石油管線管道壁缺陷檢測的X射線背散射技術模擬

李會 李德源 閆學文 牛蒙青

摘 ?要：利用無損檢測技術確保石油管道基礎設施的安全性、效率、環境完整性和合規性有重要意義。文章借鑒X射線穿透能力強和背散射單側成像技術優勢，并整合現代智能機器人技術，提出了管內智能X射線背散射無損檢測機器人的設計概念，并采用蒙特卡洛軟件（Geant4）模擬設計了系統的核心——X射線背散射成像系統，進一步模擬了該系統對管內缺陷的檢測性能。模擬結果表明，采用X射線背散射檢測技術能對管壁厚度4mm及以上缺損進行檢測并能對1mm寬度及以上的裂縫進行檢測，檢測系統還可以進一步改進提高分辨能力。

關鍵詞：X射線背散射成像;石油管道在線檢測;無損檢測技術

中圖分類號：TH878.1 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）24-0138-03

Abstract： The use of non-destructive inspection techniques to ensure the safety， efficiency， environmental integrity and compliance of oil pipeline infrastructure is very important. This paper proposes the concept of an intelligent X-ray backscattering nondestructive in-line inspection robot using the advantages of the high penetrating ability of X-rays， the single-sided arrangement of backscattering imaging technology and the modern intelligent robot technology. The Monte Carlo software （Geant4） has been used to model and design the core of the proposed X-ray backscatter imaging system， and further used to simulate the detection performance of defects. The simulation results show that the X-ray backscattering detection technology can detect the variation of the defects of wallswith a thickness of 4 mm and above and the cracks with a width of 1 mm and above in the pipe. The detection system could be further improved in resolution.

Keywords： X-ray backscatter imaging; in-line inspection of petroleum pipelines; nondestructive testing technology

引言

管道運營商最重要的是確保其管道基礎設施的安全性、效率、完整性和合規性。其中，影響鋼管壁完整性的兩個關鍵是金屬損失，即由于腐蝕或氣刨導致的管壁變薄，以及裂縫[1]。這就需要一種在線檢測工具能夠測定管道尺寸和定位管道壁的各種特征并提供有關此類特征的形狀、方向和位置的準確數據。

目前常用的在線檢測工具（智能豬）中應用了多種無損檢測技術，漏磁、渦流和超聲檢測技術原理均可用于探測金屬損失和管道尺寸測量[1，3];其中超聲在線檢測技術基于壁厚直接或線性測量，因此具有高準確度和靈敏度;但自動超聲在線檢測系統存在設備投資大、維護費用高、缺乏自動超聲檢測標準、對操作人員要求高等不足。另一方面，超聲檢測不適合焊縫處的檢測，而X射線檢測不受焊縫的影響[3-4]。X射線檢測技術比較成熟，但透射檢測放射源和探測器要分別位于檢測管道的兩側不適合深埋管道的檢測，而基于康普頓散射原理的X射線檢測時，放射源和探測器位于管道一側，檢測系統不受檢測物的幾何尺寸限制（對于擴展或厚結構很重要），這也是散射技術相對于透射技術的重要優勢，故而基于散射原理的X射線檢測適合深埋管道的檢測[5-6]。

本文研究基于X射線背散射成像的無損檢測技術集成在管道智能豬上對管壁厚度變化及裂縫進行檢測的可行性。將X射線背散射成像設備搭載在管道豬上，能實現對深埋管道的在線檢測，同時又不影響管道輸送原油。采用蒙卡模擬軟件Geant4建立了管道內X射線背散射成像系統，模擬了其對管壁厚度的響應及管道裂縫寬度的響應，為后續進一步系統優化奠定了基礎。

1 系統工作流程

1.1 X射線散射成像原理

X射線散射成像技術利用的康普頓散射光子對物體成像，重構物體內部電子密度分布[6-7]。康普頓散射檢測技術利用康普頓散射光子來獲得材料密度信息;如圖1所示，探測系統由三部分組成：X射線源、X射線探測器和兩個準直器組成。兩個準直器開孔的大小決定了探測單元體素的體積大小。

根據Klein-Nishina模型，計算入射X射線能量分別為300，200，100 keV時，其康普頓散射截面跟角度的關系如圖2所示。可見散射截面與入射光子的能量和角度非常大的相關行。高能射線前向散射概率大，即大概率會穿透物質;低能射線，背散射概率大。

