關于低溫管道在役數字射線檢測技術應用的研究

趙書毅，牛 帥，孟令民，張紹昆

（青島市特種設備檢驗研究院，山東青島 266000）

0 引言

工業管道定期檢驗發現焊接缺陷的方法通常應用膠片射線檢測，在檢測過程中需要拆除保溫層，置換、排空介質后才能開展工作，費時費力、材料消耗大、停工時間長、拆除和恢復保溫層過程中出現的安全問題也屢見不鮮，生產企業也會因生產產品的經濟價值的不同對停工檢測造成30～300 萬元/日的損失。數字射線成像技術可以有效降低工業生產中的檢測安全問題，不用重復以上的排空、置換工作，可以在不停機的情況下實現內部缺陷檢測，實時、快速呈現檢測結果，從而提高企業生產的效率及安全性，減少能耗和環境破壞。

低溫壓力管道系統通常應用有易燃、易爆性質的制冷介質，在管道發生泄漏事故后很容易造成相關人員中毒、破壞生態平衡等不良后果，因此針對壓力管道埋藏性缺陷的檢測，力爭做到做到“防微杜漸”。

1 X 射線數字成像檢測技術發展概況與趨勢

X 射線數字成像技術作為新型射線檢測技術，不同于傳統膠片射線檢測、計算機射線檢測技術，其采用非晶硅平板探測器接收X 射線，成像方便、直觀，傳輸方便，圖像對比度范圍一般會比較大[1]。應用于涉氨類低溫、小管徑壓力管道有著得天獨厚的優勢，在不停機檢測過程中，常常依據數字射線檢測圖像灰度的變化來判斷管道埋藏性缺陷的嚴重程度[2]。

為了更為準確地了解X 射線數字成像技術并在國內實現應用與推廣，世界各地區的檢驗檢測機構著手開展多項關于該技術的應用研究工作。在研究過程中進一步掌握數字成像技術的各種應用參數，以此制定了一系列規范作為技術支撐，并逐漸形成一定的理論體系。得益于歐盟各國聯合承辦的FilmTree 科技研究項目，德國聯邦材料測試研究所（BAM）的專家學者更為深入、系統地探究了數字射線技術的優勢，通過大量區別于傳統膠片檢測技術的對比實驗，得出其成像效果更好、缺陷檢出率更高這些明顯優勢[3]。

射線檢測法具有對待檢本體缺陷的直觀表現、定位精準、檢測結果記錄便捷等特點，成為工業制造生產應用廣泛的質量控制方法。現在射線成像技術已應用于各行各業，并快速發展：在核能領域，它應用于核反應堆元件密度測量及缺陷的檢測，以便明確殼體內部芯體位置、核動力裝置及組件的構成；在航空航天領域，它用于精密鑄件及復合材料的缺陷檢測；在鋼鐵行業，通過成像底片中管徑、壁厚橢圓度及偏心率等參數的測量實現對于鋼材質量的把控。此外，醫療、食品藥品、礦產、建筑、石油化工等各行業已廣泛應用了X 射線無損檢測技術。

應用于壓力管道檢測領域的數字射線檢測技術在我國發展已有20 余年，但是國內目前實際檢測的案例卻比較少。從目前開展的實際應用情況來看，存在缺陷成像測量結果偏差較大、覆蓋保冷層的焊縫位置難以確定、檢測工裝穩定性得不到保障、非相關缺陷影響檢測結果等諸多問題。針對目前所遇到的困難，青島市特種設備檢驗研究院力求在DR（Digital Radiograph，數字射線成像檢測）設備校驗方法、覆蓋保溫層管線焊縫位置確定等方面持續攻關，不斷完善DR 檢測技術在工業管道工程應用的技術體系。

2 X 射線數字成像檢測技術原理

當X 射線入射到工件表面時，工件組成原子便會與入射光子相互作用，發生吸收、散射等現象弱化射線束的強度，其程度通常與工件厚度、材料衰減系數相關。如果工件內部存在埋藏性缺陷，其性質與構成缺陷的材料的衰減程度是存在差異的，通過對差異的分析可以得出工件是否存在缺陷。在射線束穿透被檢測工件后，可以得到射線強度分布潛像圖，與此同時在工件背面放置一臺檢測儀，得到這些潛像的投影，再通過特定的技術加以處理，可以使這些潛像轉化成肉眼可見的二維平面布置圖[4]。

區別于射線膠片照相技術，數字射線檢測技術的基本原理是：射線束在穿透金屬材料后，強度往往會減弱，隨后由平板探測器接收，并通過對應的模擬信號轉變為數字信號從而被計算機接收，形成數字圖像，并最終以一定的形式儲存在計算機內，在顯示儀器上顯示[5]。數字射線檢測系統由射線源、中心控制單元、計算機、數據采集和圖像處理軟件、平板探測器組成，其最大的弱點是目前空間分辨率仍無法與普通射線膠片照相形成的影像相比，如數字射線成像圖片的像素一般在百萬級，而X 射線模擬影像大約是2000 萬像素。

3 X 射線數字成像檢測技術關鍵技術指標

3.1 圖像靈敏度

在開展數字射線檢測過程中，單絲像質計通常用來表示圖像靈敏度。它是由與待檢測試件相同或相似材料制造而成，排列順序根據各個金屬絲的直徑來確定，并且相互之前等距離相互平行，通過透明材料封裝在長方形試片內，每個金屬絲旁邊都標明它的編號。在國際上每一條金屬絲的直徑通常使用等比數列進行排列，不同絲徑的金屬絲都有自己的編號，圖像上能識別到的最細的金屬絲編號就是像質計的靈敏度值。

