夾套管內管壁厚DR檢測技術研究及應用

王國圈* 王勝輝

（上海市特種設備監督檢驗技術研究院）

0 引言

夾套管是一種通用的換熱型伴熱管道，通過外管輸入熱水、蒸汽等熱媒保證內管中物料的溫度高于其凝固或結晶溫度。運行期間夾套管的檢測、維護工作是目前化工裝置安全發展的重要研究方向。夾套管內管的壁厚檢測一直是工程中的難題，傳統超聲波檢測方法僅能對半夾套型夾套管露出部分的內管進行壁厚檢測，對于全夾套型夾套管的內管以及半夾套型夾套管被包圍部分內管的壁厚數字射線（DR）檢測研究目前仍鮮見報道。

DR檢測是一種新興的數字化X射線檢測技術，其通過數字探測器將X射線光子轉換成數字信號，并通過獨立運算單元完成圖像轉換過程[1]。DR檢測具有射線檢測圖像成像質量高，成像速度快，曝光參數調整方便等優點，近年來，該技術在工業檢測中應用越來越廣泛。本文將DR檢測技術應用于夾套管內管壁厚測量工作，以某公司的酚醛樹脂管道為研究對象，驗證DR檢測技術應用于夾套管內管壁厚測量時的準確度。

1 實驗方法

1.1 實驗樣管

實驗樣管為2根同心嵌套的碳鋼直管段模擬夾套管，其中2根內管的規格分別為 34 mm ×3.5 mm，34 mm ×4.5 mm。

1.2 內管測厚方法

實驗所用DR檢測設備及其基本參數可見表1，實驗設備采用平板探測器及微焦點射線機[2]，透照方式采用垂直透照，如圖1所示。由于被照射工件與DR成像板之間存在一定距離，導致探測器實際獲取的圖像與待測件尺寸之間存在一定的放大倍數。為了提高測量準確性，通過測量待檢工件上已知尺寸部位的像素值，計算出單位長度表征的像素值，再測量工件壁厚的像素值，進而得出其壁厚值。

表1 DR檢測設備及參數

圖1 DR透照方式示意圖

2 實驗結果與討論

2.1 參照試樣測量法

參照試樣測量法是將已知尺寸的試樣與工件同時曝光，以該試樣作為尺寸校準參照物。以直徑為10 mm的鋼球為參照試樣，與夾套管同時進行X射線照射，在高能量和低能量狀態下分別曝光并獲取圖像，如圖2所示。由圖2 a）可知，射線能量較低時，夾套管外管和鋼球的輪廓清晰可見，通過測量外管外直徑的像素值和鋼球直徑的像素值可以計算出測量過程中單位標尺所對應的像素值。圖2 b）為試樣在高曝光能量時獲得的圖像，在該條件下僅能觀察到夾套管內管影像，外觀部分由于射線能量過高而過度曝光。將低能量和高能量狀態圖像疊加，可以測得夾套管內管的壁厚數值，如圖3所示，其中圖3 a）為參照試樣法的尺寸校準示意圖，圖3 b）為參照試樣法壁厚測量示意圖。

圖2 試樣曝光圖像

圖3 試樣尺寸校準及壁厚測量示意圖

2.2 參照本體測量法

將夾套管外管作為參照試樣，使用游標卡尺測量夾套管外管的直徑，并將其作為校準參照尺寸。對夾套管進行X射線照射，獲取高能量和低能量狀態下的曝光圖像，如圖4所示。通過圖像疊加，將低能量模式下圖像外管直徑設置為游標卡尺測量尺寸，進行圖像標尺標定，然后通過圖像像素數測量獲得夾套管內管的壁厚值，如圖5所示。

圖4 度樣曝光圖像

圖5 本體尺寸校準及測量示意圖

2.3 透射能量確定

使用Maestro軟件實時調節射線機的管電壓和管電流，進而確定最佳曝光能量。由前述壁厚測量方法可知，低能量狀態下獲取的圖像主要用來確定對比部位的輪廓尺寸，因此進行低能量曝光時，只需要獲取圖像的外部清晰輪廓即可。圖6所示為低能量曝光管電流為1 mA，管電壓分別為50，120 kV時的DR曝光圖像。由圖6可知，管電壓越低圖像輪廓越清晰，且隨著管電壓增大，參照物的鋼球影像逐漸變淡。因此，低能量曝光管電壓選取50 kV。

