電力設備材料工業CT無損檢測系統研究

李正利，馮云國，劉 文，陳 聰，尹奎龍

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.國網山東省電力公司物資公司，山東 濟南 250001）

電力設備材料工業CT無損檢測系統研究

李正利1，馮云國1，劉 文1，陳 聰1，尹奎龍2

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.國網山東省電力公司物資公司，山東 濟南 250001）

為滿足電力設備無損檢測的需求，研究開發了電力設備工業CT無損檢測系統。系統采用9MeV射線對被檢測工件進行透照，通過X射線在工件中的衰減規律及分布情況，獲得工件內部信息數據，由計算機進行數據處理和圖像重建，最終以圖像形式顯示出來。該系統具有CT掃描、DR掃描、三維成像等功能，檢測結果便于存儲、傳輸和分析。通過實際應用識別了大量電力設備材料內部材質替換和內部缺陷等問題，提高了電力設備物資檢測能力，促進了入網設備的質量提升。

電力設備；工業CT；無損檢測

0 引言

工業CT是通過測量多視角對物體特定區域的射線透照率，經數據重建獲取該區域內部結構圖像的無損檢測方法。其被譽為21世紀最佳無損檢測技術之一。隨著科學技術的飛速發展，工業CT檢測技術已在航空、航天、鐵路、石油、國防軍工等先進制造技術行業得到廣泛應用［1］，工業CT也從一種定性的無損探傷技術發展為一種定量測量手段。

電力設備材料工業CT無損檢測系統是為了解決變壓器線圈材質檢測以及內部缺陷早期發現而研究開發的，也是工業CT技術首次應用于我國電力行業無損檢測。電力行業設備材料品種繁多，缺陷表現各異，如鐵塔焊接缺陷、電纜斷裂、連接件缺陷、零配件缺失、組裝缺陷、彈簧斷裂等，傳統無損檢測方法難以完全滿足檢測要求。利用電力設備材料工業CT無損檢測系統，可觀察被檢工件的斷層掃描圖像，了解缺陷細節，材質差異，通過數據分析，實現對所檢工件的精準檢測。

1 系統原理與結構

電力設備材料工業CT無損檢測系統利用電子直線加速器產生的X射線穿過被測物體，通過獲取不同方向X射線穿過被測物體前后射線強度的變化數據，以雷當變換和逆變換為基礎由投影數據重建出該物體的二維斷層圖像，圖像的像素位置與物體被掃描端面或區域位置對應，各像素點灰度值與工件上該點物質對應X射線的衰減值（或者密度）成一定對應關系，從而通過數字圖像反映被測物體內部的幾何細節、材質差別及缺陷狀況，實現對被測物體內部結構的定性和定量檢測與分析。電力設備材料工業CT無損檢測系統采用立式結構布局，采用大底板（基礎平臺）作為整機安裝基礎，雙立柱分別為電子直線加速器和探測器提供支撐及運動平臺，電力設備材料工業CT無損檢測系統結構如圖1所示。

圖1 無損檢測系統結構

整個系統由射線源系統、數據采集傳輸系統、機械系統、自動控制系統、圖像系統、攝像監控系統等組成。電力設備材料工業CT無損檢測系統核心部分是射線源系統、數據采集傳輸器系統和圖像系統。

1.1 射線源系統

射線源系統主體是9MeV電子直線加速器，用于產生重復頻率的高能脈沖X射線，為無損檢測系統提供高能、高強度、穩定的X射線。射線源系統主要由9MeV電子直線加速器、調制器、控制器、水冷系統、射線防護與報警系統等組成。自動控制系統根據掃描時間和空間位置對電子直線加速器進行控制，實現加速器、數據采集傳輸系統的時空同步協調控制。電子直線加速器系統能產生9MeV能量的X射線，焦點不大于 1.5mm，劑量率不低于3000cGy／（min·m），同步脈沖頻率為50~250Hz。

1.2 數據采集傳輸系統

數據采集傳輸系統采用線陣列探測器，線陣列探測器由128個探測器單元組成，每個探測器單元由閃爍晶體、光電二極管和獨立放大電路構成［2］。作為CT系統重要組成部分，數據采集傳輸系統的性能直接影響整個CT設備的圖像指標。數據采集傳輸系統結構如圖2所示，主要包括線性探測器陣列（LDA）、信號調理與轉換單元、數據采集控制單元、數據傳輸控制單元、高精度穩壓電源、射線與電磁屏蔽箱等。其A／D轉換位數為20 bit，有效動態范圍不低于10 000∶1，傳輸速率不低于 4 Mbit／s。