1.2 智能X射線背散射無損檢測機器人工作流程

基于X射線管內檢測裝置可搭載在管道檢測智能豬上，如圖3所示，散射檢測工具系統由掃描探頭、電源供應、控制系統及冷卻系統組成，其系統結構其中，掃描頭由X射線源、可旋轉準直器、圓筒形探測器及電子與信號處理單元組成。為了提高檢測速度，通常采用多豬結構搭載多臺散射檢測工具;也可以利用多豬中的一個豬攜帶電池供電實現無線電源供應以及智能的自動驅動等[8]。

2 X射線背散射系統模擬仿真

根據GB50253-2014輸油管道設計標準[9]，輸油管道的材質一般都是20#鋼，輸油管道直徑范圍大致300～1000mm[10]，背散射成像系統建模中，管道內直徑設為300.00mm，壁厚8.00mm。

金屬損失和裂縫可出現在各種幾何形狀缺陷中以及管道生命周期中的任何時間。背散射成像系統建模中，采用在管道上挖槽來表示缺陷，槽的不同深度表示金屬損失，槽的不同寬度表示裂縫寬度。

準直器和探測器均采用圓柱形布置，具體布置如圖4所示;內徑端準直器準直板間距為2.00mm。由于管道的對稱性，為防止背散射粒子不經過準直器直接進入探測器，在探測器端面上設置鎢或鉛擋板。探測器設為理想探測器，探測器陣列沿圓柱面布置，探測器長和寬與準直器的狹縫長和寬一致。

3 模擬結果

3.1 入射X射線的能量

入射X射線能量的選擇需要根據檢測樣品的厚度來選擇。針對如圖1所示的系統，采用Geant4建立模型模擬不同能量的X射線入射到不同厚度的鐵板上，統計背散射射線光子數。

采用4MeV、2MeV、1MeV等不同能量的X射線入射到5.00～40.00mm厚度的鐵板上，可以計算散射135°散射光子能量Ec。探測器光子計數與鐵板厚度的關系如圖5所示：（1）入射X射線能量為4MeV和2MeV時，散射光子計數比0.5MeV的少;入射X射線能量為0.5MeV時，背散射微分散射截面大于入射X射線能量為4MeV和2MeV時的情形。（2）鐵板厚度變化<40.00mm時，入射X射線能量低時，探測到的散射光子計數與樣品厚度變化存在非單調相關現象;低能射線發生多次散射無法獲得首次135°散射光子。（3）高能X射線穿透能力強，發生背散射反應截面小，散射計數偏少。故而背散射成像系統需要采用合適的X射線能量。

入射X射線能量0.5MeV以上，樣品厚度15.00mm以下時，計數與樣品厚度接近線性相關關系;管道檢測背散射成像的模擬中，由于管道壁厚<15mm，故而，下文的模擬中入射X射線能量設置為0.5MeV，X射線沿管壁各向同性垂直入射到管壁。

3.2 壁厚檢測結果

首先驗證管壁無損傷時，模擬數據沿管壁的分布是均勻的。模擬結果如圖6所示，橫坐標為探測器編號（與準直器的狹縫編號一致），縱坐標為探測器計數，紅色為擬合曲線，可見管壁無損傷時，探測器計數分布均勻。為檢測管壁厚度缺損，模擬時采用在內管壁上挖100.00mm寬，深分別8.00mm、4.00mm和2.00mm帶狀槽表示管壁缺損，分析探測器的計數與管壁金屬損失之間的關系，如圖7所示。入射X射線的粒子個數為109，管壁厚度缺損8.00，4.00mm時，在管壁缺損處的探測器計數明顯減少。管壁厚度缺損2.00mm時，此時探測器陣列的計數已經無法反映管壁厚度的缺損。故而4.00mm及以上的管壁厚度缺損可以被檢測出。

3.3 裂縫寬度檢測結果

根據對管壁壁厚的檢測結果，預測對管壁裂縫的檢測精度也應該在8.00mm以下。選擇對8.00mm、4.00mm、2.00mm、1.00mm的管道裂縫寬度進行模擬（裂縫深度均為8.00mm），其模擬結果如圖8所示，四種尺寸的裂縫均在探測器計數上得到體現，計算結果表明檢測系統能夠實現對1.00mm管道裂縫的檢測。

4 結論

通過蒙特卡洛模擬管道內X射線背散射成像檢測，驗證了將X射線背散射成像設備搭載在管道智能豬上對管壁厚度變化及裂縫進行檢測的可行性，并且實現了對4mm及以上的管壁厚度缺損和1mm及以上的裂縫寬度進行甄別的能力。為該項目的進一步研究奠定了基礎。

參考文獻：

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[9]GB50253-2014.輸油管道工程設計標準[S].