基于X射線計算機輔助成像技術的帶料管道焊縫檢測

毛國均，柴軍輝,，張子健，張小龍，呂鐘杰，薛秉康，胡 健，黃小江

(1.寧波市特種設備檢驗研究院，寧波 315048；2.寧波市勞動安全技術服務公司，寧波 315048)

在石油化工等行業，裝置中的介質一般都是通過壓力管道輸送的。由于長期在高壓(部分還有高溫)狀態下運行，壓力管道中如存在缺陷，容易發生泄漏甚至爆裂，且石油化工行業涉及的多為有毒有害易燃易爆介質，發生泄漏后極易造成二次事故而帶來較大損失，故對帶料管道缺陷隱患的在線檢測具有重要意義。隨著計算機及電子技術的快速發展，X射線計算機輔助成像檢測(CR)技術也得到了飛速發展，其優勢不僅體現在無膠片的圖像存儲和傳輸上，而且具有大的寬容度、多種圖像處理技術，以及檢測結果的直觀化，為在線檢測及缺陷隱患問題的及時發現提供了有效的解決途徑[1-5]。

某大型石化企業在停工檢修期間，罐區管道由于無法進行排料，相控陣超聲等檢測手段受檢測面需打磨和高溫影響的限制，不能有效開展檢測，在此情況下，筆者采用CR技術對帶料管道進行在線檢測，待檢管道信息如表1所示。

依據NB/T 47013.14-2016《承壓設備無損檢測 第14部分：X射線計算機輔助成像檢測》標準進行檢測。標準中對于檢測人員、檢測設備和器材、檢測技術等級、檢測工藝文件、安全要求等都有詳細規定；對于檢測時機的規定為在焊后進行CR檢測，有延遲裂紋的材料需要焊后24 h檢測;對于檢測區域的規定為焊縫金屬+焊縫邊緣5 mm的母材區域;對于表面的要求為CR檢測前目視檢測合格;對于射線能量的要求為CR檢測宜選用較低的管電壓;對于IP和金屬屏的選擇要求根據材料、透照厚度和管電壓進行;對于透照方式的規定為優先選擇單壁透照，透照方向應與工件表面法線重合，一次透照長度根據透照厚度比進行選取，其中小徑管的CR檢測要選擇雙壁雙影透照方式，曝光量通過最小灰度值試驗確定，CR檢測需要選用單絲和雙絲兩種像質計等；最后還對數字圖像質量中的對比靈敏度、分辨率、歸一化信噪比進行了相關規定。

表1 待檢管道信息

1 CR檢測原理與工藝

1.1 檢測原理

CR工作原理是用存儲屏(IP板)記錄射線影像，通過激光掃描使存儲信號轉變成光信號，再用光電倍增管將光信號轉換成電信號，然后經A/D(模/數)轉換后，輸入計算機處理，成為高質量的數字圖像。CR系統由成像板(IP)、激光掃描儀、顯示器和系統專用軟件等組成。CR系統的工作流程主要分4部分：信息采集、信息轉換、信息處理、信息記錄和存儲。

1.2 硬件系統

CR系統采用美國銳珂工業的便攜式數字CR系統，型號為HPX-PRO。

IP板采用銳珂IP成像板，銳珂IP成像板可以采用和常規X射線檢測相同的透照方式，因此和常規X射線檢測設備兼容。成像板通常有通用型(GP)，高清型(HR)，XL Blue三種型號。綜合以上幾種成像板的特點，結合實際所需，采用高清型(HR)IP板較為合適，其在有較高分辨率的同時有著較短的曝光時間，可提高檢測效率。

根據透照厚度的不同，濾光板厚度在0.52 mm間選取，在整套CR系統中，銅濾光板優于鋼濾光板，鋼濾光板優于鉛濾光板,最后選取了銅濾光板。

射線源的選擇：此次檢測管道的公稱通徑(DN)為80～450 mm，厚度為4～14 mm，雙壁透照厚度為8～28 mm，考慮到管道內均存在介質，介質密度在1 kg·L-1左右，傳統X射線機300 kV可透照范圍為DN 200 mm以內管徑(DN 200 mm管子壁厚為7 mm，考慮介質透照厚度約為40 mm)，現場也存在狹小空間等影響因素。300 kV射線機最大穿透厚度約為40 mm，伽馬源Ir192最大穿透厚度為100 mm，且設備可在狹小空間進行檢測。綜合上述因素，DN 200 mm及以下管徑的數字射線檢測，采用X射線機(丹東XXG3005)進行檢測；DN 200 mm以上管徑的數字射線檢測，采用伽馬源Ir192進行檢測。空間狹小部分射線機無法放置，也需采用伽馬源進行檢測。

1.3 “帶料”與“采用伽馬射線”對靈敏度和信噪比的影響

(1) 帶料

帶料管道一般帶有高溫介質，射線能量穿過高溫并且流動的介質到達IP板時會損失一部分能量，射線能量衰減遵循公式I=I0exp(-μt)(式中：I為穿透介質后的射線能量；I0為原射線能量；μ為衰減系數;t為材料厚度)，在帶料介質管道中，存在兩種介質衰減，使得穿透介質后的射線強度明顯降低，檢測靈敏度降低。