圖2 數據采集傳輸系統結構

1.3 圖像系統

圖像系統由高性能計算機、顯示器及圖像處理軟件組成，主要功能是對數據采集傳輸系統獲得的掃描數據進行整理、校正和處理，顯示DR圖像、重建CT圖像或三維圖像及進行文件管理，并通過各種定性和定量分析測量工具，幫助工作人員對被檢工件的檢測結果進行分析和判斷。

圖像系統配備豐富多樣的處理單元，方便后期數字圖像的處理和使用，主要處理單元包括數據校正、圖像重建、二維圖像處理與顯示、三維圖像處理與顯示、逆向設計等［3］。

2 系統功能

電力設備材料工業CT無損檢測系統具有DR掃描、CT掃描、三維成像功能。

DR掃描功能。在自動控制系統的協調下，數據采集傳輸系統、電子直線加速器相對于放置于轉臺上的被檢工件同步上下移動，對工件進行射線掃描，射線穿過被檢測工件的信號數據被探測器采集傳輸，經圖像系統進行處理后輸出被檢工件投影圖像。DR掃描可實現對高度為1 500mm工件的檢測。配電變壓器DR檢測如圖3所示。

CT掃描功能。放置于轉臺上的工件隨轉臺旋轉，數據采集傳輸系統、電子直線加速器相對于被檢工件在水平位置相對固定，對工件的某一個斷面進行全方位掃描，該斷面的透照信息經過圖像系統的處理后輸出該工件的斷面圖像。其原理如圖4所示，根據不同工件的檢測細節要求，CT檢測斷面厚度可在0.5~3mm范圍內調整，實現對直徑為650mm工件的III代掃描及直徑為1 500mm工件的II代掃描。

圖3 配電變壓器DR檢測

圖4 斷層掃描CT成像示意圖

三維成像功能。對工件某一部位或全部體積依次進行CT掃描，對所得數據通過圖像系統進行處理，得到由多層CT圖像疊加組合而形成的立體圖像。可通過立體圖像觀察工件幾何結構，獲取工件缺陷形狀、位置及尺寸等信息。結合密度分析技術來確定缺陷性質，進行空間定位、深度定量。

電力設備材料工業CT無損檢測系統具有圖像清晰、檢測精度高等特點。參照GB／T29069—2012《無損檢測 工業計算機層析成像（CT）系統性能測試方法》，其主要性能指標空間分辨率達到2.5LP／mm，相對密度分辨率為0.3％，DR靈敏度為0.8％，幾何尺寸測量精度達到0.05mm。

3 系統應用

3.1 配電變壓器線圈材質檢測

對某公司配變設備的抽樣檢測中，發現一些質量問題，如直阻不合格、損耗超標、溫升超標等。通過配變解體發現少數供應商為降低生產成本，將招標文件中明確要求的配電變壓器銅線繞組以鋁線代替。采用拆解方式對配電變壓器進行檢驗，成本高，效率低，無法形成一種常規的檢測方法辨別繞組材質。由于鋁、銅及硅鋼芯柱材質密度不同，銅與硅鋼密度相仿，鋁密度明顯低于銅與硅鋼，密度不同物質對射線吸收系數不同，射線照相后得到的圖像灰度不同。通過基于高能量射線CT檢測裝置對配電變壓器的DR檢測圖像，可觀察繞組圖像灰度變化判斷其材質。如圖5（a）所示，低壓繞組灰度明顯低于高壓繞組及硅鋼芯柱灰度，可判斷低壓繞組材質為鋁，高壓繞組材質為銅；如圖5（b）所示，低壓繞組與高壓繞組圖像灰度明顯低于硅鋼芯柱灰度，并且可以看到變壓器背部導線影像，由此可以判斷高、低壓繞組皆為鋁材制造。采用電力設備材料工業CT無損檢測系統DR檢測模塊，在不破壞變壓器的情況下，對144臺配電變壓器進行檢測，發現繞組材質以鋁代銅變壓器10臺。通過檢測有效地避免了違規配變產品在電力生產中的應用。

