埋弧焊鋼管焊縫DR檢測機理及應用

巨西民，蔣中印，蘭 川，唐彥林，李曉敏

（1.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，西安 710065；2.西安石油大學 石油工程學院，西安 710065；3.中油寶世順（秦皇島）鋼管有限公司，秦皇島 066206）

埋弧焊鋼管是油氣長輸管線建設中的主要用管［1］，我國已建成的“西氣東輸”管線、“西氣東輸”二線和正在建設的三線幾乎全部使用了埋弧焊鋼管。為了檢出鋼管焊縫焊接缺陷，保證管線質(zhì)量，鋼管企業(yè)在鋼管制造期間，采用無損檢測技術(shù)進行焊縫缺陷檢測，主要檢測方法之一是X射線技術(shù)，管端焊縫主要采用射線膠片技術(shù)，管體焊縫采用X射線數(shù)字成像（DR）檢測技術(shù)。這兩種技術(shù)很好地保證了焊縫缺陷的檢出。但射線膠片技術(shù)耗時、耗材、檢測處理速度慢，影響了生產(chǎn)效率。采用圖像增強器的射線檢測系統(tǒng)的靈敏度和分辨率較低，觀察清晰度較差，影響了缺陷識別。隨著射線檢測技術(shù)的進步，數(shù)字射線檢測技術(shù)在埋弧焊鋼管焊縫射線檢測中已經(jīng)得到了應用，為了確認數(shù)字射線的檢測效果，筆者分析了數(shù)字射線檢測機理，并在相關(guān)鋼管公司進行了埋弧焊鋼管焊縫數(shù)字射線成像系統(tǒng)靈敏度、空間分辨率和缺陷檢出試驗，確認了該新技術(shù)的主要特性。

1 埋弧焊鋼管焊縫DR的檢測機理

1.1 埋弧焊鋼管焊縫DR檢測基本機理

埋弧焊縫數(shù)字射線檢測技術(shù)主要采用直接數(shù)字化射線檢測（DR）技術(shù)，直接數(shù)字化射線檢測技術(shù)是采用分立輻射探測器完成射線檢測的技術(shù)。在直接數(shù)字化檢測中，X射線能量轉(zhuǎn)換成電信號是通過平板探測器（Flat Plane Detector，F(xiàn)PD）來實現(xiàn)的，DR檢測系統(tǒng)的基本組成包括射線源、輻射探測器、圖像顯示與處理單元。平板探測器的特性會對DR圖像質(zhì)量產(chǎn)生比較大的影響。埋弧焊鋼管焊縫使用的DR探測器主要為非晶硅（α－Si）輻射探測器［2］。

1.2 埋弧焊鋼管焊縫非晶硅DR探測器構(gòu)成及射線轉(zhuǎn)換原理

1.2.1 非晶硅輻射探測器構(gòu)成

非晶硅輻射探測器是間接轉(zhuǎn)換型半導體輻射探測器。包括：閃爍體層、非晶硅層（光電二極管陣列）、薄膜晶體管陣列（TFT）、電路，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中閃爍體層、非晶硅層是影響數(shù)字射線成像品質(zhì)的重要組成部分。

圖1 非晶硅平板探測器結(jié)構(gòu)

閃爍體層一般由銫碘化物組成，銫碘化物是較理想的材料。碘化銫閃爍層是一種吸收X射線并把能量轉(zhuǎn)換為可見光的化合物。閃爍體材料由厚度為500～600μm連續(xù)排列的針狀碘化銫晶體構(gòu)成，針柱直徑約為6μm，如圖2所示，碘化銫晶體的針狀結(jié)構(gòu)能夠類似光纖一樣匯集散射光，可以有效抑制散射，從而改善探測器的調(diào)制解調(diào)（MTF）特性和量子探測效率（DQE）特性，碘化銫和非晶硅的組合DQE和MTF特性是最好的［3］。

圖2 碘化銫閃爍層

非晶硅光電二極管陣列完成可見光圖像向電荷圖像轉(zhuǎn)換的過程，同時還實現(xiàn)了連續(xù)圖像的點陣化采樣。典型探測器的陣列由間距為143μm的非晶硅光電二極管按行列矩陣式排列，431.8mm×431.8mm的探測器陣列由3000行×3000列共900萬個像元構(gòu)成，根據(jù)應用要求的不同也可采用不同的像元尺寸以及不同的陣列大小，如圖3所示。圖3（b）為單個像元的放大照片，每一像元由具有光敏性的非晶硅光電二極管及不能感光的開關(guān)二極管，行驅(qū)動線和列讀出線構(gòu)成。位于同一行所有像元的行驅(qū)動線相連，位于同一列所有像元的列讀出線相連，構(gòu)成了探測器矩陣的總線系統(tǒng)。非晶硅平板檢測器（FPD）目前已可達到127μm×127μm像素和431mm×431mm的接收面積，每一個像素的幾何尺寸僅有幾十微米，具有極高的空間分辨率和很寬的動態(tài)范圍，可用做普通X射線數(shù)字照相。探測器可承受15MeV能量的X射線直接照射，工作性能穩(wěn)定，動態(tài)范圍大于2000∶1，A／D轉(zhuǎn)換位數(shù)可達16Bit（65536灰度級），可以一次性實現(xiàn)透照厚度變化大的工件的掃描成像檢測，曝光幾秒后即可顯示圖像，成像速度快，間接轉(zhuǎn)換型DR平板探測器大多為非晶硅結(jié)構(gòu)，多用于工業(yè)X射線檢測領(lǐng)域［4］。

