趙建政，宋偉斌

（煙臺(tái)市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，煙臺(tái) 265500）

如果沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)壓力管道裂紋，不僅會(huì)縮短設(shè)備的使用壽命，加快容器、裝置等的損壞速度[1-2]，而且一旦因管道內(nèi)的易燃易爆介質(zhì)，引發(fā)二次爆炸，后果不堪設(shè)想，火災(zāi)、人群中毒、建筑摧毀等嚴(yán)重災(zāi)害事故勢(shì)必會(huì)發(fā)生。文獻(xiàn)[3]結(jié)合紅外熱波技術(shù)設(shè)計(jì)的無損檢測(cè)方法，為變電站等環(huán)境中的復(fù)合支柱絕緣子界面，提供了一種高效率的無接觸檢測(cè)手段。文獻(xiàn)[4]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)處理方法，設(shè)計(jì)出一種用于工業(yè)鑄件缺陷的無損檢測(cè)技術(shù)。盡管無損檢測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)眾多，但也要根據(jù)具體的檢測(cè)目標(biāo)情況進(jìn)行運(yùn)用，以便充分發(fā)揮出檢測(cè)性能。

因此，本文通過分析鍋爐壓力容器中壓力管道上的裂紋應(yīng)力狀態(tài)，設(shè)計(jì)出一種壓力管道裂紋的X射線檢測(cè)方法。

1 鍋爐壓力容器壓力管道裂紋應(yīng)力分析

根據(jù)鍋爐壓力容器的易燃易爆特點(diǎn)，出于安全考慮，采用應(yīng)力分布線性化的分析方法，取得壓力管道的裂紋應(yīng)力情況。

假設(shè)壓力管道裂紋的一次薄膜應(yīng)力與二次薄膜應(yīng)力分別是Pm，Qm，一次彎曲應(yīng)力與二次彎曲應(yīng)力分別是Pb，Qb，則通過下列兩個(gè)表達(dá)式，描述該裂紋的表面應(yīng)力線性化分布形式與內(nèi)嵌應(yīng)力線性化分布形式：

式中：σ1，σ2分別為不同的應(yīng)力分量。

若在裂紋應(yīng)變范圍中的兩種應(yīng)力分量各是Δσ1，Δσ2，則該范圍里裂紋的薄膜應(yīng)力Δσm與彎曲應(yīng)力Δσb由下列兩式解得：

當(dāng)應(yīng)力在管道的不連續(xù)面上集中作用時(shí)，二次薄膜應(yīng)力與二次彎曲應(yīng)力均會(huì)受到影響。故根據(jù)管道結(jié)構(gòu)、形狀、局部的不連續(xù)性，利用下列表達(dá)式，描述裂紋應(yīng)力的疊加分布形式：

式中：km，kb分別為薄膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力的乘子。

2 管道裂紋X 射線檢測(cè)

根據(jù)物理學(xué)的波粒二象性[5]，將X 射線的短電磁波看成是一種高能量的光子束流，結(jié)合鍋爐壓力容器壓力管道的裂紋應(yīng)力分析結(jié)果，設(shè)計(jì)出如圖1所示的管道裂紋X 射線檢測(cè)模型。

圖1 壓力管道裂紋X 射線檢測(cè)模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of X-ray inspection model for penstock cracks

利用陰極燈絲通電真空二極電子管，令其進(jìn)入白熾狀態(tài)，將熱電子釋放到真空介質(zhì)中后，陰極燈絲與陽極靶之間的管電壓[6]使電子快速從陰極移動(dòng)至陽極，陽極靶受到撞擊后，在靶的焦點(diǎn)處生成X射線。在X 射線透過壓力管道時(shí)，存在的裂紋會(huì)改變射線的吸收情況與穿透管道的射線強(qiáng)度。假設(shè)壓力管道壁厚度是T，X 射線穿透管道前的強(qiáng)度是I0，穿透后是I，則射線的衰減情況為

