石油管線管道壁缺陷檢測的X射線背散射技術(shù)模擬

李會(huì) 李德源 閆學(xué)文 牛蒙青

摘 ?要：利用無損檢測技術(shù)確保石油管道基礎(chǔ)設(shè)施的安全性、效率、環(huán)境完整性和合規(guī)性有重要意義。文章借鑒X射線穿透能力強(qiáng)和背散射單側(cè)成像技術(shù)優(yōu)勢，并整合現(xiàn)代智能機(jī)器人技術(shù)，提出了管內(nèi)智能X射線背散射無損檢測機(jī)器人的設(shè)計(jì)概念，并采用蒙特卡洛軟件（Geant4）模擬設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的核心——X射線背散射成像系統(tǒng)，進(jìn)一步模擬了該系統(tǒng)對(duì)管內(nèi)缺陷的檢測性能。模擬結(jié)果表明，采用X射線背散射檢測技術(shù)能對(duì)管壁厚度4mm及以上缺損進(jìn)行檢測并能對(duì)1mm寬度及以上的裂縫進(jìn)行檢測，檢測系統(tǒng)還可以進(jìn)一步改進(jìn)提高分辨能力。

關(guān)鍵詞：X射線背散射成像;石油管道在線檢測;無損檢測技術(shù)

中圖分類號(hào)：TH878.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：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(yùn)營商最重要的是確保其管道基礎(chǔ)設(shè)施的安全性、效率、完整性和合規(guī)性。其中，影響鋼管壁完整性的兩個(gè)關(guān)鍵是金屬損失，即由于腐蝕或氣刨導(dǎo)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(guān)此類特征的形狀、方向和位置的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

目前常用的在線檢測工具（智能豬）中應(yīng)用了多種無損檢測技術(shù)，漏磁、渦流和超聲檢測技術(shù)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(shù)基于壁厚直接或線性測量，因此具有高準(zhǔn)確度和靈敏度;但自動(dòng)超聲在線檢測系統(tǒng)存在設(shè)備投資大、維護(hù)費(fèi)用高、缺乏自動(dòng)超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)、對(duì)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(shù)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(cè)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(shí)，放射源和探測器位于管道一側(cè)，檢測系統(tǒng)不受檢測物的幾何尺寸限制（對(duì)于擴(kuò)展或厚結(jié)構(gòu)很重要），這也是散射技術(shù)相對(duì)于透射技術(shù)的重要優(yōu)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(shù)集成在管道智能豬上對(duì)管壁厚度變化及裂縫進(jìn)行檢測的可行性。將X射線背散射成像設(shè)備搭載在管道豬上，能實(shí)現(xiàn)對(duì)深埋管道的在線檢測，同時(shí)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(nèi)X射線背散射成像系統(tǒng)，模擬了其對(duì)管壁厚度的響應(yīng)及管道裂縫寬度的響應(yīng)，為后續(xù)進(jìn)一步系統(tǒng)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)工作流程

1.1 X射線散射成像原理

X射線散射成像技術(shù)利用的康普頓散射光子對(duì)物體成像，重構(gòu)物體內(nèi)部電子密度分布[6-7]。康普頓散射檢測技術(shù)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(tǒng)由三部分組成：X射線源、X射線探測器和兩個(gè)準(zhǔn)直器組成。兩個(gè)準(zhǔn)直器開孔的大小決定了探測單元體素的體積大小。

根據(jù)Klein-Nishina模型，計(jì)算入射X射線能量分別為300，200，100 keV時(shí)，其康普頓散射截面跟角度的關(guān)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(guān)行。高能射線前向散射概率大，即大概率會(huì)穿透物質(zhì);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(jī)器人工作流程

基于X射線管內(nèi)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(tǒng)由掃描探頭、電源供應(yīng)、控制系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)其中，掃描頭由X射線源、可旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)直器、圓筒形探測器及電子與信號(hào)處理單元組成。為了提高檢測速度，通常采用多豬結(jié)構(gòu)搭載多臺(tái)散射檢測工具;也可以利用多豬中的一個(gè)豬攜帶電池供電實(shí)現(xiàn)無線電源供應(yīng)以及智能的自動(dòng)驅(qū)動(dòng)等[8]。

2 X射線背散射系統(tǒng)模擬仿真

根據(jù)GB50253-2014輸油管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[9]，輸油管道的材質(zhì)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(tǒng)建模中，管道內(nèi)直徑設(shè)為300.00mm，壁厚8.00mm。

金屬損失和裂縫可出現(xiàn)在各種幾何形狀缺陷中以及管道生命周期中的任何時(shí)間。背散射成像系統(tǒng)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(zhǔn)直器和探測器均采用圓柱形布置，具體布置如圖4所示;內(nèi)徑端準(zhǔn)直器準(zhǔn)直板間距為2.00mm。由于管道的對(duì)稱性，為防止背散射粒子不經(jīng)過準(zhǔn)直器直接進(jìn)入探測器，在探測器端面上設(shè)置鎢或鉛擋板。探測器設(shè)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(zhǔn)直器的狹縫長和寬一致。