單絲型像質計的放置位置、使用類別及數量在數字射線檢測之前都要嚴格按照相關標準要求，通常每張圖像上能夠清晰地顯示單絲像質計的圖像。單絲像質計一般放置在射線源的一側，對于它的判定標準是可以看到連續10 mm 以上的絲狀圖像，專用等徑型像質計要求至少能識別到兩根金屬絲。

3.2 圖像分辨率

檢測系統所能分別出待檢工件圖像中單位長度上相鄰的兩個細節之間最小距離的能力被叫做圖像分辨率，系統分辨率核查通常應用分辨率測試卡或雙絲像質計，而雙絲像質計由直徑相同、間距相等的兩根金屬絲組成。

4 現場實際應用分析

4.1 概況分析

對中車青島四方車輛研究所有限公司制冷管道開展了數字射線檢測，總長度103.1 m、介質為三氯乙烯、使用壓力0.4 MPa、使用溫度-50 ℃、材料為06Cr19Ni10、其主要規格為Φ159 mm×4.5 mm/Φ200 mm×6 mm，保溫層材料為聚氨酯，安裝時采用射線檢測，檢測比例為100%，2017 年投用，本次檢驗為首次定期檢驗。根據現場工況，存在主要損傷模式為機械疲勞及沖刷。

檢驗員負責青島市特種設備檢驗研究院科技計劃項目，致力于研究壓力管道在不停機狀態下對于埋藏性缺陷的檢測及內部腐蝕的檢測。對于本次檢驗項目開展了X 射線數字成像技術（DR 檢測）的應用，發現了未熔合、未焊透等埋藏性缺陷，隨后委托青島鑫通用檢測服務有限公司進行了傳統的膠片法射線檢測，對問題管線存在的缺陷進行定性、定量分析。

在本次檢驗實施過程中，使用單位提出因試驗狀態，設備無法停機，為保障檢驗順利實施，滿足規范要求，同時減少企業損失，容器管道檢驗部提出采用X射線數字成像技術在無需停機的條件下開展該制冷系統的定期檢驗工作，并由具有相關檢測資質的人員制作射線數字成像（DR）檢測工藝卡（圖1）。

圖1 射線數字成像（DR）檢測工藝卡

4.2 成像效果影響因素分析

4.2.1 充裝介質

成像質量是確保無損檢測質量的關鍵性因素。在傳統膠片照相中評片前需確定底片質量，其中主要包括底片黑度、底片靈敏度以及其他標記偽缺陷情況確認。數字射線檢測上述質量要求依然存在只不過底片灰度變為對圖像灰度值的要求另外增加了對圖像分辨率及圖像歸一化信噪比的要求。

針對成像結果加以分析，主要判定依據為單絲、雙絲象質計等，得出介質對于灰度、歸一化信噪比、分辨率等參數的影響。圖2、圖3 為充裝三氯乙烯介質前后成像質量的對比，在相同管電壓下，充裝前該焊縫部位的灰度均值為48622、分辨率為3.2 lp/mm、歸一化信噪比為276.867；充裝三氯乙烯以后，灰度均值為13027、分辨率為2.3 lp/mm、歸一化信噪比為112.135。由此可見，充裝制冷劑后圖像質量降低，而且影響比較大。

圖2 無介質充裝時的成像質量

圖3 充裝三氯乙烯介質后的成像質量

4.2.2 管電壓

管電壓是射線檢測中最為重要的工藝參數之一，射線機管電壓的最重要的確定條件就是能夠保證足夠的穿透能力。在傳統的膠片檢測理論中，管電壓的選取原則是盡量低的，然而數字射線檢測卻更傾向于選擇更大的管電壓，因為較大的管電壓會提高信噪比與對比度噪聲比。

射線管電壓是數字X 射線成像（DDA+CR）檢測中重要參數之一。目前，國內外有關標準考慮到數字X 射線管的高電壓會減少造成對比的主要原因，因此對選擇檢測管的電壓提出了相應建議。利用DDA 和CR 對不同管道電壓下缺陷檢測板的數字圖像質量和缺陷識別程度進行了比較，分析產生差異的原因，并結合相應的圖像處理技術提高數字圖像的信噪比，彌補了管道電壓升高造成的圖像對比度靈敏度損失，最終提高缺陷識別程度。實驗結果顯示，根據傳統膠片射線技術的經驗所建議的管電壓并不適用于數字X 射線檢測，應根據特定的檢測系統進行工藝測試，以確定X 射線管電壓的上限值，而上限值遠高于有關標準的建議值。

為了選取合適的管電壓，在相同的工況下逐步提高管電壓大小分析成像效果，最終得到的結果如圖4～圖5所示。隨著管電壓由200 kV 上升至230 kV，同一檢測部位灰度均值由為16064 上升為24818、歸一化信噪比由100.974 上升為171.270。由此可見，管電壓的增加對成像效果有正向作用。

圖4 管電壓為220 kV 時的成像質量

圖5 管電壓為230 kV 時的成像質量

5 結束語

本文通過單一變量法分析了數字射線成像效果的影響因素，闡述管電壓、介質等參數對黑度、底片靈敏度、圖像分辨率及圖像歸一化信噪比等評價指標的影響。影像質量是分辨率、靈敏度、對比度、信噪比等多種因素共同作用的結果，需根據具體應用和成像對象、設備特點等，優選成像參數。

隨著X 射線數字成像檢測技術的發展，新的檢測系統、檢測技術不斷涌現，如何將新技術帶來的可靠性問題反饋到標準中是X 射線數字成像檢測標準制定者們需要思考的問題。而且，隨著新技術、新設備的投入使用，也會產生新的問題，需要對現有的標準進行評估和審視。需要通過對基礎的、關鍵技術的系統研究，不斷完善標準體系、增加新的標準，廢除不適用的標準，使我國無損檢測相關標準促進新技術、新工藝的推廣與應用。