X射線檢測技術在動車組零部件檢測中的應用

劉云龍，管 斌

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

X射線數字成像技術是近年來發展起來的一種新型射線無損檢測技術，X射線透過檢測對象后經過射線探測器將X射線檢測信號轉換為數字信號為計算機所接收，形成數字圖像。通過觀察檢測圖像，根據工作經驗和相關標準進行缺陷評定，可達到缺陷狀態評價的目的[1]。

高速動車組中使用的電氣電子零部件眾多，利用X射線技術，可以檢測零部件內部一些通過一般檢查難以發現的缺陷，從而消除一定失效風險，降低零部件失效概率，提升車輛運行可靠性。

1 X射線檢測原理及應用

X射線檢測技術利用射線穿透物質時的衰減程度與密度和厚度相關的特性，實現物質的成像。

當X射線穿透物體時其衰減情況為：

(1)

當物體密度均勻時，上式可簡化為：

I=I0e-μd

式中：I——X射線穿透物體衰減后的射線強度；

I0——入射射線的初始強度；

μ——單位厚度物質的衰減系數；

d——物質的厚度。

由上可知，X射線在透射物質時，由于物質對射線吸收程度的不同使得透射過物質后射線的強度也會有所差異，這種差異反應了物質的一部分特征(或者信息)，成像單元檢測到這種差異并將這種差異記錄下來，即形成了X射線圖像，這種差異反應在X射線圖像中就是圖像灰度值的明暗程度的差別。檢測人員則根據獲取的X射線圖像來對被檢測物體進行檢測，這就是X射線無損檢測的基本原理。

X射線檢測通常分為計算機層析成像技術(Computed Tomography，簡稱CT)、計算機X射線成像檢測技術(Computed Radiography，簡稱CR)和數字化X射線成像檢測技術(Digital Radiography，簡稱DR)，根據不同特點分別應用在不同場景中。

2 X射線檢測的優勢

(1) X射線檢測可以發現零部件內部無法直觀檢查出的缺陷；

(2) 可以獲得缺陷的直觀圖像，缺陷定性、定量準確，圖像也可長期保存；

(3) 體積型缺陷(氣孔、夾渣等)檢出率較高；

(4) 對被測物表面光潔度沒有嚴格要求，材料晶粒度對檢測結果影響不大，可以適用于各種材料內部缺陷檢測。

3 應用案例

3.1 高壓線纜終端檢測

高壓線纜終端用于從高壓箱隔離開關間的車頂高壓連接，由導體引出棒(銅合金材質)、半導電層(硅橡膠材質)、硅膠絕緣層(硅橡膠材質)等幾部分組成。由于制造工藝問題，部分終端在半導電層與導體引出棒之間存在剝離現象，或者在絕緣層橡膠內存在氣孔。這2種缺陷均無法通過外觀及電性能測試所發現，且有可能在車輛運行過程中導致高壓終端絕緣層的絕緣性能下降或失效，引起終端擊穿，造成車輛故障。

使用X射線檢測，可以在終端生產完成或終端與線纜組裝結束階段，對上述缺陷進行檢驗。采用的檢測方式既可以使用基于CT技術的檢測系統建立完整的零部件投影模型，也可以使用基于DR技術的便攜式X光設備拍攝多角度的零部件平面圖像。

3.1.1 CT檢測系統

圖1為CT檢測系統，使用CT檢測系統可以對元件進行360°的射線投影、建立完整模型，并避免各部分在圖像中的遮擋。使用計算機操作，能夠獲取元件在任意截面的圖像信息，缺陷檢出率較高。圖2為CT檢測系統的成像效果。

圖1 CT檢測系統

(1) 剝離缺陷識別。

通過CT圖像可以清晰地觀察出半導電層與導體引出棒之間的剝離情況(圖3)，并通過軟件可直接測量相應數值。通過觀察俯視圖截面(圖3(a))，可以看出剝離間隙寬度為2.311 mm，通過觀察正視圖截面，可以看出剝離間隙高度為36.683 mm(圖3(b))，精準度可達0.001 mm。

圖2 CT檢測系統的成像效果

圖3 半導電層與導體引出棒之間的剝離情況

(2)氣孔缺陷識別。

通過CT圖像既可以觀察到氣孔總體分布并進行標記，也能夠準確定位每個氣孔的位置并測量大小，肉眼可分辨出直徑1 mm左右的氣孔，如圖4所示。

雖然CT檢測系統可以較為完整且全面地體現高壓終端內部的缺陷，但整套系統造價昂貴，對單件終端檢測時間也較長，且檢測人員需要具備較為專業的射線理論知識及圖像評判技能。此方法多為專業檢測機構使用，不適用于工廠進行高頻次或大批量檢驗。

圖4 氣孔缺陷識別情況

3.1.2 便攜式X光設備

考慮時間、成本等因素，可使用便攜式X光設備，受檢測地點、被檢器件類型的限制相對較少，同時對操作人員的要求也相對較低，設備價格也僅為CT檢測系統的十分之一。雖成像形式無法達到CT檢測的完整性，但也完全可以滿足工廠進行檢驗的需求。