圖3 非晶硅光電二極管陣列及像素放大照片

1.2.2 非晶硅輻射探測器射線轉(zhuǎn)換原理

非晶硅輻射探測器探測過程為：入射射線激發(fā)閃爍體層，閃爍體層將輻射轉(zhuǎn)換為熒光；熒光傳輸?shù)椒蔷Ч瓒O管陣列，非晶硅將熒光轉(zhuǎn)換為電信號；電信號被送到對應于非晶硅二極管陣列的TFT，在TFT的各電容單元形成存儲電荷；最后由讀出電路順序讀出，形成數(shù)字電路，原理如圖4所示。

圖4 非晶硅探測器工作原理

1.3 數(shù)字射線系統(tǒng)性能評價的關(guān)鍵參數(shù)

影響數(shù)字射線檢測系統(tǒng)成像質(zhì)量的因素主要有對比度、空間分辨率、信噪比等，在目前的相關(guān)標準中，對于數(shù)字射線檢測技術(shù)，需要給出的檢測圖像指標應包括常規(guī)像質(zhì)計靈敏度值（對比度指標）以及滿足MTF值的雙絲像質(zhì)計測定值——不清晰度值（空間分辨率指標）。

2 埋弧焊縫的數(shù)字射線檢測應用試驗

2.1 試驗系統(tǒng)組成及試驗標準依據(jù)

進行數(shù)字射線檢測試驗的系統(tǒng)主要由數(shù)字式PerkinElmer 0822AP3型X射線平板探測器、射線管型號為MXR－225HP／11X的高頻固定式射線機，工業(yè)控制計算機和圖像處理軟件等部分組成。

根據(jù)API Spec 5L45版《管線鋼管規(guī)范》E.4.1規(guī)定，射線數(shù)字檢驗應依據(jù)標準ISO 10893－7《鋼管的無損檢測》執(zhí)行。

2.2 試驗結(jié)果

2.2.1 靈敏度試驗結(jié)果

如圖5所示為不同壁厚條件下所進行的檢測靈敏度試驗結(jié)果，如表1所示，其中的標準像質(zhì)指數(shù)參考標準ISO 10893－7B《鋼管的無損檢測》要求。

表1 不同壁厚下的靈敏度

2.2.2 典型缺陷檢測試驗

埋弧焊鋼管常見的自然缺陷進行數(shù)字射線成像檢測，如圖6所示。通過對自然缺陷的數(shù)字射線成像檢測分析，數(shù)字射線檢測系統(tǒng)對自然缺陷有較好的發(fā)現(xiàn)能力。

圖5 不同壁厚時的檢驗靈敏度試驗結(jié)果

圖6 埋弧焊鋼管焊縫常見缺陷的數(shù)字射線檢測

2.2.3 空間分辨率測試

在厚度8.74mm和22mm埋弧焊鋼管焊縫用雙絲像質(zhì)計測試空間分辨率，基本滿足ISO 10893－7標準要求，如圖7所示。

圖7 不同厚度的空間分辨率測試顯示

3 結(jié)論

結(jié)合相關(guān)研究［5－6］及試驗結(jié)果可知，數(shù)字射線檢測技術(shù)的相對靈敏度與傳統(tǒng)X射線拍片相當，遠高于X射線圖像增強器的檢測方式。試驗的焊縫靈敏度，分辨率基本滿足ISO 10893－7標準要求。試驗的自然缺陷如：裂縫、未焊透、氣孔、夾渣等檢測圖像清晰，易于辨認，能達到埋弧焊縫膠片照相的同等圖像質(zhì)量水平，是快速、高效地進行埋弧鋼管焊縫檢測的有效手段，是埋弧焊鋼管焊縫射線檢測的新技術(shù)。

［1］王曉香.我國油氣長輸管線用焊接鋼管生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展與展望［J］.鋼管，2004，33（3）：7－13.

［2］鄭世才.射線實時成像檢驗技術(shù)［J］.無損檢測，2000，22（7）：328－336.

［3］杜朝偉，唐曉薇，翟俊鵬，等.碘化銫非晶硅平板探測器的原理及應用［J］.中國醫(yī)學裝備，2009（6）：10－13.

［4］王化龍，范春雷，姜凱.X射線DR技術(shù)在鋁合金鑄件檢測中的應用［J］.影像技術(shù)，2012（6）：47－55.

［5］嚴紹書.X射線平板數(shù)字成像技術(shù)在螺施焊縫檢測中的應用［J］.焊管，2011，34（2）：21－25.

［6］蔣太秋，張圣光，王坤顯，等.DR平板檢測技術(shù)在螺旋埋弧焊管檢測中的應用［J］.焊管，2010，33（2）：57－59.