(甘肅省特種設(shè)備檢驗檢測研究院, 蘭州 730050)
在壓力管道定期檢驗期間,利用數(shù)字射線成像技術(shù)對管道埋藏缺陷進行檢測時,經(jīng)常在彎頭處發(fā)現(xiàn)腐蝕坑,有些腐蝕很嚴(yán)重(甚至穿孔),需進行腐蝕深度測量,以評定管道的安全等級。管道全面腐蝕減薄的程度可通過測厚來進行定量,但對于一些局部腐蝕及較深的腐蝕坑,采用測厚的方法很難準(zhǔn)確檢測腐蝕的位置,而利用數(shù)字射線成像技術(shù),可直觀準(zhǔn)確地測定腐蝕所在位置,并記錄射線穿透腐蝕部位時的衰減信息,通過對數(shù)字圖像進行觀察測試,利用已知數(shù)據(jù),擬合灰度與對應(yīng)厚度關(guān)系的指數(shù)函數(shù),計算出腐蝕深度,并通過試驗確定誤差范圍。
數(shù)字射線成像技術(shù)(DDA)是近幾年國內(nèi)成熟應(yīng)用的檢測新技術(shù),成像系統(tǒng)由射線源、陣列探測器、計算機及專用軟件等組成。目前,常用的平板探測器A/D(模擬/數(shù)字)轉(zhuǎn)換器位數(shù)為16,灰度等級很高。DDA與傳統(tǒng)膠片照相技術(shù)相比,信息采集介質(zhì)由膠片轉(zhuǎn)變?yōu)槠桨逄綔y器,實現(xiàn)了信號的數(shù)字化。數(shù)字射線成像技術(shù)主要有以下優(yōu)勢:① 圖像的對比度、信噪比大大提高;② 厚度寬容度大,灰度動態(tài)范圍大;③ 曝光時間短,檢測效率高;④ 交互性好,查詢、檢索、儲存方便;⑤ 數(shù)字圖像評定時觀察和測試的功能多,細(xì)節(jié)識別度高,測量精度高。
DDA應(yīng)用在壓力管道檢測中,需要的射線能量相對較低,曝光量小,透照時間短,可現(xiàn)場出具檢測結(jié)果,能快速方便地解決問題。
基于射線穿透物質(zhì)的衰減規(guī)律(寬束多色射線)可以得出
I=I0e-μT(1+n)
(1)
式中:μ為射線穿過單位厚度物質(zhì)時的衰減系數(shù);n為散射比;T為物質(zhì)的厚度;I為射線透射后的強度;I0為入射射線強度。
對于射線檢測來說,確定的射線源、管電流、管電壓及射線源與被檢物的距離等條件下,I0是固定的,衰減系數(shù)μ與射線的能量、物質(zhì)的原子序數(shù)和密度有關(guān),其隨管電壓的升高而減小,隨穿透厚度的增大而減小。
對于數(shù)字射線成像檢測,圖像灰度值與對應(yīng)穿透厚度的定量關(guān)系為[1]
G=KI0e-μT
(2)
式中:G為圖像灰度;K為檢測系統(tǒng)灰度轉(zhuǎn)變常數(shù)。
對確定的檢測系統(tǒng),K值隨工件材料、結(jié)構(gòu)、穿透厚度、射線能量等因素的變化而動態(tài)變化,式(1)的散射比n被轉(zhuǎn)化到K值中。筆者使用數(shù)字X射線成像檢測系統(tǒng),設(shè)置不同的透照工藝參數(shù)并對階梯試塊進行透照,測量各階梯圖像的灰度,在二維坐標(biāo)中繪制穿透厚度與對應(yīng)灰度的平滑曲線,觀察并分析穿透厚度與灰度之間的定量關(guān)系,把這種定量對應(yīng)關(guān)系用數(shù)學(xué)函數(shù)的方式表達(dá)出來。對于不同的數(shù)字化成像檢測系統(tǒng),針對階梯試塊,需制定符合標(biāo)準(zhǔn)和實際需要的透照工藝[2]。
使用俄羅斯史克龍斯MRCH-250型射線機,管電壓為130 kV250 kV,管電流為0.8 mA,有效焦點尺寸為φ1.8 mm。
