚的像素值，進(jìn)而得出其壁厚值。

表1 DR檢測設(shè)備及參數(shù)

圖1 DR透照方式示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 參照試樣測量法

參照試樣測量法是將已知尺寸的試樣與工件同時(shí)曝光，以該試樣作為尺寸校準(zhǔn)參照物。以直徑為10 mm的鋼球?yàn)閰⒄赵嚇樱c夾套管同時(shí)進(jìn)行X射線照射，在高能量和低能量狀態(tài)下分別曝光并獲取圖像，如圖2所示。由圖2 a）可知，射線能量較低時(shí)，夾套管外管和鋼球的輪廓清晰可見，通過測量外管外直徑的像素值和鋼球直徑的像素值可以計(jì)算出測量過程中單位標(biāo)尺所對(duì)應(yīng)的像素值。圖2 b）為試樣在高曝光能量時(shí)獲得的圖像，在該條件下僅能觀察到夾套管內(nèi)管影像，外觀部分由于射線能量過高而過度曝光。將低能量和高能量狀態(tài)圖像疊加，可以測得夾套管內(nèi)管的壁厚數(shù)值，如圖3所示，其中圖3 a）為參照試樣法的尺寸校準(zhǔn)示意圖，圖3 b）為參照試樣法壁厚測量示意圖。

圖2 試樣曝光圖像

圖3 試樣尺寸校準(zhǔn)及壁厚測量示意圖

2.2 參照本體測量法

將夾套管外管作為參照試樣，使用游標(biāo)卡尺測量夾套管外管的直徑，并將其作為校準(zhǔn)參照尺寸。對(duì)夾套管進(jìn)行X射線照射，獲取高能量和低能量狀態(tài)下的曝光圖像，如圖4所示。通過圖像疊加，將低能量模式下圖像外管直徑設(shè)置為游標(biāo)卡尺測量尺寸，進(jìn)行圖像標(biāo)尺標(biāo)定，然后通過圖像像素?cái)?shù)測量獲得夾套管內(nèi)管的壁厚值，如圖5所示。

圖4 度樣曝光圖像

圖5 本體尺寸校準(zhǔn)及測量示意圖

2.3 透射能量確定

使用Maestro軟件實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)射線機(jī)的管電壓和管電流，進(jìn)而確定最佳曝光能量。由前述壁厚測量方法可知，低能量狀態(tài)下獲取的圖像主要用來確定對(duì)比部位的輪廓尺寸，因此進(jìn)行低能量曝光時(shí)，只需要獲取圖像的外部清晰輪廓即可。圖6所示為低能量曝光管電流為1 mA，管電壓分別為50，120 kV時(shí)的DR曝光圖像。由圖6可知，管電壓越低圖像輪廓越清晰，且隨著管電壓增大，參照物的鋼球影像逐漸變淡。因此，低能量曝光管電壓選取50 kV。

圖6 低能量曝光管電流為1 mA時(shí)的圖像

高能量曝光過程的管電壓確定過程相對(duì)復(fù)雜，需要使射線能量穿透外管但又不燒穿內(nèi)管。通過Maestro軟件連續(xù)調(diào)節(jié)管電壓，觀察所獲取曝光圖像的質(zhì)量，直至圖像上外管影像消失或基本消失，而內(nèi)管兩側(cè)管壁輪廓可清晰分辨，此時(shí)的管電壓即可確定為滿足要求。圖7所示為管電流為1 mA，管電壓分別為220，240 kV時(shí)獲取的DR曝光圖像。由圖7可知，隨曝光管電壓增大，內(nèi)管影像越來越清晰，外管影像變淡，甚至消失。因此，高能量曝光管電壓應(yīng)選擇220 kV。

