電力設備材料工業CT無損檢測系統研制及應用

劉文 譚輝

摘 要：基于電力材料無損檢測的需求，人們研制開發出電力材料9 MeV工業無損檢測系統。系統檢測的工件最大尺寸為[Φ]1 500 mm×1 500 mm，空間分辨率達到2.5 LP/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0.05 mm，可檢測鋼材料中最小裂紋寬度0.02 mm，可檢測金屬中最小氣孔直徑0.3 mm。該系統具有III代CT掃描、II代CT掃描、DR掃描、三維重構成像等功能，可用于電力設備材料內部材質識別以及發現電力設備材料的內部缺陷等。

關鍵詞：電力材料;工業CT;鋁代銅

中圖分類號：TM507文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）05-0070-03

Abstract： Based on the requirements of non-destructive testing of power materials， people have developed a 9 MeV industrial non-destructive testing system for power materials. The maximum size of the workpiece detected by the system is[Φ]1 500 mm × 1 500 mm， the spatial resolution is 2.5 LP/mm， the relative density resolution is 0.3%， the DR sensitivity is 0.8%， and the geometric dimension measurement accuracy is 0.05 mm， which can detect the smallest crack width in steel materials of 0.02 mm， and the smallest pore diameter in metal of 0.3mm. The system has III-generation CT scan， II-generation CT scan， DR scan， 3D reconstruction imaging and other functions， which can be used to identify internal materials of power equipment materials and find internal defects of power equipment materials.

Keywords： power material;industrial CT;aluminium （Al） replace cuprum （Cu）

根據國家電網公司每年物資質量監督工作發現問題的通報，部分配電變壓器供應商為了獲取更多的利潤，在生產過程中存在偷工減料、減少銅線線規以及以鋁代銅等現象，導致變壓器損耗超標，從而造成巨大的電量損失。目前，采用抽檢有損方式對配電變壓器進行檢驗，效率較低。

電力行業設備包括發電設備、輸變電設備、配電設備和用電設備等，種類眾多，材料多樣，內部缺陷種類和存在形式也多種多樣，如構件焊接缺陷、電纜斷股、連接件損傷、零件缺失、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。

工業CT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[1-3]。在我國，經過多年的設備改進和實踐應用，工業CT也逐漸從一種無損檢測技術發展為一種無損評估手段，各行各業對工業CT的需求呈現越來越高的趨勢。

對于電力設備變壓器內部材質異常以及缺陷定性、定位等檢測難題，傳統無損檢測手段存在技術壁壘，而工業CT檢測系統的引入完美地解決了這個難題，開創了工業CT技術應用于我國電力行業的先河。

1 系統原理與結構

工業CT是在射線檢測的基礎上發展起來的，其基本原理是當經過準直且能量[I0]的射線束穿過被檢物時，根據各個透射方向上各體積元的不同衰減系數，探測器接收到的透射能量[I]也不同。按照一定的圖像重建算法，即可從被檢工件截面獲得一薄層無影像重疊的斷層掃描圖像，重復上述過程又可獲得一個新的斷層圖像，當測得足夠多的二維斷層圖像時，人們就可重建出三維圖像。當單能射線束穿過非均勻物質后，其衰減遵從比爾定律，即

一幅[M×N]個像素組成的圖像，必須有[M×N]個獨立的方程才能解出衰減系數矩陣內每一點的[μ]值。當射線從各個方向透射被檢物體，通過掃描探測器可得到[M×N]個射線計數和值，按照一定的圖像重建算法，即可重建出[M×N]個[μ]值組成的二維CT灰度圖像。

如圖1所示，電力設備材料工業CT無損檢測系統為立式結構布局，采用大底板（基礎平臺）作為檢測裝置安裝基礎，雙立柱分別為射線源和探測器提供支撐及運動平臺。整個系統由電子直線加速器系統、探測采集傳輸系統、控制系統、圖像系統、射線輻射安全防護及監控系統等組成。