對于CR檢測，圖像信噪比與IP板單位面積接收到的X射線光子數成正比，而帶料管道單位面積接收到的X射線光子數少，因此圖像信噪比低。

(2) 采用伽馬射線

伽馬源能量發散，IP板吸收得到的射線能量相當于散射線穿透介質后所剩的能量，固有不清晰度大；X射線機發射的射線能量集中且穿透能力可以通過射線機參數進行調節，固有不清晰度小。其次，IP板的磷光材料對于低能射線極其敏感，在γ源和高能射線照射時產生的散射線會對圖像產生噪聲影響，造成圖像對比度下降。因此，CR采用伽馬射線檢測的靈敏度和信噪比均小于采用X射線機檢測的。

1.4 檢測工藝

不同管徑、壁厚管道的CR檢測工藝如表2所示。

單壁透照時，像質計橫跨焊縫放在被檢件區長度的1/4位置，細絲朝外，一般應置于源側，當置于IP側時，應在IP上加上“F”標志。雙壁單影透照時，像質計橫跨焊縫放在被檢件區長度的1/4位置，細絲朝外，置于IP側應在膠片上加上“F”標志。小徑管透照時，金屬絲垂直焊縫且橫跨焊縫放置。

表2 CR檢測工藝

2 對比試驗

針對所檢管道的特點，進行以下對比試驗，來驗證檢測手段的可靠性及有效性。

2.1 帶料管道和不帶料管道的對比

圖1 不帶料管道的X射線CR檢測結果(裂紋)

分別對DN 219 mm×8 mm(公稱直徑×壁厚，下同)不帶料管道和帶料管道(帶料采用油水混合懸液模擬)環焊縫利用X射線進行CR檢測。其中圖1，2，3分別為DN 219 mm×8 mm不帶料管道的X射線CR檢測結果圖像(管電壓為180 kV，透照時間為1.5 min)；圖4，5，6為DN 219 mm×8 mm帶料管道的X射線CR檢測結果圖像(管電壓為200 kV，透照時間為8 min)。

圖2 不帶料管道的X射線CR檢測結果(無缺陷)

圖3 不帶料管道的X射線CR檢測結果(夾渣)

圖4 帶料管道的X射線CR檢測結果(裂紋一)

圖5 帶料管道的X射線CR檢測結果(裂紋二)

圖6 帶料管道的X射線CR檢測結果(夾渣)

從圖1，3和圖4，6中均能發現缺陷，缺陷類型為焊接制造缺陷中的裂紋、夾渣。原始圖像中對比度較小，經過灰度拉伸后得到的圖像能夠清晰地看見缺陷位置及缺陷特點。

以上試驗結果的對比如表3所示，從表中可以看到,利用X射線對帶料管道進行CR檢測，圖像質量基本可以達到X射線CR檢測AB級的要求，且缺陷均能良好地顯示出來，檢測結果與不帶料管道的X射線CR檢測結果相差無幾，在長度方向有一定差異。

表3 帶料管道和不帶料管道的試驗結果對比

經分析認為，帶料管道環焊縫含缺陷圖像質量影響因素主要為IP板帶來的噪聲、圖像放大及介質引起的衰減。其中，影響平板探測器圖像質量噪聲的因素主要是光量子噪聲，檢測中通過連續幀疊加降噪的方法就能很好地抑制此類噪聲。圖像放大是隔熱棉使得IP板與帶料管道未完全貼緊而造成的，此時射線源側的焊縫與IP板側的焊縫到探測器的距離相差了管子的直徑，從而使得射線源側缺陷影像放大。

圖7 帶料管道DN 150 mmX6 mm的X射線CR檢測結果

2.2 帶料管道采用X射線檢測和伽馬射線檢測的對比

分別對規格為DN 150 mm×6 mm，DN 200 mm×6 mm的帶料管道環焊縫，利用X射線與γ射線進行CR檢測。圖7為DN 150 mm×6 mm帶料管道的X射線CR檢測結果圖像(管電壓為180 kV，透照時間為6 min)；圖8為DN 150 mm×6 mm帶料管道的γ射線CR檢測結果圖像(Se75，50Ci，6 min)；圖9為DN 200 mm×6 mm帶料管道的X射線CR檢測結果圖像(管電壓為200 kV，透照時間為8 min)；

圖8 帶料管道DN 150 mmX6 mm的γ射線CR檢測結果

圖9 帶料管道DN 200 mmX6 mm的X射線CR檢測結果

圖10為DN 200 mm×6 mm帶料管道的γ射線CR檢測結果圖像(Se75，50Ci，8 min)。

以上試驗結果的對比如表4所示。從表4及圖7,8中可以看出，采用X射線和γ射線對帶料管道進行CR檢測的圖像質量要求均能滿足標準要求，也均能發現寬度為1.5mm的未熔合缺陷，X射線CR檢測單絲高于γ射線CR檢測1個等級，X射線CR檢測歸一化信噪比高于γ射線CR檢測的；從表4及圖9，10的對比中可以發現，采用X射線和γ射線進行CR檢測的圖像質量均能滿足標準要求，均能發現直徑為1 mm的氣孔缺陷。