式中：μ 為壓力管道的衰減系數(shù)，由射線的種類與線質(zhì)、管道的材質(zhì)與密度決定。

X 射線穿透壓力管道后，照射到膠片上，膠片接受變化的射線感光后，生成管道圖像，經(jīng)過顯影、停顯、定影等暗室處理流程，得到底片，結(jié)合裂紋位置的曝光黑度，用強(qiáng)光燈查看底片，根據(jù)圖像位置、形狀、黑度等物理指標(biāo)，即可得到裂紋的性質(zhì)、數(shù)量等，完成壓力管道的裂紋檢測(cè)。射線膠片的黑化程度通過底片黑度描述，界定為

式中：D 為底片黑度；L0，L 分別為射線穿透底片前與穿透后的光強(qiáng)。

已知射線強(qiáng)度I 與曝光時(shí)間t，則膠片曝光量E的計(jì)算公式為

根據(jù)曝光量與膠片接受射線劑量之間的正相關(guān)性，推導(dǎo)出下列曝光量E 的取值條件：

則膠片性質(zhì)的曲線梯度G 為

式中：lgE 為相對(duì)曝光量對(duì)數(shù)。

X 射線檢測(cè)模型中的膠片模塊由膠片、增感屏等組成。根據(jù)性質(zhì)曲線梯度、感光乳劑顆粒度、信噪比指標(biāo)，劃分該模塊性能等級(jí)，如表1 所示。

表1 膠片模塊性能級(jí)別Tab.1 Film module performance level

A 級(jí)表示膠片模塊的射線膠片具有高靈敏度的檢測(cè)性能，B 級(jí)表示檢測(cè)靈敏度較低?；谏渚€檢測(cè)技術(shù)的相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)[7]，通常選取AB 級(jí)及以上的射線膠片進(jìn)行檢測(cè)。

3 基于小波域的裂紋檢測(cè)圖像處理

（1）根據(jù)圖2 模式，多重小波分解底片圖像[8]，取得高、低頻子圖。

（2）針對(duì)最大分解層的低頻子圖，以灰度相似度因子影響最大，極易丟失細(xì)節(jié)信息，故添加指數(shù)函數(shù)，改進(jìn)灰度相似度因子，穩(wěn)定圖像灰度變化，加大圖像的真實(shí)性與合理性。假設(shè)圖像中2 個(gè)像素點(diǎn)（i，j）與（x，y）的灰度值分別是g（i，j），g（x，y），則改進(jìn)后的2 種灰度相似度因子表達(dá)式為

（3）針對(duì)各分解層的高頻子圖，改進(jìn)非局部均值濾波算法。利用像素塊的中值、均值及中心像素的灰度值，通過下式計(jì)算出歐幾里得距離，優(yōu)化非局部均值濾波算法：

式中：m（i），m（j）為像素塊i，j 的中值；a（i），a（j）為兩像素塊的均值；i-j 為以像素塊i，j 為中心的灰度差。

為抑制噪聲方差的過估計(jì)干擾，添加梯度值Δ改進(jìn)噪聲方差估計(jì)法，得到下列噪聲方差計(jì)算公式：

其中，梯度值由下式解得：

相似窗與搜索窗規(guī)格會(huì)影響圖像處理效果，添加余弦函數(shù)調(diào)整權(quán)值，均衡化圖像灰度?；叶认嗨贫纫蜃拥臋?quán)值調(diào)整方程式為

采用下列公式，在搜索窗里進(jìn)行非局部均值濾波處理：

式中：λ，s 分別為相似鄰域的窗口規(guī)格與搜索窗規(guī)格。

（4）根據(jù)圖2 中的小波分解模式作反向操作，小波重構(gòu)處理后的高、低頻子圖，最大程度凸顯了X射線圖像內(nèi)裂紋位置、形狀、黑度等特性，即可檢測(cè)出圖像內(nèi)是否存在裂紋，以及裂紋的性質(zhì)、數(shù)量等信息。

4 試驗(yàn)與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象與評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

從某家工廠選取一臺(tái)型號(hào)為HF-YL001 的鍋爐不銹鋼固定式低溫壓力容器作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，利用紅外熱波檢測(cè)方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)方法及所建模型，檢測(cè)該設(shè)備壓力管道上的裂紋缺陷。X 射線檢測(cè)模型的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表2 X 射線檢測(cè)模型技術(shù)參數(shù)Tab.2 Technical parameters of X-ray testing model