電力材料9MeV工業CT無損檢測系統的核心部分是射線源系統、探測器系統和圖像重建系統。

1.1 射線源系統

射線源主體是駐波電子直線加速器，用于產生重復頻率的高能脈沖X射線，為工業CT掃描提供高能、高強度、穩定的X射線。射線源系統主要由X射線機頭、調制器、恒溫水冷系統、控制器、安全連鎖裝置等組成。其中，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、探測采集傳輸系統的時空同步協調控制。

該系統產生的高能X射線能量達到9MeV，焦點≤1.5 mm，劑量率≥3 000 cGy/（min·m），同步脈沖頻率為50～250 Hz。

1.2 探測采集傳輸系統

探測器系統是工業CT檢測系統的重要組成部分，其性能直接影響整個CT設備的圖像質量。電力設備材料工業CT無損檢測系統采用線陣列探測器，線陣列探測器由多個探測器單元組成，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[4]。

如圖2所示，探測器系統包括后準直器、線性探測器陣列（LDA）、信號調理與轉換單元、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20bit，有效動態范圍≥10 000∶1，傳輸速率≥4 Mbps。

1.3 圖像重建處理系統

圖像重建處理系統對掃描獲得的數據進行整理、校正、處理，經過重建可顯示DR圖像、CT圖像、三維立體圖像等，并通過計算機軟件配套功能，分析和確認圖像細節特征。

圖像重建處理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、二維處理與顯示、三維處理與顯示、逆向設計等幾大部分[5]。

2 系統性能指標

電力材料9MeV工業CT無損檢測系統主要指標性能包括空間分辨率、密度分辨率等。

2.1 空間分辨率

空間分辨率采用標準的線對卡測試方法，測試方法參照《無損檢測 工業計算機層析成像（CT）系統性能測試方法》（GB/T 29069—2012），設計指標為2.5 LP/mm，如圖3所示。

2.2 密度分辨率

密度分辨率的測試采用圓盤法，可參照《無損檢測 工業計算機層析成像（CT）系統性能測試方法》（GB/T 29069—2012），其可達0.3%，如圖4所示。

2.3 最小可檢測裂紋

采用圓盤金屬工件，并在其中設置0.01～0.09 mm 8組裂紋，分析重建后的CT圖像，可以清晰分辨0.02 mm裂紋。

2.4 尺寸測量精度測試

尺寸測量精度的測試通過圓柱半徑測量和塊規尺寸測量完成，測試方法參照無損檢測 工業計算機層析成像（CT）系統性能測試方法》（GB/T 29069—2012），測試結果顯示，尺寸測量精度達到0.05 mm。

2.5 CT圖像重建

利用此平臺，對幾組典型工件進行CT圖像重建（見圖5），重建圖像清晰，完全能夠滿足工業無損檢測要求。

3 結論

電力材料9MeV工業CT無損檢測系統是在多年從事CT技術研究和工業CT設備制造的基礎上，我國科研人員利用掌握的核心技術，吸收國外先進技術研制完成的，其系統性能指標達到國內已應用高能工業CT系統的領先水平。同時，該系統的設計考慮了多種產品無損檢測的需要，檢測范圍大，多種掃描方式兼顧，具有較高的性價比和先進性。

該系統主要應用于電力設備材料的無損檢測和質量評價。通過電力設備材料無損檢測技術的研究與應用，人們可以完成配電變壓器的線圈材質無損判別，提高供應商產品質量管控意識，杜絕配電變壓器線圈以鋁代銅現象。同時，可在使用前發現電力設備材料的內部缺陷，保障電網的安全運行，提升電網公司的社會形象和經營效益。

參考文獻：

[1]Ramakrishna G S，Urnesh Kumar，Datta S S，et a1.Design and Applications of Computed Industrial Tomograpic Imaging System （CTIS）[C]//Proceedings of 14th World Conference on NDT.1996.

[2]Dastarac D.Industrial Computed Tomography：Control and digitalization[EB/OL].（1999-10-16）[2020-01-12].http：//www.ndt.net/v04n09.htm.

[3]王召巴，金永.高能X射線工業CT技術的研究進展[J].測試技術學報，2002（2）：79-82.

[4]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（4）：722-727.

[5]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（3）：479-486.