圖10 帶料管道DN 200 mmX6 mm的γ射線CR檢測結果

表4 使用不同射線源檢測帶料管道的試驗結果

2.3 帶料管道考慮和不考慮介質對透照影響的對比

分別對DN 150 mm×6 mm,DN 200 mm×6 mm的帶料管道環焊縫利用X射線進行CR檢測，一組不考慮介質對透照的影響，另一組考慮介質對透照的影響。圖11為DN 150 mm×6 mm帶料管道不考慮介質對透照影響的X射線CR檢測結果(管電壓為170 kV，透照時間為1 min)；圖12為DN 150 mm×6 mm帶料管道考慮介質對透照影響的X射線CR檢測結果(管電壓為180 kV，透照時間為6 min)；圖13為DN 200 mm×6 mm帶料管道不考慮介質對透照影響的X射線CR檢測結果(管電壓為190 kV，透照時間為1.5 min)；圖14為DN 200 mm×6 mm帶料管道考慮介質對透照影響的X射線CR檢測結果(管電壓為200 kV，透照時間為9 min)。

圖11 DN 150 mm×6 mm帶料管道未考慮介質對透照影響(170 kV，1 min)的X射線CR檢測結果

圖12 DN 150 mm×6 mm帶料管道考慮介質對透照影響(180 kV，6 min)的X射線CR檢測結果

圖13 DN 200 mm×6 mm帶料管道未考慮介質對透照影響(190 kV，1.5 min)的X射線CR檢測結果

圖14 DN 200 mm×6 mm帶料管道考慮介質對透照影響(200 kV，9 min)的X射線CR檢測結果

以上試驗結果如表5所示，從表中可以看出，如果用未考慮介質對透照影響而選取的透照參數進行CR檢測，獲取的圖像質量均達不到標準要求，即要求在現場實施CR檢測時必須考慮介質對透照的影響。

表5 帶料管道未考慮和考慮介質對透照影響的試驗結果

3 現場檢測

在對管道按檢測工藝要求進行X射線檢測時，初期檢測效果良好，均能達到檢測標準對數字射線的圖像質量要求。在后期的檢測過程中發現存在以下問題,需對檢測工藝進行調整。

(1) 射線檢測無法對DN 200 mm以上管道進行有效檢測(射線機最大管電壓為300 kV)，DN 250 mm,DN 300 mm管道壁厚均在10 mm以上，加上管道內介質，實際穿透厚度大于56 mm(按衰減系數和密度折算)，300 kV射線機產生的射線能力無法穿透管道進行有效拍片。

(2) 管道縱橫交錯，部分管道無法容納射線機的擺放，無法進行完全透照檢測，造成檢測比例不足。

(3) DN 200 mm以上帶料管道射線檢測數字底片的質量參數未能達到標準要求，實際情況如表6所示。

表6 DN200 mm以上帶料管道實際檢測結果與標準要求對比

在檢測DN200 mm以上帶料管道時,數字底片質量雖不能達到目前檢測質量要求，但也能發現一些較大的缺陷，如內凹、未熔合，未焊透等，如圖15所示。

圖15 典型缺陷的現場檢測圖像

4 結論

(1) 對帶料壓力管道采用射線計算機輔助成像檢測，能夠發現管道的內部缺陷，在管徑不大于DN 200 mm(厚度為8 mm)時，能達到現行檢測標準NB/T 47013.14-2016中AB級對像質質量的要求。

(2) 在管徑大于DN 200 mm(壁厚為8 mm及以上)時，采用γ射線對帶料管道進行檢測，數字底片質量參數無法達到標準對管道不帶料情況下的檢測質量要求；隨著管徑的增加，管道內部介質對射線的衰減吸收變強，使得檢測數字底片質量參數很難達到檢測標準的要求；在對帶料管道進行質量評定時不能排除介質的影響，應按其衰減系數和密度來計算實際透照壁厚，從而來評定數字底片的質量。

(3) 使用射線計算機輔助成像技術檢測帶料管道焊縫，在實際應用中實施，一方面解決了傳統射線檢測技術檢測效果差，甚至無法進行檢測的問題，另一方面解決了常規檢測技術給實際生產帶來的停產停運或排料的麻煩，且能使管道缺陷結果顯示客觀化、易于判定，利于在役或超期服役帶料管道的安全運行評價，具有重要的經濟和社會效益。但是在實際的檢測應用中，高填充衰減系數介質(大管徑內充滿介質)對數字射線檢測產生的影響是不可避免的。

(4) 當對設備進行在役檢測時，CR檢測技術在工作效率、檢測圖像后續分析處理和數據存儲等方面具有較大優勢，同時具有經濟性、高效性、有效性等特點，因此在滿足NB/T 47013-2015 《承壓設備無損檢測》、管道容器檢測規程的前提下，是可供選擇的高效檢測方法。