圖6 低能量曝光管電流為1 mA時的圖像

高能量曝光過程的管電壓確定過程相對復雜，需要使射線能量穿透外管但又不燒穿內管。通過Maestro軟件連續調節管電壓，觀察所獲取曝光圖像的質量，直至圖像上外管影像消失或基本消失，而內管兩側管壁輪廓可清晰分辨，此時的管電壓即可確定為滿足要求。圖7所示為管電流為1 mA，管電壓分別為220，240 kV時獲取的DR曝光圖像。由圖7可知，隨曝光管電壓增大，內管影像越來越清晰，外管影像變淡，甚至消失。因此，高能量曝光管電壓應選擇220 kV。

圖7 高能量曝光管電流為1 mA時的圖像

2.4 壁厚測量準確性

采用上述高、低能量對兩種規格的實驗樣管進行X射線照射成像，照射管電壓分別為220，50 kV，管電流為1 mA。對所獲取的圖像進行壁厚測量，結果如表2所示。其中夾套管內管規格的數據為游標卡尺測量結果，精度為0.02 mm。使用參照試樣測量法時，鋼球側DR檢測壁厚為4.63 mm，與游標卡尺測量的結果（4.80 mm）相比，檢測誤差為-3.5%；無鋼球側DR檢測壁厚為4.53 mm，與游標卡尺測量的結果（4.68 mm）相比，檢測誤差為-3.2%，結果較為吻合。使用參照本體測量法時，左側的DR檢測壁厚為3.11 mm，與游標卡尺測量的結果（3.16 mm）相比，檢測誤差為-1.6%；右側的DR檢測壁厚為3.17 mm，與游標卡尺測量的結果（3.20 mm）相比，檢測誤差為-0.9%，檢測結果誤差小，更為準確。

表2 實驗樣管內管壁厚的DR測量結果

3 檢測應用

3.1 檢測工件

以上海化學工業區某公司的酚醛樹脂管道帶夾套的彎頭和三通為主要檢測應用對象。該管道內介質為酚醛樹脂，外管使用介質為蒸汽。夾套管規格參數如表3所示。

表3 現場所檢夾套管的參數

3.2 檢測結果

現場檢測采用參照試樣測量法，以10 mm直徑的鋼球作為參照試樣。以低能量和高能量管電壓對鋼球和待檢工件同時進行曝光，所獲取的圖像如圖8所示。

圖8 低能量和高能量電壓曝光測量

對所獲得的圖像進行處理，并進行壁厚測量，測得的壁厚數據可見表4。

表4 夾套管DR檢測應用結果

為了進一步驗證DR測量內管壁厚準確性，采用超聲波測量三通支管內管的壁厚，測量方式如圖9所示。在DR檢測的相同部位進行超聲波測量，結果為3.90 mm。考慮到管道的外徑為 89 mm，公稱壁厚為4.0 mm，探頭的晶片直徑為 6 mm，通過勾股定理計算得到最大間隙δ為0.11 mm。超聲探頭與曲面內管壁間隙內填充耦合劑，超聲波在耦合劑中的聲速約為1 500 mm/s，內管為不銹鋼材質，超聲波在不銹鋼中聲速約為5 800 mm/s，因此超聲波在耦合劑中傳播距離δ時產生的測量誤差 為：

圖9 超聲波測厚示意圖

因此，通過上式可以得出超聲波在耦合劑中傳播距離為δ時產生的測量誤差為0.43 mm，修正后的超聲波測量結果為3.47 mm。與DR測厚的結果相比，鋼球測誤差為-2.0%，無鋼球測誤差為1.4%。進一步說明了DR檢測對于夾套管內管壁厚測量的可行性和準確性。

4 結論

通過DR壁厚檢測的實驗研究及現場檢測應用結果可以得出以下結論。

（1）采用DR檢測對夾套管的內管壁厚進行測量是可行的，且測量誤差較小。

（2）參照試樣測量法和參照本體測量法的測量結果接近，與實際結果較為吻合。

（3）采用DR檢測對夾套管進行壁厚測量時，單一角度透照只能測量夾套管兩側位置的壁厚，若要進行大范圍測量，需要進行多角度透射。