石油管線管道壁缺陷檢測(cè)的X射線背散射技術(shù)模擬

李會(huì) 李德源 閆學(xué)文 牛蒙青

摘 ?要：利用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)確保石油管道基礎(chǔ)設(shè)施的安全性、效率、環(huán)境完整性和合規(guī)性有重要意義。文章借鑒X射線穿透能力強(qiáng)和背散射單側(cè)成像技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并整合現(xiàn)代智能機(jī)器人技術(shù)，提出了管內(nèi)智能X射線背散射無(wú)損檢測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)概念，并采用蒙特卡洛軟件（Geant4）模擬設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的核心——X射線背散射成像系統(tǒng)，進(jìn)一步模擬了該系統(tǒng)對(duì)管內(nèi)缺陷的檢測(cè)性能。模擬結(jié)果表明，采用X射線背散射檢測(cè)技術(shù)能對(duì)管壁厚度4mm及以上缺損進(jìn)行檢測(cè)并能對(duì)1mm寬度及以上的裂縫進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)系統(tǒng)還可以進(jìn)一步改進(jìn)提高分辨能力。

關(guān)鍵詞：X射線背散射成像;石油管道在線檢測(cè);無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TH878.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）24-0138-03

Abstract： The use of non-destructive inspection techniques to ensure the safety， efficiency， environmental integrity and compliance of oil pipeline infrastructure is very important. This paper proposes the concept of an intelligent X-ray backscattering nondestructive in-line inspection robot using the advantages of the high penetrating ability of X-rays， the single-sided arrangement of backscattering imaging technology and the modern intelligent robot technology. The Monte Carlo software （Geant4） has been used to model and design the core of the proposed X-ray backscatter imaging system， and further used to simulate the detection performance of defects. The simulation results show that the X-ray backscattering detection technology can detect the variation of the defects of wallswith a thickness of 4 mm and above and the cracks with a width of 1 mm and above in the pipe. The detection system could be further improved in resolution.

Keywords： X-ray backscatter imaging; in-line inspection of petroleum pipelines; nondestructive testing technology

引言

管道運(yùn)營(yíng)商最重要的是確保其管道基礎(chǔ)設(shè)施的安全性、效率、完整性和合規(guī)性。其中，影響鋼管壁完整性的兩個(gè)關(guān)鍵是金屬損失，即由于腐蝕或氣刨導(dǎo)致的管壁變薄，以及裂縫[1]。這就需要一種在線檢測(cè)工具能夠測(cè)定管道尺寸和定位管道壁的各種特征并提供有關(guān)此類特征的形狀、方向和位置的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

目前常用的在線檢測(cè)工具（智能豬）中應(yīng)用了多種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，漏磁、渦流和超聲檢測(cè)技術(shù)原理均可用于探測(cè)金屬損失和管道尺寸測(cè)量[1，3];其中超聲在線檢測(cè)技術(shù)基于壁厚直接或線性測(cè)量，因此具有高準(zhǔn)確度和靈敏度;但自動(dòng)超聲在線檢測(cè)系統(tǒng)存在設(shè)備投資大、維護(hù)費(fèi)用高、缺乏自動(dòng)超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、對(duì)操作人員要求高等不足。另一方面，超聲檢測(cè)不適合焊縫處的檢測(cè)，而X射線檢測(cè)不受焊縫的影響[3-4]。X射線檢測(cè)技術(shù)比較成熟，但透射檢測(cè)放射源和探測(cè)器要分別位于檢測(cè)管道的兩側(cè)不適合深埋管道的檢測(cè)，而基于康普頓散射原理的X射線檢測(cè)時(shí)，放射源和探測(cè)器位于管道一側(cè)，檢測(cè)系統(tǒng)不受檢測(cè)物的幾何尺寸限制（對(duì)于擴(kuò)展或厚結(jié)構(gòu)很重要），這也是散射技術(shù)相對(duì)于透射技術(shù)的重要優(yōu)勢(shì)，故而基于散射原理的X射線檢測(cè)適合深埋管道的檢測(cè)[5-6]。

本文研究基于X射線背散射成像的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)集成在管道智能豬上對(duì)管壁厚度變化及裂縫進(jìn)行檢測(cè)的可行性。將X射線背散射成像設(shè)備搭載在管道豬上，能實(shí)現(xiàn)對(duì)深埋管道的在線檢測(cè)，同時(shí)又不影響管道輸送原油。采用蒙卡模擬軟件Geant4建立了管道內(nèi)X射線背散射成像系統(tǒng)，模擬了其對(duì)管壁厚度的響應(yīng)及管道裂縫寬度的響應(yīng)，為后續(xù)進(jìn)一步系統(tǒng)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)工作流程

