陳青山，崔二煒，陳曉雯，肖都容，高志凌，郭 峰，王義民，張利輝

（1.渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣 062658；2.渤海裝備華油一機(jī)廠 質(zhì)量監(jiān)督中心，河北 青縣062658；3.渤海裝備巨龍鋼管公司，河北 青縣062658）

螺旋焊管X射線工業(yè)電視檢測系統(tǒng)研究

陳青山1，崔二煒2，陳曉雯3，肖都容1，高志凌3，郭 峰1，王義民1，張利輝1

（1.渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣 062658；2.渤海裝備華油一機(jī)廠 質(zhì)量監(jiān)督中心，河北 青縣062658；3.渤海裝備巨龍鋼管公司，河北 青縣062658）

為了在螺旋焊管焊縫X射線檢測時獲得較高的精度，滿足生產(chǎn)需要，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制作了缺陷樣管，對焊縫X射線工業(yè)電視檢測系統(tǒng)進(jìn)行了測試。結(jié)果顯示，焊縫檢測速度可達(dá)6 m/min；厚度8.8 mm焊管檢出的最小圓形缺陷直徑為0.6 mm，檢出最小條形缺陷寬度1 mm，深度1 mm；厚度15.9 mm焊管檢出的最小圓形缺陷直徑1 mm，檢出的最小條形缺陷寬度1 mm，深度1 mm。測試結(jié)果表明，該檢測系統(tǒng)在生產(chǎn)線上試運(yùn)行時取得了較好的效果。

焊管；X射線檢測；焊縫缺陷；靈敏度

1 鋼管焊縫缺陷X射線檢測圖像分析

1.1 焊縫缺陷X射線檢測圖像的獲取

在X射線實時成像無損檢測中，焊縫缺陷的定位、定量、定級較容易，而對焊縫缺陷的定性則比較困難，即如何識別并確定圖像中焊縫缺陷的性質(zhì)（裂紋、未熔合、未焊縫、條狀夾渣、氣孔等）比較困難，很難用圖像識別系統(tǒng)對其進(jìn)行自動識別。根據(jù)射線衰減定律，射線透過物質(zhì)后被衰減，影響衰減的主要因素是被檢物體的形狀（厚度）和密度。物體形狀（厚度）和密度的變化會引起圖像中灰度的變化，也就是說圖像中灰度的變化是圖像識別的基本條件。焊縫常見缺陷X射線檢測圖像如圖1所示。

圖1 焊管焊縫常見缺陷的X射線檢測圖像

圖像采集應(yīng)和圖像實時自動檢測相結(jié)合，獲取大量的圖例有以下3點(diǎn)作用：①圖像質(zhì)量（靈敏度、清晰度、灰度動態(tài)范圍）要達(dá)到什么樣的水平才能滿足實時動態(tài)檢測的需要；②在大量不同缺陷種類和同種缺陷對比圖例的基礎(chǔ)上，建立X射線檢測系統(tǒng)圖像識別數(shù)據(jù)庫，建立典型缺陷識別圖譜，以此為程序開發(fā)的定量分析提供數(shù)據(jù)；③通過大量圖像的采集，結(jié)合其他的無損檢測手段和破壞性檢測的印證，為熒光檢測和實際缺陷的大小提供理論依據(jù)，并為下一步缺陷自動分類識別打下基礎(chǔ)。

1.2 X射線檢測圖像中常見缺陷的種類及特征

焊縫缺陷的形態(tài)和影像特征復(fù)雜多樣，不同種類缺陷在X射線檢測圖像中的影像特征具有不同的特點(diǎn)，在焊縫中出現(xiàn)的位置也有所不同，具體見表1。

表1 常見缺陷X射線圖像中影像特征及其在焊縫中的位置

1.3 樣管試驗

依據(jù)缺陷類型不同，將缺陷分為面積型缺陷和體積型缺陷。電火花刻人工槽模擬面積型缺陷，其規(guī)格為：槽寬1 mm，長度40 mm，深度分別為1 mm、2 mm和3 mm；人工孔模擬體積型缺陷，其規(guī)格為Φ0.6 mm、Φ0.8 mm、Φ1.0 mm、Φ1.6 mm和Φ3.2 mm，孔深分別為1 mm、2 mm和3 mm。