平板探測器型號為CRV X1012,像素間距為100 μm,A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)為16 bit(位),射線能量為40 kV330 kV。
測試試件材料為20號鋼,階梯試塊厚度分別為4,5,6,8,10,12,14 mm。
(1) 設(shè)置透照焦距為750 mm,單幀曝光時間為3 s,管電流為0.8 mA,分別設(shè)置管電壓為130,140,150,160,170,180,190,200 kV,以多幀積分的方式各采集一副階梯試塊圖像。
(2) 設(shè)置透照焦距為750 mm,單幀曝光時間為2 s,管電流為0.8 mA,分別設(shè)置管電壓為180,190,200 kV,以多幀積分的方式各采集一副階梯試塊圖像[3]。
在計算機上對成像結(jié)果進行觀察、分析處理、測試,灰度測量方法為在階梯試塊階梯中心區(qū)域測量灰度,共測試3處,取其平均值為該階梯的圖像灰度。
表1 圖像的灰度數(shù)據(jù)
由表1可知,用平滑曲線連接灰度與對應(yīng)階梯厚度在坐標(biāo)系中的各點,藍(lán)色曲線為灰度與厚度關(guān)系,紅色直線為線性關(guān)系擬合,黑色曲線為指數(shù)關(guān)系擬合,不同透照電壓所采集圖像的灰度-厚度對應(yīng)關(guān)系曲線如圖1所示。
(1) 觀察圖1(a)(h)的3條曲線的趨勢,可以看出穿透厚度在一定的范圍內(nèi),圖像的灰度與對應(yīng)厚度的關(guān)系類似指數(shù)趨勢,與式(2)相吻合(此時μ取穿透范圍的衰減均值);穿透厚度在局部更小范圍內(nèi),圖像灰度與對應(yīng)厚度的關(guān)系近似于線性,在不同
圖1 不同透照電壓灰度與厚度關(guān)系曲線
的范圍內(nèi)梯度(斜率)不同,厚度范圍越小,線性程度越高。
(2) 對表1的數(shù)據(jù)進行兩點指數(shù)趨勢擬合,得到灰度與對應(yīng)厚度的關(guān)系函數(shù),并計算三點厚度[如:4/(5,6)意為測量已知穿透厚度為5,6 mm的灰度,擬合函數(shù)關(guān)系,代入4 mm的灰度,計算出穿透厚度],計算厚度與穿透厚度差值如表2所示。
表2 計算厚度與穿透厚度差
(3) 分析表2的數(shù)據(jù)可知,擬合點與計算點的厚度范圍越小,依據(jù)灰度計算的厚度與實際穿透厚度差越??;如果選取適宜的透照工藝參數(shù),將圖像灰度控制在平板探測器量程的20%~70%,計算的厚度與實際穿透厚度差值受電壓大小的影響不大;擬合點與計算點的厚度范圍參照檢測系統(tǒng)測試數(shù)據(jù),差值可以控制在基準(zhǔn)厚度(擬合點的較小厚度,如管道的母材穿透厚度)的3%以內(nèi);擬合點與計算點的厚度范圍(參照表2數(shù)據(jù),依厚度計算點和基準(zhǔn)點灰度變換范圍而定)較大時,可以基于表2的數(shù)據(jù)對計算厚度進行衰減補償修正,控制差值范圍;也可以現(xiàn)場確定腐蝕點位置,使用測厚儀直接測量管壁厚度。
(4) 計算厚度修正辦法。采用與檢測工件形狀相似,射線吸收系數(shù)相同或是相近的模擬試件,設(shè)置與實際檢測相同的透照參數(shù),測試采集圖像,得到表2數(shù)據(jù),計算差值與基準(zhǔn)厚度的比例,并參照這個比例,修正對應(yīng)的計算厚度。
設(shè)計一件有孔和臺階的管狀試件,采用不同的透照工藝參數(shù),采集透照圖像,比較計算孔深和實際孔深數(shù)據(jù)。