1.1 X射線散射成像原理

X射線散射成像技術(shù)利用的康普頓散射光子對(duì)物體成像，重構(gòu)物體內(nèi)部電子密度分布[6-7]?？灯疹D散射檢測(cè)技術(shù)利用康普頓散射光子來(lái)獲得材料密度信息;如圖1所示，探測(cè)系統(tǒng)由三部分組成：X射線源、X射線探測(cè)器和兩個(gè)準(zhǔn)直器組成。兩個(gè)準(zhǔn)直器開(kāi)孔的大小決定了探測(cè)單元體素的體積大小。

根據(jù)Klein-Nishina模型，計(jì)算入射X射線能量分別為300，200，100 keV時(shí)，其康普頓散射截面跟角度的關(guān)系如圖2所示。可見(jiàn)散射截面與入射光子的能量和角度非常大的相關(guān)行。高能射線前向散射概率大，即大概率會(huì)穿透物質(zhì);低能射線，背散射概率大。

1.2 智能X射線背散射無(wú)損檢測(cè)機(jī)器人工作流程

基于X射線管內(nèi)檢測(cè)裝置可搭載在管道檢測(cè)智能豬上，如圖3所示，散射檢測(cè)工具系統(tǒng)由掃描探頭、電源供應(yīng)、控制系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)其中，掃描頭由X射線源、可旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)直器、圓筒形探測(cè)器及電子與信號(hào)處理單元組成。為了提高檢測(cè)速度，通常采用多豬結(jié)構(gòu)搭載多臺(tái)散射檢測(cè)工具;也可以利用多豬中的一個(gè)豬攜帶電池供電實(shí)現(xiàn)無(wú)線電源供應(yīng)以及智能的自動(dòng)驅(qū)動(dòng)等[8]。

2 X射線背散射系統(tǒng)模擬仿真

根據(jù)GB50253-2014輸油管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[9]，輸油管道的材質(zhì)一般都是20#鋼，輸油管道直徑范圍大致300～1000mm[10]，背散射成像系統(tǒng)建模中，管道內(nèi)直徑設(shè)為300.00mm，壁厚8.00mm。

金屬損失和裂縫可出現(xiàn)在各種幾何形狀缺陷中以及管道生命周期中的任何時(shí)間。背散射成像系統(tǒng)建模中，采用在管道上挖槽來(lái)表示缺陷，槽的不同深度表示金屬損失，槽的不同寬度表示裂縫寬度。

準(zhǔn)直器和探測(cè)器均采用圓柱形布置，具體布置如圖4所示;內(nèi)徑端準(zhǔn)直器準(zhǔn)直板間距為2.00mm。由于管道的對(duì)稱性，為防止背散射粒子不經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直器直接進(jìn)入探測(cè)器，在探測(cè)器端面上設(shè)置鎢或鉛擋板。探測(cè)器設(shè)為理想探測(cè)器，探測(cè)器陣列沿圓柱面布置，探測(cè)器長(zhǎng)和寬與準(zhǔn)直器的狹縫長(zhǎng)和寬一致。

3 模擬結(jié)果

3.1 入射X射線的能量

入射X射線能量的選擇需要根據(jù)檢測(cè)樣品的厚度來(lái)選擇。針對(duì)如圖1所示的系統(tǒng)，采用Geant4建立模型模擬不同能量的X射線入射到不同厚度的鐵板上，統(tǒng)計(jì)背散射射線光子數(shù)。

采用4MeV、2MeV、1MeV等不同能量的X射線入射到5.00～40.00mm厚度的鐵板上，可以計(jì)算散射135°散射光子能量Ec。探測(cè)器光子計(jì)數(shù)與鐵板厚度的關(guān)系如圖5所示：（1）入射X射線能量為4MeV和2MeV時(shí)，散射光子計(jì)數(shù)比0.5MeV的少;入射X射線能量為0.5MeV時(shí)，背散射微分散射截面大于入射X射線能量為4MeV和2MeV時(shí)的情形。（2）鐵板厚度變化<40.00mm時(shí)，入射X射線能量低時(shí)，探測(cè)到的散射光子計(jì)數(shù)與樣品厚度變化存在非單調(diào)相關(guān)現(xiàn)象;低能射線發(fā)生多次散射無(wú)法獲得首次135°散射光子。（3）高能X射線穿透能力強(qiáng)，發(fā)生背散射反應(yīng)截面小，散射計(jì)數(shù)偏少。故而背散射成像系統(tǒng)需要采用合適的X射線能量。