試驗樣管規(guī)格分別為：Φ610 mm×8.8 mm、Φ711 mm×12.5 mm 和 Φ914 mm×15.9 mm。 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 9711.2。樣管Φ914 mm×15.9 mm取樣位置如圖2所示。

圖2 Φ914 mm×15.9 mm焊管的取樣位置

工藝規(guī)范：①采用雙壁單影透照方式成像，以靠近圖像增強(qiáng)器一側(cè)的焊縫為檢測焊縫；②透照焦距650 mm，被檢焊縫與圖像增強(qiáng)器距離為150 mm。3種規(guī)格樣管的缺陷檢出情況見表2。

表2 3種規(guī)格樣管的缺陷檢出情況

2 系統(tǒng)測試

2.1 系統(tǒng)分辨率的測定

在實時成像中分辨率的計量單位是線對厘米（LP/cm）。系統(tǒng)分辨率是考核整套設(shè)備綜合性能的主要指標(biāo)，對成像質(zhì)量有重要作用。不論設(shè)備的基本配置如何，系統(tǒng)分辨率都應(yīng)達(dá)到或超過14 LP/cm；隨著設(shè)備配置性能的提高，系統(tǒng)分辨率也會隨之提高。

將圖像分辨率線對測試卡緊貼在圖像增強(qiáng)器輸入屏表面中心區(qū)域上，線對柵條與水平位垂直，按一定的工藝條件進(jìn)行透照，并在顯示屏上成像。透照工藝條件：①X射線的焦點(diǎn)至圖像增強(qiáng)器輸入屏表面的距離不小于700 mm；②管電壓不大于40 kV；③管電流不大于3.0 mA；④圖像對比度適中。

在顯示屏上觀察測試卡的影像，當(dāng)觀察到柵條剛好分離的一組線對時，則該組線對所對應(yīng)的分辨率即為系統(tǒng)分辨率。在高清計算機(jī)顯示器上，可清晰地看到剛好分開的18 LP/cm的影像。

2.2 圖像靈敏度的測定

靈敏度的計量單位是像質(zhì)指數(shù)，靈敏度反映圖像細(xì)小缺陷的檢出能力，其考核指標(biāo)等同于GB 3323—1987或 JB 4730—1994標(biāo)準(zhǔn)像質(zhì)指數(shù)的要求。

將像質(zhì)計緊貼在被檢焊縫的表面，金屬絲與焊縫垂直，并與焊縫同時成像。在顯示屏上直接觀察像質(zhì)計的影像，在焊縫處能清楚看到的最細(xì)金屬絲所對應(yīng)的編號即為圖像靈敏度的像質(zhì)指數(shù)。Φ559 mm×7.1 mm焊管靜態(tài)靈敏度優(yōu)于2.5%時的圖像如圖3所示。

圖3 Φ559 mm×7.1 mm焊管靜態(tài)靈敏度優(yōu)于2.5%的圖像

圖像靈敏度與圖像分辨率能從不同的角度反映圖像質(zhì)量，不能互相代替。實踐證明，像質(zhì)計靈敏度的量值，不能充分反映焊縫自然缺陷的特性，有時像質(zhì)計靈敏度對圓形缺陷的檢出率可能較高，而對裂紋等線性缺陷的檢出靈敏度卻較低。因為金屬絲像質(zhì)計靈敏度很大程度上取決于圖像的對比度，而線性缺陷則更多地取決于圖像分辨率。

2.3 可檢出的最小缺陷尺寸

假設(shè)工件內(nèi)有一缺陷，缺陷的寬度（Δx）小于焦點(diǎn)的寬度（d），即Δx＜d，當(dāng)缺陷的寬度足夠小時，根據(jù)幾何投影原理，缺陷在成像平面上的本影縮小為一點(diǎn)，此缺陷不可能被檢測出來。小缺陷檢測成像原理如圖4所示。