試件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 試件結(jié)構(gòu)示意
依據(jù)表3所列的已知數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù),采用灰度與厚度指數(shù)擬合的方法進行擬合,圖像灰度測量點計算厚度與實測值差值如表4所示。表4的驗證數(shù)據(jù)與表2的數(shù)據(jù)基本吻合,點蝕腐蝕處射線穿透厚度減小20%(單邊壁厚40%),計算厚度與穿透厚度差值在穿透厚度的3%以內(nèi),說明對于已知兩點,擬合指數(shù)趨勢函數(shù),依據(jù)灰度值來計算穿透厚度的方法可靠有效,誤差可控。
表3 圖像的灰度數(shù)據(jù)
表4 圖像灰度測量點厚度的計算值(指數(shù)關(guān)系)與實測值差值 mm
(1) 射線衰減系數(shù)隨穿透厚度的減小而增大,使兩點擬合的指數(shù)函數(shù)產(chǎn)生趨勢偏差;兩點擬合的精度誤差也會使計算結(jié)果產(chǎn)生誤差。
(2) 平板探測器的元器件老化及性能的穩(wěn)定性、射線源的老化引起的能譜變化、檢測系統(tǒng)的電子噪聲、工件及透照環(huán)境的散射線等,都會使檢測系統(tǒng)的灰度轉(zhuǎn)變常數(shù)和灰度產(chǎn)生偏差。
(3) 圖像的靈敏度和分辨率影響觀察和測量的位置,靈敏度和分辨率越高,觀察和測量的位置越具有代表性,就能更加準(zhǔn)確地反應(yīng)細(xì)節(jié)位置穿透厚度的變化。
(1) 數(shù)字射線成像檢測系統(tǒng)的性能、透照工藝參數(shù)、圖像質(zhì)量等必須滿足標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.11-2015的要求。
(2) 測試圖像的灰度范圍為平板探測器量程的20%~70%。
(3) 測試采用就近比較的原則,對于管件而言,比較的范圍(厚度變化)越大,誤差越大。
(4) 不同的透照電壓,灰度-透照厚度對應(yīng)關(guān)系的指數(shù)趨勢范圍不同。因此,實際檢測以指數(shù)關(guān)系擬合時,應(yīng)依據(jù)灰度計算穿透厚度,灰度-透照厚度對應(yīng)關(guān)系在近似指數(shù)趨勢范圍內(nèi)。
(5) 母材灰度測量和試件(與母材有厚度差)的灰度測量,均指局部范圍內(nèi)的平均灰度,這樣可以避免平板探測器中壞像素點的影響;腐蝕和缺陷自身高度測量值均指其最大灰度。
(6) 該方法適用于碳鋼、合金鋼、不銹鋼等材料,而玻璃鋼及PE(聚乙烯)類材料的管道損傷,可參照筆者的試驗方法,以實際試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分析誤差范圍,測量損傷深度。
采用數(shù)字射線成像檢測對管道腐蝕狀況進行了檢測,采集了圖像的灰度,并進行兩點擬合指數(shù)函數(shù)運算,依據(jù)灰度計算出穿透厚度,即可換算出管道的點蝕腐蝕深度;控制好計算穿透厚度的精度,也就控制了點蝕腐蝕深度的測量誤差,缺陷的自身高度也可以使用這種對應(yīng)關(guān)系來計算。
采用參照對比計算的方法對腐蝕深度進行計算,點蝕腐蝕深度在管壁厚度(基準(zhǔn)厚度)的40%以下時,測量誤差可控制在基準(zhǔn)厚度的3%以內(nèi);采用處理圖像的計算機擬合指數(shù)函數(shù),方便易行;該方法為管道腐蝕的數(shù)字射線成像檢測提供了參考。