核電行業射線檢測數字化的關鍵問題和技術

劉 順，華雄飛，陳 衡，羅 杰，李 明，蘇海敏

(中廣核檢測技術有限公司，蘇州 215021)

射線檢測技術是核電廠無損檢測的主要方法之一。核電廠射線檢測存在的主要問題有：傳統膠片成像技術占主導，檢測流程復雜，工作效率低；核電檢測標準保守，人員技能要求高；底片存儲量大，數字化程度低，不易遠程共享與查閱；放射源使用安全風險系數高，現場管控難度大；檢測設備長周期、大數據管理，數字化系統建設的迫切需要。隨著計算機圖像處理技術和大數據平臺的迅猛發展，核電廠目前廣泛使用的傳統射線檢測技術迫切需要更新換代和技術升級，射線檢測需要全面走向數字化、智能化、高效化。

1 現場技術提升

射線檢測方法數字化轉變是核電廠射線檢測發展的必然趨勢，基于核安全文化的需要和被檢部件的特征，膠片技術與數字化成像技術相結合是現階段核電行業可選擇的代替傳統膠片成像技術的理想方式。常見的數字射線成像系統如圖1所示，傳統膠片技術、CR(計算機輔助成像檢測)/DDA(數字探測器陣列檢測)技術及CT(計算機斷層掃描)技術的優缺點對比如表1所示[1-5]。

圖1 數字射線成像系統實物

表1 傳統膠片技術、CR/DDA技術及CT技術的優缺點對比

1.1 數據采集裝置研究與開發

核電廠射線檢測環境復雜、空間狹窄，數字射線成像系統所用數據采集裝置需滿足核電廠現場檢測的要求。DDA成像系統所用平板探測器的開發主要有：① 像素尺寸精細化；② 適用于γ射線平板探測器的開發；③ 管道自動射線檢測工裝的開發。CR成像系統所用IP板的開發主要有：① 像素尺寸細化、信噪比提升；② IP板規格尺寸多樣化；③ 柔性類似膠片，分辨率提升。數字射線成像系統采集裝置如圖2所示。

圖2 數字射線成像系統采集裝置

其中,配套Ir192γ射線源的DDA成像系統可適合于核電廠現場管道焊縫和閥門鑄件等部件的檢測，能滿足厚度大于10 mm的碳鋼檢測要求，但不適用于穿透厚度10 mm以下的鋼制類部件，對于大壁厚部件的檢測靈敏度還達不到膠片水平，如壁厚大于60 mm的鋼制焊縫。

1.2 冷陰極X射線成像技術

“冷陰極” 是指電子管中不用加熱的方式而發射電子的陰極，常利用高導電率的場發射優良材料(碳納米)作為冷陰極來制作冷陰極X射線管。冷陰極X射線機的核心部件是利用尖端放電原理所研制的針葉樹型碳納米結構冷陰極管，冷陰極X射線機與常用熱陰極X射線機的性能對比如表2所示，冷陰極X射線機實物如圖3所示。

冷陰極X射線數字成像系統的主要特點有：焦點尺寸小(1mm)，可明顯提升射線檢測靈敏度；適用于小壁厚工件，可彌補Ir192源透照厚度的下限(鋼制焊縫厚度小于10 mm )；環境劑量小，可顯著降低人員誤照射的幾率，在155 kV電壓測試的情況下，冷陰極射線發射端正對面6 m處測得的劑量率為1.34 μSv·h-1，環境劑量率變化如圖4所示，滿足核電站對射線探傷中劑量邊界小于2.5 μSv·h-1的要求，冷陰極數字射線成像技術使用中的邊界范圍可大幅度縮小，已可實現白天探傷和交叉作業。

表2 冷陰極X射線機與常用熱陰極X射線機的性能對比

圖3 冷陰極X射線機實物

圖4 冷陰極X射線檢測中環境劑量的測試示意

1.3 管道數字化自動檢測技術

集成管道自動爬行裝置和γ射線源的DR檢測系統，可滿足不同規格管道射線數字成像檢驗的任務，獲得的數字圖像可實現無漏檢自動拼接，設備體積小、整體重量輕、操作靈活。管道半CT掃描成像技術可實現三維重構，基于斷層掃描可精確檢測缺陷形貌；分辨率和對比度高，對被檢部件內部結構尺寸可完成精密無損測量；通過立體測量缺陷尺寸，能準確判定缺陷的類型。管道數字化自動檢測技術是核電廠射線檢測向數字化、智能化、高效化轉變的必要途徑。管道數字化自動檢測技術裝置實物圖片如圖5所示。