圖4 小缺陷檢測成像示意圖

根據(jù)相似三角形定理，得到

式中：M—圖像放大倍數(shù)。

假設(shè)缺陷的高度（ΔT）等于缺陷的寬度，即ΔT=Δx，那么由此缺陷邊緣所引起的幾何不清晰度可改寫為

式中：Ug—幾何不清晰度。

在一般情況下，為了得到更佳的清晰度，則MΔx應(yīng)大于 Ug， 即

在同時考慮幾何不清晰度和系統(tǒng)固有不清晰度的情況下，式（3）可改寫為MΔx≥Uo，即在圖像放大的情況下Δx≥Uo/M。

由此可見，在X射線實時成像檢測中，缺陷尺寸由檢測圖像放大后的不清晰度Uo與放大倍數(shù)M決定。

2.4 實際缺陷當(dāng)量標(biāo)定

標(biāo)定方法如下：使用一塊4 mm厚度的鉛板，其上鉆有若干等間距（L=25 mm）小孔，如圖5所示。圖5（a）為試驗中使用的標(biāo)定鉛板，將標(biāo)定鉛板彎曲緊密貼合于鋼管表面，在X射線下拍攝得到如圖5（b）所示的標(biāo)定圖像。從圖5（b）中測得A孔與O孔中心以及B孔和O孔中心間分別有221和213個像素，計算得到K=8.7個/mm，即實際尺寸1 mm在圖像中對應(yīng)約9個像素長度。

在試驗中，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確檢測出大小為5×5的缺陷區(qū)域，對應(yīng)實際缺陷尺寸為0.56 mm×0.56 mm。而在樣管Φ610 mm×8.8 mm人工缺陷的測試中，檢測出圓形氣孔缺陷Φ0.6 mm，深2 mm，也驗證了標(biāo)定的測試。

圖5 缺陷當(dāng)量標(biāo)定鉛板及圖像

2.5 檢測速度的測定

將被檢鋼管置于檢測小車上，選定一個始點(diǎn)，啟動小車，觀察移動焊縫每分鐘在熒光屏上的相對位移，記錄其偏差值，重復(fù)3次取平均值作為位移偏差和累計偏差，可以得出螺旋線速度。檢測速度3 m/min，最大6 m/min。

2.6 系統(tǒng)漏檢率和誤報率測試

待檢測樣管規(guī)格分別為Φ610 mm×8.8 mm、Φ711 mm×12.5 mm 和 Φ914 mm×15.9 mm。 模擬面積型缺陷：槽寬1 mm，長度40 mm，深度分別為1 mm、2 mm和3 mm；人工孔模擬體積型缺陷：Φ0.6 mm、Φ0.8 mm、Φ1.0 mm和 Φ1.6 mm，孔深分別為1 mm、2 mm和3 mm。則Φ610 mm×8.8 mm和Φ914 mm×15.9 mm的人工缺陷共15+15=30處，Φ711 mm×12.5 mm自然缺陷共6處，總計36處，所有超標(biāo)缺陷都沒有漏報。在厚度增加，進(jìn)而增加靈敏度時誤報率有所上升。在最初的生產(chǎn)檢驗中，為了增加系統(tǒng)的可靠性，寧可增加系統(tǒng)的誤報率，也要避免漏報缺陷。

3 結(jié) 語

利用X射線對焊管焊縫缺陷進(jìn)行實時自動檢測的技術(shù)是近年來國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)，對X射線工業(yè)電視檢測系統(tǒng)進(jìn)行測試，獲取并分析了焊管焊縫缺陷的射線圖像，結(jié)合實際對不同缺陷的實際圖像、適用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了闡述。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制作了缺陷樣管，并進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明：焊縫檢測速度可達(dá)6 m/min；厚度8.8 mm焊管檢出的最小圓形缺陷直徑為0.6 mm，檢出的最小條形缺陷寬度1 mm，深度1 mm；厚度15.9 mm焊管檢出的最小圓形缺陷直徑1 mm，檢出的最小條形缺陷寬度1 mm，深度1 mm。該系統(tǒng)在生產(chǎn)線上試運(yùn)行，在一定的檢測速度和合適的產(chǎn)品規(guī)格范圍下，具有較好的實時性和較高的檢測精度，能滿足生產(chǎn)的需要。