為實(shí)現(xiàn)主觀評(píng)價(jià)與客觀評(píng)價(jià)的統(tǒng)一，先從視覺角度描述人眼對(duì)檢測(cè)結(jié)果的直觀感受，再選取對(duì)比度、清晰度、信息熵、峰值信噪比4 個(gè)指標(biāo)，進(jìn)一步綜合、全面評(píng)價(jià)各檢測(cè)方法性能與效果。各指標(biāo)均與檢測(cè)質(zhì)量呈正相關(guān)性。

4.2 主觀性評(píng)價(jià)分析

紅外熱波檢測(cè)方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)方法及本文模型檢測(cè)到的壓力管道裂紋圖像如圖3 所示。由圖3可以看出，兩種對(duì)比方法的裂紋檢測(cè)結(jié)果較為模糊，且有部分微小裂紋與較大裂紋的細(xì)節(jié)信息丟失，無法展示出裂紋缺陷的所有部分，存在缺陷范圍上的偏差。而本文因引用小波域的圖像處理技術(shù)，較好地去除了圖像中尖銳的噪聲點(diǎn)，不僅清晰呈現(xiàn)出檢測(cè)范圍內(nèi)壓力管道上的所有裂紋缺陷，而且極大程度地保留下了裂紋的邊緣與細(xì)節(jié)，檢測(cè)優(yōu)勢(shì)相對(duì)突出。

圖3 檢測(cè)結(jié)果的視覺效果示意圖Fig.3 Visual effect diagram of test results

4.3 客觀性評(píng)價(jià)分析

選取其中5 個(gè)裂紋缺陷，得到3 種檢測(cè)方法的對(duì)比度、清晰度、信息熵、峰值信噪比指標(biāo)值，如圖4所示。由圖4 可知，從縱向來看，不論是對(duì)比度、清晰度，還是信息熵、信噪比，在3 種方法中均以本文方法的評(píng)價(jià)指標(biāo)值最高；從橫向來看，本文方法在對(duì)比度、清晰度兩方面擁有絕對(duì)的優(yōu)越性，指標(biāo)值的曲線水平遠(yuǎn)高于對(duì)比方法。綜上所述，本文因融合非局部均值濾波算法與雙邊濾波算法，不僅豐富了裂紋信息，提高了圖像的對(duì)比度與清晰度，而且所得檢測(cè)圖像質(zhì)量較高，能夠?yàn)閴毫艿篮罄m(xù)的維修與處理提供更可靠的判定依據(jù)。

圖4 檢測(cè)結(jié)果的指標(biāo)評(píng)價(jià)示意圖Fig.4 Schematic diagram of index evaluation of test results

4.4 檢測(cè)模型的影響因素探究

為拓展檢測(cè)方法的應(yīng)用領(lǐng)域，完善檢測(cè)性能，進(jìn)一步探索模型的影響因素。該實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)從X 射線模型的管電壓、 管電流及檢測(cè)時(shí)的曝光時(shí)間入手，分析3 種關(guān)鍵參數(shù)對(duì)檢測(cè)效果的影響。各參數(shù)在不同取值情況下5 個(gè)裂紋圖像的峰值信噪比值變化情況如圖5 所示。

圖5 不同因素下模型檢測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)變化示意圖Fig.5 Change of model detection and evaluation indicators under different factors

由圖5 可知，3 種參數(shù)值均對(duì)裂紋檢測(cè)效果有一定影響，但影響程度不盡相同且不存在交互作用，其中，曝光時(shí)間影響最大，管電壓影響最?。划?dāng)各參數(shù)值較小或較大時(shí)，評(píng)估指標(biāo)值均處于較低水平，僅在管電壓取值是100 kV，管電流取值是1.5 mA，曝光時(shí)間取值是5 s，各指標(biāo)值才達(dá)到最大值。綜上，管電壓、管電流及曝光時(shí)間干擾檢測(cè)效果，且并非取值越大，效果越好，只有選取合適的參數(shù)值才能確保X 射線的檢測(cè)質(zhì)量。

5 結(jié)語

本文針對(duì)該容器壓力管道上的裂紋，設(shè)計(jì)出一種X 射線檢測(cè)方法，進(jìn)一步提高了X 射線檢測(cè)圖像質(zhì)量，加強(qiáng)檢測(cè)結(jié)果的可靠性，為后續(xù)采取維修與防治措施提供依據(jù)。