2 數據處理與分析

2.1 射線底片數字化處理

核電廠底片數字化處理技術建設的需要主要體現在以下方面：群廠底片數據信息整合；數字化存儲與管理；遠程查閱與云平臺資源共享；核安全文化建設需求等。底片數字化基本處理技術(見圖6)主要包括底片疊加與搓片、底片拼接、缺陷與字碼自動識別等，主要實現的功能有：底片的自動疊加和搓片微調，使缺陷輪廓明顯，便于評定；數字化底片的無縫拼接，滿足底片整體評定低漏檢率的要求；自動標記缺陷位置，輔助評定；字碼的獲取與識別，以及底片的智能歸類存儲，便于后續底片的檢索與對比。

圖5 數字射線成像系統采集裝置實物圖片

圖6 底片數字化基本處理技術

底片數字化建模查重技術是基于底片數字化基本處理技術，對底片數字化后圖像進行數據提取和建模，進而實現底片查重的功能，如圖7所示。依據黑度漲落實現2D-3D的轉換，將缺陷處的信號進行歸納建模，選取基準黑度，分析噪聲并進行去噪處理。根據三維模型，進行黑度數據漲落和缺陷輸出信號轉變的對比，從而實現三維模型的查重功能。

圖7 底片數字化建模查重技術實現路徑

2.2 數字成像與分析軟件開發

數字成像軟件系統包含數據采集與圖像分析兩大部分。采集到的數據傳輸到圖像分析軟件中，可通過軟件處理來調整窗寬-窗位，增強局部像質。信噪比和空間分辨率是表征數字圖像質量的重要指標，信噪比測量決定了成像系統對缺陷的檢出能力；空間分辨率決定了細小缺陷的區分能力，其可用雙絲像質計來測量。圖像分析軟件必須具備信噪比和空間分辨率的分析測量能力，同時尺寸測量是輔助評定的重要功能。軟件具有的缺陷識別功能可實現缺陷的自動標記、放大、篩查、甄別及輔助評定；降噪處理技術可增強缺陷的識別能力；水印功能可對數字圖像進行標識區分、智能歸類與存儲。數字成像軟件系統功能如圖8所示。

圖8 數字成像軟件系統功能

2.3 射線檢查過程數據監控與處理

圖9 射線數字化區域監控與處理

傳統射線檢測中，對放射源的過程管控時有失效事件發生。而射線檢測數字化要求對放射源實現在線監控，基于監管平臺的區域監控系統(見圖9)，集現場區域劑量、視頻監測于一體，通過數據管理平臺實現了數據的存儲和交換，能對放射源進行定位追蹤和異常狀態報警。即，對現場放射源的使用、檢測區域劑量狀態、工作過程及異常等進行信息化管理和實時監控，實現監測信息化、自動化和網絡化，提高監測和決策的科學性。

3 設備長周期管理

核電廠射線檢測設備管理主要依靠臺賬和紙質文件，設備狀態依靠人為記錄和跟蹤，長周期管理流程繁瑣，需要投入大量的人力和物力,同時設備狀態不易查詢跟蹤和監督，易導致設備的維護與保養缺乏針對性。因此，檢測設備信息管理平臺的開發與建設是解決這些問題的有效措施，某信息管理平臺的界面示例如圖10所示。

放射源信息管理能實現對放射源從采購、使用到報廢的全過程監控，主要包括放射源新增管理、基本臺賬、運行管理、統計分析、許可證管理、維護等多方面的數字化管控，即實現放射源從入場入庫、使用、運輸交接、報廢、盤點等長周期的數字化管理。

圖10 檢測設備信息管理平臺界面示例

生產設備信息管理能實現對生產設備的全流程管控，包括從立項、方案設計、制造、裝配調試、驗收、移交、服役到退役的全過程和長周期管控，以保證生產設備的質量。

設備全壽期管理能實現對使用中的設備從采購入庫、領用、維保與報廢的全過程管理，對設備狀態進行多方位、全壽期的管控，管控中通過操作日志信息、年度維保計劃、設備維保記錄、設備維修記錄、設備改造計劃、設備改造記錄等，保證設備長周期處于受控狀態，其全壽期管理模塊如圖11所示。

圖11 檢測設備全壽期管理模塊

4 結語

融合射線檢測現場技術提升、數字成像及分析軟件開發以及設備長周期管理于一體的綜合性射線數字化技術，對核電行業進行綜合改進和升級，可使射線檢測全面走向智能化、數字化、高效化，推動核電行業射線數字化管理平臺的建設，其具體措施如下：

(1) 通過對數字射線成像技術的開發和優化，大力推動核電廠射線檢測由傳統膠片成像技術邁向數字射線成像技術；

(2) 通過數字成像及分析軟件開發，實現射線檢測結果的數字化處理和檢測過程的數據監控，建設射線數字化大數據平臺；

(3) 通過檢測設備信息管理平臺的開發與建設，實現檢測設備的全壽期、長周期管理。