3 模擬結(jié)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(jù)檢測樣品的厚度來選擇。針對(duì)如圖1所示的系統(tǒng)，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(tǒng)計(jì)背散射射線光子數(shù)。

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(jì)算散射135°散射光子能量Ec。探測器光子計(jì)數(shù)與鐵板厚度的關(guān)系如圖5所示：（1）入射X射線能量為4MeV和2MeV時(shí)，散射光子計(jì)數(shù)比0.5MeV的少;入射X射線能量為0.5MeV時(shí)，背散射微分散射截面大于入射X射線能量為4MeV和2MeV時(shí)的情形。（2）鐵板厚度變化<40.00mm時(shí)，入射X射線能量低時(shí)，探測到的散射光子計(jì)數(shù)與樣品厚度變化存在非單調(diào)相關(guān)現(xiàn)象;低能射線發(fā)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(qiáng)，發(fā)生背散射反應(yīng)截面小，散射計(jì)數(shù)偏少。故而背散射成像系統(tǒng)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(shí)，計(jì)數(shù)與樣品厚度接近線性相關(guān)關(guān)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(shè)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(jié)果

首先驗(yàn)證管壁無損傷時(shí)，模擬數(shù)據(jù)沿管壁的分布是均勻的。模擬結(jié)果如圖6所示，橫坐標(biāo)為探測器編號(hào)（與準(zhǔn)直器的狹縫編號(hào)一致），縱坐標(biāo)為探測器計(jì)數(shù)，紅色為擬合曲線，可見管壁無損傷時(shí)，探測器計(jì)數(shù)分布均勻。為檢測管壁厚度缺損，模擬時(shí)采用在內(nèi)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(jì)數(shù)與管壁金屬損失之間的關(guān)系，如圖7所示。入射X射線的粒子個(gè)數(shù)為109，管壁厚度缺損8.00，4.00mm時(shí)，在管壁缺損處的探測器計(jì)數(shù)明顯減少。管壁厚度缺損2.00mm時(shí)，此時(shí)探測器陣列的計(jì)數(shù)已經(jīng)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(jié)果

根據(jù)對(duì)管壁壁厚的檢測結(jié)果，預(yù)測對(duì)管壁裂縫的檢測精度也應(yīng)該在8.00mm以下。選擇對(duì)8.00mm、4.00mm、2.00mm、1.00mm的管道裂縫寬度進(jìn)行模擬（裂縫深度均為8.00mm），其模擬結(jié)果如圖8所示，四種尺寸的裂縫均在探測器計(jì)數(shù)上得到體現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果表明檢測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)1.00mm管道裂縫的檢測。

4 結(jié)論

通過蒙特卡洛模擬管道內(nèi)X射線背散射成像檢測，驗(yàn)證了將X射線背散射成像設(shè)備搭載在管道智能豬上對(duì)管壁厚度變化及裂縫進(jìn)行檢測的可行性，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)4mm及以上的管壁厚度缺損和1mm及以上的裂縫寬度進(jìn)行甄別的能力。為該項(xiàng)目的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Beller M， Uzelac N I， Barbian A.Combined Quantitative In-Line Inspection of Pipelines for Metal Loss and Cracks[C]//2006 International Pipeline Conference. American Society of Mechanical Engineers，2006：857-864.

[2]李晨光.管道焊縫無損檢測的綜合方法結(jié)合及圖像處理[D].中國石油大學(xué)，2011.

[3]Vanaei H R，Eslami A，Egbewande A.A review on pipeline corrosion，in-line inspection（ILI）， and corrosion growth rate models[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping， 2017，149：43-54.

[4]張宏亮，曹立江，李健，等.海上管道檢測用X射線爬行器的研制[J].無損探傷，2015，39（01）：31-33.

[5]Liu Z， Kleiner Y.State of the art review of inspection technologies for condition assessment of water pipes[J].Measurement，2013，46（1）：1-15.

[6]Sharma A，Sandhu B S，Singh B.Incoherent scattering of gamma photons for non-destructive tomographic inspection of pipeline[J].Applied Radiation and Isotopes，2010，68（12）：2181-2188.

[7]Abdul-Majid S，Balamesh A.Imaging corrosion under insulation by gamma ray backscattering method[C]//18th World Conference on Nondestructive Testing，2012：16-20.

[8]Shedlock D，Hammerschmidt A.X-ray backscatter device for wellbore casing and pipeline inspection：U.S.Patent 8，138，471[P].2012-3-20.

[9]GB50253-2014.輸油管道工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].