圖7 高能量曝光管電流為1 mA時(shí)的圖像

2.4 壁厚測量準(zhǔn)確性

采用上述高、低能量對(duì)兩種規(guī)格的實(shí)驗(yàn)樣管進(jìn)行X射線照射成像，照射管電壓分別為220，50 kV，管電流為1 mA。對(duì)所獲取的圖像進(jìn)行壁厚測量，結(jié)果如表2所示。其中夾套管內(nèi)管規(guī)格的數(shù)據(jù)為游標(biāo)卡尺測量結(jié)果，精度為0.02 mm。使用參照試樣測量法時(shí)，鋼球側(cè)DR檢測壁厚為4.63 mm，與游標(biāo)卡尺測量的結(jié)果（4.80 mm）相比，檢測誤差為-3.5%；無鋼球側(cè)DR檢測壁厚為4.53 mm，與游標(biāo)卡尺測量的結(jié)果（4.68 mm）相比，檢測誤差為-3.2%，結(jié)果較為吻合。使用參照本體測量法時(shí)，左側(cè)的DR檢測壁厚為3.11 mm，與游標(biāo)卡尺測量的結(jié)果（3.16 mm）相比，檢測誤差為-1.6%；右側(cè)的DR檢測壁厚為3.17 mm，與游標(biāo)卡尺測量的結(jié)果（3.20 mm）相比，檢測誤差為-0.9%，檢測結(jié)果誤差小，更為準(zhǔn)確。

表2 實(shí)驗(yàn)樣管內(nèi)管壁厚的DR測量結(jié)果

3 檢測應(yīng)用

3.1 檢測工件

以上?；瘜W(xué)工業(yè)區(qū)某公司的酚醛樹脂管道帶夾套的彎頭和三通為主要檢測應(yīng)用對(duì)象。該管道內(nèi)介質(zhì)為酚醛樹脂，外管使用介質(zhì)為蒸汽。夾套管規(guī)格參數(shù)如表3所示。

表3 現(xiàn)場所檢夾套管的參數(shù)

3.2 檢測結(jié)果

現(xiàn)場檢測采用參照試樣測量法，以10 mm直徑的鋼球作為參照試樣。以低能量和高能量管電壓對(duì)鋼球和待檢工件同時(shí)進(jìn)行曝光，所獲取的圖像如圖8所示。

圖8 低能量和高能量電壓曝光測量

對(duì)所獲得的圖像進(jìn)行處理，并進(jìn)行壁厚測量，測得的壁厚數(shù)據(jù)可見表4。

表4 夾套管DR檢測應(yīng)用結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證DR測量內(nèi)管壁厚準(zhǔn)確性，采用超聲波測量三通支管內(nèi)管的壁厚，測量方式如圖9所示。在DR檢測的相同部位進(jìn)行超聲波測量，結(jié)果為3.90 mm?？紤]到管道的外徑為 89 mm，公稱壁厚為4.0 mm，探頭的晶片直徑為 6 mm，通過勾股定理計(jì)算得到最大間隙δ為0.11 mm。超聲探頭與曲面內(nèi)管壁間隙內(nèi)填充耦合劑，超聲波在耦合劑中的聲速約為1 500 mm/s，內(nèi)管為不銹鋼材質(zhì)，超聲波在不銹鋼中聲速約為5 800 mm/s，因此超聲波在耦合劑中傳播距離δ時(shí)產(chǎn)生的測量誤差 為：

圖9 超聲波測厚示意圖

因此，通過上式可以得出超聲波在耦合劑中傳播距離為δ時(shí)產(chǎn)生的測量誤差為0.43 mm，修正后的超聲波測量結(jié)果為3.47 mm。與DR測厚的結(jié)果相比，鋼球測誤差為-2.0%，無鋼球測誤差為1.4%。進(jìn)一步說明了DR檢測對(duì)于夾套管內(nèi)管壁厚測量的可行性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

通過DR壁厚檢測的實(shí)驗(yàn)研究及現(xiàn)場檢測應(yīng)用結(jié)果可以得出以下結(jié)論。

（1）采用DR檢測對(duì)夾套管的內(nèi)管壁厚進(jìn)行測量是可行的，且測量誤差較小。

（2）參照試樣測量法和參照本體測量法的測量結(jié)果接近，與實(shí)際結(jié)果較為吻合。

（3）采用DR檢測對(duì)夾套管進(jìn)行壁厚測量時(shí)，單一角度透照只能測量夾套管兩側(cè)位置的壁厚，若要進(jìn)行大范圍測量，需要進(jìn)行多角度透射。