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数字射线检测技术在压力管道检测中的应用研究

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促进绿色发展
引言

压力管道的安全运行关系着国计民生和社会稳定,但管道在运行过程中受环境因素以及载荷工况的影响,不可避免地会产生微观缺陷的萌生、扩展直至发展成宏观缺陷,最终造成管道的破坏。而通过无损检测方法对管道进行定期检测是保证压力管道安全运行的有效手段。

无损检测技术是借助声、光、电、热、磁等物理现象对工件在制造、服役过程中产生的宏观或微观缺陷进行检测,并对材料或工件的结构完整性、特性和组成进行评价的检验技术。此类检测技术基于物理原理,不损害被检对象的性能与结构完整性。射线检测技术是无损检测技术中的一种托底技术,它可以以直观的方式表现出工件内部的缺陷,而其他类型的检测技术,例如超声、相控阵检测技术等往往都以替代射线检测技术为目标。

射线检测技术从 20 世纪 20 年代开始工业应用以来,至今已有将近 100 年的发展史,目前已经形成了由射线照相技术、射线实时成像技术、射线层析成像技术(工业 CT)构成的射线无损检测技术体系。对于特种设备行业而言,射线检测技术是射线照相技术。最初的射线照相技术一般是指胶片射线照相技术而随着数字化技术的发展,20 世纪 80 年代中后期数字射线检测逐渐进入工业应用领域。目前,数字射线检测技术在管道检测中的应用已经日渐增多,并已经在国家层面形成了相应的行业标准-NB/T 47013.11一2015《承压设备无损检测 第 11 部分:X 射线数字成像检测》,用于指导实际的检验工作。

据相关资料报道,数字射线 DR 检测已用于中俄东线北段管道 0.75%焊口的检验中,检验结果表明:以 RT 检测结果为基准,DR 检测的缺陷评判符合率为 68%~98%,初步分析结果显示,DR 检测效果不稳定,还急需完善 DR 设备校验、检测工艺规程等方面的技术管理体系。


1   数字射线检测的基本原理和技术特点

不同于射线胶片照相技术,数字射线检测的基本原理是:射线透过金属材料后,其强度会由于材料的吸收现象而发生改变,而这些记录着金属材料吸收量信息的射线会被射线探测器接受,并经过模拟信号到数字信号的转变而被计算机所接受形成数字图像,并最终按照一定格式储存在计算机内,并可在显示仪器上显示。专业人员可根据这些图像进行缺陷评定。同常规射线胶片照相检测相比,数字射线检测具有检测和资料管理效率高、检测辐射剂量小、经济环保、使用方便的优点。目前工业上应用较多的是基于面阵列探测器的数字射线检测技术。这项技术的特点是将射线经过转换屏转换为光电信号后,利用平板式二维图像探测器阵列(常见的有非晶硅阵列探测器、非晶硒列探测器、CMOS 列探测器)接收后转换为数字图像。而其最大的弱点是目前空间分辨率仍无法与普通射线胶片照相形成的影像相比,例如数字射线成像图片的像素一般在百万级,而X 射线模拟影像的像素大约是 2000 万像素,相差明显。

但数字射线检测技术发展迅速,技术等级目前普遍达到 B级高灵敏等级,并在国家层面的标准中有了体现。


2   数字射线检测工艺的制定

以实际工件的数字射线检测为例,说明数字射线检测工艺的制定过程。待检对象为施工期金属管道,材料为 20 号钢,管道检测部位为管道环焊缝,接头类型为对接焊缝,坡口形式为 V 形。

在制定数字射线检测工艺时要从设备、工艺等多方面进行考虑,包括射线机和探测器的选择,管电压、管电流、曝光时间的确定,透照方式和参数的确定,图像质量的控制等方面。


2.1 射线机的选择

数字射线射线机的选择主要考虑以下两个方面:

(1)焦点尺寸的选择。X 射线管的焦点尺寸直接影响检测图像的质量,焦点越小,几何不清晰度越小,检测图像质量越高;但随着焦点减小,靶体上热量密度会急剧增越,因此,焦点大小应该有个适当的范围。强制冷却的散热方式可以降低焦点的尺寸极限。

(2)管电压的控制形式。为保证计算机处理得到质量稳定的图像,常规的半波整流X 射线机已不适用要求 X 射线机电位稳定,管电压峰差小于 1%。

综上考虑,选择型号为 PXS EVO 300DS 的X射线机(图 1),该设备穿透性强、曝光时间短、检测图像分辨率高,最大管电压为300 kV,焦点尺寸为 1.0 mm,电位恒定,最大输出功率 900 W。

管道的数字射线检验通常是针对带保温层和不带保温层管道两种情况,其主要区别在于不带保温层管道检验可采用无放大倍数的透照布置方式进行检测,而带保温层检测需采用放大透照布置方式。

要求数字射线检测的 X 射线机具有连续工作的能力,因此其射线管一般采用金属陶瓷 X 射线管,双小焦点的形式,并采用强制散热的冷却方式。

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2.2 探测器的选择

辐射探测器是完成射线的探测和转换并获得射线检测图像的器件,它的性能直接影响检测图像的质量。目前常用于工业数字射线检测技术的辐射探测器,从原理上可分为半导体辐射探测器、闪烁辐射探测器。