使用便攜式X光設備搭建的檢測系統一般包括射線機(射線發射)、被檢測工件、接收機(圖像采集)、電腦(通過軟件進行圖像處理及參數編輯)以及其他輔助設備儀器，見圖5。

圖5 便攜式X光設備搭建的檢測系統

使用DR技術的便攜式X光設備只能拍攝原件某一角度的截面圖像，為獲取較為完整的信息，一般從0°、45°、90°、135°這4個角度進行拍攝。為達到良好的拍攝效果，在對高壓終端進行拍攝時，一般設定X射線機的電壓為120 kV、電流為0.5 mA、曝光時間為30 s，且在拍攝完成后通過計算機調整圖像對比度等，獲得較為清晰的X光圖像。便攜式X光設備的成像效果見圖6。

圖6 便攜式X光設備的成像效果

經過CT檢測系統或便攜式X光設備對高壓終端的檢測，可以發現產品存在的絕大部分內部缺陷，檢測出不合格的高壓線纜終端。而經過篩查后的合格品在運用中已基本不會出現擊穿故障，可保證車輛可靠運行。

3.2 繼電器篩選

動車組電氣柜等系統內大量使用繼電器、接觸器，許多問題在外觀、性能測試中均不易發現。通過X射線檢測，可以發現器件內多種缺陷，在器件檢查、故障分析、檢修更換等方面均有較大的參考價值[2]。

每個器件需要照射2個角度，即水平和傾斜位置。水平位置可以得到觸點、彈簧重合的狀態，可以對器件觸點歪斜、彈簧變形、觸點裝反等故障作出有效判斷；傾斜位置可以得到觸點、彈簧分開的狀態，可以對每個觸點、彈簧有無缺失、開裂、脫落、變形等故障作出有效判斷。圖7為幾種典型的繼電器內部缺陷。

圖7 典型的繼電器內部缺陷情況

由于繼電器、接觸器體積較小，可以使用一體式X光設備(圖8)進行拍攝，在使用操作方便的同時對放射性防護要求也較低。

圖8 一體式X光設備

對繼電器進行X光篩選，既可以在來料檢階段進行，用于新品入廠檢驗，也可以用于高級修階段，以篩選結果作為判斷繼電器偶換件的標準之一。可根據不同設備，一次進行多件篩選，在人員操作熟練后，平均每件繼電器僅需1 min即可完成篩選，并可以做到100%全檢，通過篩選后可基本杜絕由于器件內部缺陷引起的車輛運行故障。

4 X射線輻射與防護

由于X射線具有放射性，因此對人員、環境的防護要求極高。根據GBZ 117—2015《工業X射線探傷放射防護要求》[3]，應對探傷工作場所實行分區管理，通過對輻射進行屏蔽，將現場輻射劑量控制在標準要求的“關注點最高周圍劑量當量率參考控制水平不大于2.5 μSv/h”。其中設備產生的輻射產生可分為有用線束輻射、泄露輻射和散射輻射，有用線束在關注點處的劑量率可按以下公式進行估算：

(2)

式中：I——X射線探傷裝置在最高管電壓下的常用最高管電流，mA；

H0——距輻射源點(靶點)1 m處輸出量， μSv·m2/(mA·h)；

B——屏蔽透射因子；

R——輻射源點(靶點)至關注點的距離，m。

其中屏蔽透射因子B通過以下公式計算：

B=10-X/TVL

(3)

式中：X——屏蔽物質厚度；

TVL——X射線在屏蔽物質中的什值層厚度。

由于輻射危害性，X射線檢測多在屏蔽室內進行。根據使用設備射線管的相應參數，以及設備在鉛房中的擺放位置可以估算屏蔽后的輻射量是否達到標準[4]。

屏蔽室一般由操作室和鉛房搭建組成(圖9)，根據已有管電壓20～160 kV、管電流0.1～2 mA、微焦點0.5×0.7 mm的便攜式X光設備，結合場地情況測算，通過搭建3 000 mm×3 000 mm×2 600 mm尺寸的鉛房，可完全滿足輻射劑量小于標準的要求。

圖9 屏蔽室平面布置圖

根據上述公式，X設備射線管固定不動，主射束方向產生有用線束輻射，其余方向產生泄露輻射和散射輻射。代入X設備相關參數，以及設備距屏蔽室各方向墻面的距離等，可得主射束方向墻面外參考點的最大輻射劑量率均為1.17×10-3μSv/h，其他方向參考點處輻射劑量率在1.27×10-6～1.03×10-5μSv/h，均滿足 GBZ 117—2015中規定的“關注點最高周圍劑量當量率參考控制水平不大于 2.5 μSv/h”的要求。

此外，工作人員配備有輻射劑量監測儀(圖10)，以監測輻射個人劑量的變化情況，控制接受劑量，保證職業人員的健康水平[5]。

圖10 輻射劑量監測儀

5 小結及展望

X射線檢測技術應用在動車組零部件檢測，可以發現其中內部缺陷，消除零部件故障失效隱患。除文中涉及的案例外，后續可進一步研究將檢測技術應用于更多零部件中，間接提高車輛子部件的質量，降低運用故障率。