圖5 變壓器繞組以鋁代銅DR檢測圖像

3.2 發電設備管道焊縫內部缺陷分析

隨著發電機組裝機容量的不斷增大，機組參數不斷提高，超臨界、超超臨界鍋爐成為現今發電設備熱源提供的主力，鍋爐管道采用新型高強耐熱鋼厚壁管制造，焊接缺陷嚴重威脅著發電機組的安全運行，對焊接工藝研究提出了更高的要求。通過對焊縫內部缺陷類型的準確判斷，可以分析焊接缺陷的形成原因，優化焊接工藝。而對于厚壁設備的密集型焊接缺陷，尤其一些細小的密集型缺陷，采用常規的無損檢測手段無法對其進行準確檢測。采用工業CT無損檢測系統，可以較清楚地觀測焊縫內部缺陷形狀，分析缺陷類型。圖6為某電廠P92材質的鍋爐管道取樣檢測焊層缺陷CT圖像（管道壁厚為106mm），可以清楚地觀察到焊縫內部夾渣及細小裂紋，經過測量，此斷面檢測出尺寸2~4mm的夾渣及裂紋多處。通過對焊接缺陷的精確檢測，可為焊接工藝制定及焊接過程質量控制提供有力的數據支持。

圖6 鍋爐管道焊接接頭取樣管內部缺陷分布

3.3 盆式絕緣子檢測

盆式絕緣子是GIS中的重要部件，主要起到固定母線和母線的插接式觸頭、母線對地和相間（共箱式結構）的絕緣及密封作用。盆式絕緣子采用環氧樹脂及其他添加材料，在高真空下澆鑄而成，內部不能有氣泡和裂紋等缺陷。多采用射線工業電視檢測方法進行檢測，但無法確定缺陷的準確澆鑄位置。通過電力設備材料工業CT無損檢測系統，可采用三維成像技術，對GIS絕緣子內部缺陷進行無損檢測，并實現了對GIS絕緣子內部氣孔、縫隙的定位與尺寸測量。圖7、圖8為GIS絕緣子15層1mm斷層厚度CT數據建立的三維圖像，圖中可觀察人工孔狀缺陷位置及形狀，由圖7可測量出孔徑Ф5mm缺陷徑向長度為15mm，由圖8可測量出此缺陷軸向長度為14mm。

圖7 盆式絕緣子三維徑向觀測圖

圖8 盆式絕緣子三維軸向觀測圖

4 結語

電力設備材料工業CT檢測系統是國內第一臺應用于電力設備材料的無損檢測設備，該系統設計性能指標高，檢測能力強，技術手段先進。通過現場實際運用，發現了多種設備缺陷，提高了電力部門物資檢測水平，促進了行業產品質量提升。但電力設備材料具有多樣性，檢測要求千差萬別，如何利用工業CT檢測設備，達到對不同電力設備材料的檢測要求，還需要不斷總結，在實踐中探索最佳的檢測工藝，以達到理想的檢測效果，服務于電力生產。

［1］ 張朝宗，郭志平，張朋，等.工業 CT技術和原理［M］.北京：科學出版社，2009.

［2］ 王玨，譚輝，黃亮，等.工業CT用數據采集與傳輸系統設計及實現［J］.儀器儀表學報，2009，30（4）：722-727.

［3］ 段黎明，劉元寶，吳志芳，等.基于工業計算機斷層成像技術的三維 CAD 模型重構方法［J］.計算機集成制造系統，2009，15（3）：479-486.

［4］ 全國無損檢測標準化技術委員會.無損檢測 工業計算機層析成像（CT）系統性能測試方法：GB／T29069—2012［S］.北京：中國標準出版社，2013：2-20.

Research on Nondestructive Testing System of Industrial CT in Power Equipment Material

LI Zhengli1，FENG Yunguo1，LIU Wen1，CHEN Cong1，YIN Kuilong2
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.State Grid Shandong Electric Power Materials Company，Jinan 250001，China）

In order to meet the demand of nondestructive testing of power equipment，the industrial CT nondestructive testing system for power equipment is developed.The system uses the 9MeV X-ray transillumination on the workpiece to be tested.Through the attenuation pattern and distribution of X-ray in the workpiece，the internal information of the workpiece is obtained.The data obtained is processed and the visualized by the computer.The system has functions of CT scanning，DR scanning and 3D imaging.The results are easy to store，transmit and analyze.In the industrial practice，a lot of problems such as the replacement of internal material and internal defects of power equipment materials are identified，which improved the ability of the fault detection on power equipment thus the quality of network equipment.

power equipment；industrial CT；nondestructive testing

TG115.28

：A

：1007－9904（2017）07－0039－04

2017-02-21

李正利（1969），男，工程師，從事電力生產金屬監督與電力設備無損檢測工作。