辐射探测器的性能主要包括像素尺寸、空间分辨率、动态范围、适用能量、使用范围等。像素尺寸的大小直接影响着检测图像的质量。一般来说,随着像素尺寸减小,像素密度增加,图像颗粒度减小,图像清晰度增加,空间分辨率增大,对分细节的辨力就增强。但是空间分辨率受到探测器对 X 射线光子的检测灵敏度、信噪比、动态范围等限制不能无限提高。在探测器面积一定的条件下,只有减少像素颗粒尺寸、增加像素密度,才能增加空间分辨率。但随着像素颗粒面积的越小,单一像素检测到的 X射线光子数也会随之减少,单个像素的感光性能降低,像素点的信噪比降低、动态范围变窄,那些本身对比度很低的缺陷就很难被检测出来。同时像素过小、或单位面积内像素过多,会引起图像噪声急剧增大,导致图像质量的急剧恶化,最终即使增加了的空间分辨率又会被因此带来的噪声淹没。研究实践表明,理想的像素尺寸为 140~200μm。

综上,辐射探测器选择型号为 NOVO 15WN,像素 148μm,探测器规格330mmx269 mm。



2.3 透照方式和透照参数的选择

由于待检工件管径较小,不能采用射线源置于管内的周向透照方式,因此采用如图 2 所示的双壁单影透照方式。

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透照参数包括管电压、焦距和曝光量。X 射线的管电压决定了射线的能量,能量的高低决定了射线能否穿透待检工件。射线管电压的选择原则是在保证穿透能力的前提下,管电压应取尽可能低的值。因为较低的管电压和较大的管电流可增加检测图像的相对灵敏度,在相同曝光量的条件下,较高的射线管电压会损失图像的对比度。因为图像的对比度由射线探测器面板上各处接受的射线光子数的比值决定,如果能量过大,待检工件结构或材料不均匀处衰减量的相对比值就会显小,对比度就会降低。而 NB/T 47013.11-2015 则根据材料类型以及工件壁厚对最大管电压进行了限制,对于碳钢而言,透照壁厚为 8 mm 时,最大管电压不超过 160 kV,因此最大管电压选择为 140 kV。

曝光量是管电流和曝光时间的乘积,可以认为是到达射线探测器的 X 射线光子的数量或剂量。曝光量不直接影响检测图像的对比度以及空间分辨率,但对数字图像的信噪比影响较大。较大的曝光量可以获得较好的检测图像,通常以图像对比度和空间分辨率为指标控制曝光量。图像对比度选择为像质计灵敏度达到 14,像质计型号为 10FeJB,空间分辨率用图像分辨率表征,图像分辨率为 200μm,空间分辨率为 2.5 lp/mm。

焦距与几何不清晰度和一次透照区域的大小相关。目前数字射线检测技术典型的限制是按照技术等级限制可使用的最小射线源到工件源测表面的距离,即图 2 中的f。较高灵敏度技术等级,其中为焦点尺寸。考虑到检测空间限制,焦距选择为 348 mm,工件源测表面至探测器表面的距离b为 4 mm。


3   检测结果及讨论


环焊缝检测图像如图 3 所示,图像大小 1920x1534,300 万像素。检测图像中工件的轮廓外部由于曝光充分,图像灰度几乎为黑色;X 射线机的焦点集中在图像右侧,此处黑度要大于图像左侧部分,因为左侧部分射线倾斜穿过工件,衰减距离过长,曝光不足,灰度偏小;此外,在图像中可以看到椭圆形的环焊缝,此部分由于焊缝余高的存在,射线穿过时衰减量比其余部分大,因此呈现为较亮的椭圆环形。此外,图像中文字均以相反形式展现,说明像质计和标识贴在了近探测器侧。

检测图像的质量由对比度和空间分辨率控制。从图 3 可以看到像质计横跨在焊缝处,并且从图中可以识别出第 5 根即 14号金属丝。图 4 是布置于焊缝附近的双丝像质计,从图中可以看到 200μm 的双丝。但识别程度与鉴别人员的视力相关,存在一定的不确定性。如果辅以数字图像,可以相互验证。

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图 5 是双丝像质计图像和灰度数字化图谱,从图中可以分辨出倒数第 4 个双丝,倒数第 3 个双丝比较模糊,但从灰度图谱可以分辨出倒数第 3 个双丝。其识别原理是利用光学中的瑞利判据来判定,即当两等强度的孤立线像合成分布的中央最小值不高于两边最大值(图中 G点)的 0.785 时认为可分辨。

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图 6 是数字射线检测时焊缝中气孔缺陷的检测图像,从图中可以观察到银白色的焊缝区域中有黑色的斑点,这说明黑色的斑点处射线衰减程度要低于周围焊缝区域,并结合其形貌,可确定此处是气孔缺陷。图 7 是数字射线检测时焊缝中裂纹缺陷的检测图像,从图中可以观察到银白色的焊缝区域中有黑色的线形,这说明黑色线条处射线衰减程度要低于周围焊缝区域,结合其形貌,可确定此处是裂纹缺陷(图 8)。

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4   结语

数字射线检测技术可以用于管道环焊缝的检测,设定恰当的检测工艺可以实现对焊缝处裂纹、气孔等缺陷的检测。


来源:《设备管理与维修》2022年第7期

作者:欧阳顺

(中石化天津液化天然气有限责任公司,天津


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