入射X射線能量0.5MeV以上，樣品厚度15.00mm以下時(shí)，計(jì)數(shù)與樣品厚度接近線性相關(guān)關(guān)系;管道檢測(cè)背散射成像的模擬中，由于管道壁厚<15mm，故而，下文的模擬中入射X射線能量設(shè)置為0.5MeV，X射線沿管壁各向同性垂直入射到管壁。

3.2 壁厚檢測(cè)結(jié)果

首先驗(yàn)證管壁無(wú)損傷時(shí)，模擬數(shù)據(jù)沿管壁的分布是均勻的。模擬結(jié)果如圖6所示，橫坐標(biāo)為探測(cè)器編號(hào)（與準(zhǔn)直器的狹縫編號(hào)一致），縱坐標(biāo)為探測(cè)器計(jì)數(shù)，紅色為擬合曲線，可見(jiàn)管壁無(wú)損傷時(shí)，探測(cè)器計(jì)數(shù)分布均勻。為檢測(cè)管壁厚度缺損，模擬時(shí)采用在內(nèi)管壁上挖100.00mm寬，深分別8.00mm、4.00mm和2.00mm帶狀槽表示管壁缺損，分析探測(cè)器的計(jì)數(shù)與管壁金屬損失之間的關(guān)系，如圖7所示。入射X射線的粒子個(gè)數(shù)為109，管壁厚度缺損8.00，4.00mm時(shí)，在管壁缺損處的探測(cè)器計(jì)數(shù)明顯減少。管壁厚度缺損2.00mm時(shí)，此時(shí)探測(cè)器陣列的計(jì)數(shù)已經(jīng)無(wú)法反映管壁厚度的缺損。故而4.00mm及以上的管壁厚度缺損可以被檢測(cè)出。

3.3 裂縫寬度檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)對(duì)管壁壁厚的檢測(cè)結(jié)果，預(yù)測(cè)對(duì)管壁裂縫的檢測(cè)精度也應(yīng)該在8.00mm以下。選擇對(duì)8.00mm、4.00mm、2.00mm、1.00mm的管道裂縫寬度進(jìn)行模擬（裂縫深度均為8.00mm），其模擬結(jié)果如圖8所示，四種尺寸的裂縫均在探測(cè)器計(jì)數(shù)上得到體現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果表明檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)1.00mm管道裂縫的檢測(cè)。

4 結(jié)論

通過(guò)蒙特卡洛模擬管道內(nèi)X射線背散射成像檢測(cè)，驗(yàn)證了將X射線背散射成像設(shè)備搭載在管道智能豬上對(duì)管壁厚度變化及裂縫進(jìn)行檢測(cè)的可行性，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)4mm及以上的管壁厚度缺損和1mm及以上的裂縫寬度進(jìn)行甄別的能力。為該項(xiàng)目的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Beller M， Uzelac N I， Barbian A.Combined Quantitative In-Line Inspection of Pipelines for Metal Loss and Cracks[C]//2006 International Pipeline Conference. American Society of Mechanical Engineers，2006：857-864.

[2]李晨光.管道焊縫無(wú)損檢測(cè)的綜合方法結(jié)合及圖像處理[D].中國(guó)石油大學(xué)，2011.

[3]Vanaei H R，Eslami A，Egbewande A.A review on pipeline corrosion，in-line inspection（ILI）， and corrosion growth rate models[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping， 2017，149：43-54.

[4]張宏亮，曹立江，李健，等.海上管道檢測(cè)用X射線爬行器的研制[J].無(wú)損探傷，2015，39（01）：31-33.

[5]Liu Z， Kleiner Y.State of the art review of inspection technologies for condition assessment of water pipes[J].Measurement，2013，46（1）：1-15.

[6]Sharma A，Sandhu B S，Singh B.Incoherent scattering of gamma photons for non-destructive tomographic inspection of pipeline[J].Applied Radiation and Isotopes，2010，68（12）：2181-2188.

[7]Abdul-Majid S，Balamesh A.Imaging corrosion under insulation by gamma ray backscattering method[C]//18th World Conference on Nondestructive Testing，2012：16-20.

[8]Shedlock D，Hammerschmidt A.X-ray backscatter device for wellbore casing and pipeline inspection：U.S.Patent 8，138，471[P].2012-3-20.

[9]GB50253-2014.輸油管道工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].