[1]陳樹越，路宏年.數(shù)字式X射線無損檢測技術(shù)[J].華北工學(xué)院學(xué)報，1999， 20（1）：49-53.

[2]張曉光，高頂.射線檢測焊接缺陷的提取和自動識別[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004.

[3]李勇.埋弧焊管缺陷X射線圖像處理及其自動識別技術(shù)研究[D].西安：西安石油大學(xué)，2013.

[4]周偉，余華民.圖像處理和模式識別技術(shù)在焊縫射線檢驗中的應(yīng)用[J].無損探傷，1990，14（5）：1-5.

[5]孫忠誠，李鶴歧，陶維道，等.焊縫X射線實時探傷數(shù)字圖像處理方法研究[J].無損探測，1992，14（2）： 37-40.

[6]周正干，杜圓媛.基于多幅 X射線數(shù)字圖像的缺陷自動識別技術(shù)[J].機(jī)械工程學(xué)報，2006，42（3）：73-76.

[7]任大海，尤政，孫長庫，等.焊接缺陷實時成像自動檢測技術(shù)的研究[J].清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2001，41（2）： 25-29.

[8]任大海，尤政，孫長庫，等.焊縫X射線實時成像自動分析系統(tǒng)[J].焊接學(xué)報， 2000， 21（1）： 60-63.

[9]孫怡，孫洪雨，白鵬，等.X射線焊縫圖像中缺陷的實時檢測方法[J].焊接學(xué)報， 2004， 25（2）： 115-118，122.

[10]程耀瑜.工業(yè)射線實時成像檢測技術(shù)研究及高性能數(shù)字成像系統(tǒng)研究[J].無損探傷，2003，20（8）：41-43.

[11]曾祥照.射線實時成像檢測中的圖像清晰度與分辨率[J].無損檢測，2003，25（3）：133-139.

[12]曾祥照.分辨率測試卡的結(jié)構(gòu)及圖像分辨率測試方法[J].無損探傷，2001，24（5）：45-48.

X-ray Industrial TV Detecting System Research on Spiral Welded Pipe

CHEN Qingshan1,CUI Erwei2,CHEN Xiaowen3,XIAO Durong1,GAO Zhiling3,GUO Feng1,WANG Yimin1,ZHANG Lihui1
（1.CNPC Bohai Equipment Steel Pipe Co.,Ltd.,Qingxian 062658,Hebei,China;2.Quality Supervision Center of CNPC Bohai Equipment 1st Machinery,Qingxian 062658,Hebei,China;3.CNPC Bohai Equipment Julong Steel Pipe Co.,Ltd.,Qingxian 062658,Hebei,China）

In order to obtain higher precision in X-ray detection of spiral welded pipe weld,thus to meet the requirements of production,the defect specimen pipe was made according to standard,and the X-ray industrial TV detecting system of weld defect was tested.The results indicated that the weld detection speed can up to 6 m/min;welded pipe with 8.8 mm thickness,the minimum defect diameter is 0.6 mm,the minimum width of stripy defect is 1 mm,and the depth is 1 mm;welded pipe with 15.9 mm thickness,the minimum defect diameter is 1 mm,the minimum width of stripy defect is 1 mm,and the depth is 1 mm.Test results showed that the detection system got better results in the production line commissioning.

welded pipe;X-ray detection;weld defect;sensitivity

TG441.7

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.02.011

陳青山（1978—），男，本科，2003年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院，現(xiàn)主要從事鋼管檢驗工作。

2015-08-24

修改稿收稿日期：2015-12-03

謝淑霞