基于數(shù)字探測器陣列技術(shù)的帶包覆層管道腐蝕檢測

劉懌歡，陳 樂，李衛(wèi)星，趙 聰

(1.天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院,天津 300192；2.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院,上海 200062)

壓力管道是生產(chǎn)生活中重要的傳輸設(shè)備，通常盛裝高溫(或超低溫)、高壓、易燃、易爆、有毒等危險(xiǎn)性較大的介質(zhì)，其安全運(yùn)行具有重大意義。由于長期受到內(nèi)部物料及外部環(huán)境介質(zhì)的化學(xué)與電化學(xué)作用，壓力管道易出現(xiàn)壁厚減薄現(xiàn)象，從而帶來安全隱患。另一方面，由于包覆層隔熱和防護(hù)等要求，壓力管道外圍大多敷設(shè)一層包覆層，傳統(tǒng)壁厚檢測方法(如超聲波測厚儀檢測)檢測時(shí)需要大量破壞包覆層，恢復(fù)包覆層時(shí)安裝工藝的差異又可能會(huì)造成雨水滲入產(chǎn)生二次腐蝕。因此，選擇可靠的壓力管道帶包覆層壁厚檢測技術(shù)具有十分重要的意義。

目前，常用的帶包覆層管道測厚技術(shù)有脈沖渦流檢測、漏磁檢測以及膠片照相法，但都各存在局限性。脈沖渦流技術(shù)對帶包覆層管道測厚時(shí)，周圍管道以及包覆層內(nèi)的鐵磁性物質(zhì)對特征信號的提取會(huì)存在一定的干擾，包覆層厚度的不均勻也會(huì)干擾檢測結(jié)果，且對局部腐蝕的檢測靈敏度較低。射線膠片照相檢測技術(shù)有成本高、檢測結(jié)果誤差較大、寬容度較低、檢測效率低、膠片長期儲(chǔ)存困難和不利于數(shù)字建檔等缺點(diǎn)[1]。漏磁檢測技術(shù)只能發(fā)現(xiàn)較大的腐蝕坑，且圖像不直觀[2]。所以有必要研究直觀精確且干擾因素少的帶包覆層管道測厚技術(shù)。

基于數(shù)字探測器陣列(DDA)的射線數(shù)字成像技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)無損檢測領(lǐng)域。使用該技術(shù)檢測時(shí)，穿透被檢工件的X射線攜帶工件信息被平板探測器接收，直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像顯示在顯示器上，無需暗室處理，檢測效率高，缺陷檢出率可以媲美傳統(tǒng)膠片的檢出率。筆者采用基于DDA的數(shù)字射線成像技術(shù)透照帶包覆層壓力管道進(jìn)行成像，通過邊緣提取技術(shù)識別管壁區(qū)域并檢測壁厚，再與實(shí)際壁厚進(jìn)行對比，驗(yàn)證該技術(shù)檢測帶包覆層管道腐蝕的可行性；同時(shí)分析檢測結(jié)果誤差的產(chǎn)生原因，提出進(jìn)一步優(yōu)化圖像對比靈敏度與降低校準(zhǔn)、檢測誤差的措施。

1 檢測設(shè)備與檢測原理

試驗(yàn)裝置采用非晶硅平板探測器、脈沖X射線源。檢測原理為：射線機(jī)發(fā)射X射線穿透被檢管道，由于衰減特性，不同厚度區(qū)域透射出來的射線強(qiáng)度相對入射強(qiáng)度會(huì)有一定的減弱；穿透工件后的X射線光子撞擊非晶硅平板探測器的閃爍體材料，閃爍體材料將其轉(zhuǎn)化成可見光信號，光電二極管陣列接收該可見光信號并轉(zhuǎn)換為電信號，再將電信號送至計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，從而形成X射線數(shù)字圖像。

為貼近真實(shí)情況，試驗(yàn)用管子為自然狀態(tài)，無人工加工缺陷，材料為20鋼，規(guī)格(直徑×壁厚)有兩種，分別為60 mm×6 mm和60 mm×5 mm，包覆層均為50 mm巖棉+1 mm鐵皮，管內(nèi)無介質(zhì)。試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)管道如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置及管道實(shí)物

射線透照方式如圖2所示，為了便于圖像尺寸校準(zhǔn)，緊貼包覆層放置一個(gè)已知尺寸的鋼球同時(shí)成像。通過幾何關(guān)系確定外切AC與內(nèi)切AE線間的壁厚。由圖2可以看出:AC切線上側(cè)，X射線未穿過任何壁厚，直接被平板探測器接收，此時(shí)灰度最大;AC切線下側(cè)X射線束穿透了一定厚度的壁厚，灰度逐漸降低，至AE切線處，射線穿透壁厚最大，此時(shí)灰度最小;而后往下由于穿透壁厚降低灰度又逐漸升高。上述管道區(qū)域的灰度輪廓如圖3所示。

圖2 管道試驗(yàn)透照示意

圖3 管壁區(qū)域的灰度輪廓

圖4 透照后圖像與邊緣提取處理后的圖像

2 試驗(yàn)過程與分析

透照參數(shù)如下：峰值電壓為370 kV，脈沖數(shù)為90個(gè)，焦距為400 mm，疊加幀數(shù)為8幀。

圖4(a)為透照后的數(shù)字圖像，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對該數(shù)字圖像進(jìn)行邊緣提取，確定管道及校準(zhǔn)球的邊緣位置，邊緣提取處理后的數(shù)字圖像如圖4(b)所示。

此外，對帶包覆層和不帶包覆層的管道圖像進(jìn)行檢測和比對,處理后的圖像如圖5所示。

圖5 不帶包覆層和帶包覆層管道的邊緣提取圖像

經(jīng)邊緣提取處理后的數(shù)字圖像，利用校準(zhǔn)球的縱坐標(biāo)方向長度(橢圓影像長軸方向)進(jìn)行尺寸測量校準(zhǔn)。在靠近校準(zhǔn)球處，使用測量軟件選取縱坐標(biāo)方向管壁內(nèi)側(cè)和外側(cè)，測量該區(qū)域縱坐標(biāo)方向的長度，即為管道壁厚。試驗(yàn)結(jié)果與分析如表1所示。

表1 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由表1可以看出，根據(jù)試驗(yàn)所采用的透照參數(shù)與檢測方法，得出的帶包覆層管道檢測結(jié)果雖有一些誤差，無法達(dá)到超聲波測厚儀的精度，且比不帶包覆層管道的檢測結(jié)果要差，但檢測結(jié)果總體誤差并不大，說明采用基于DDA的射線數(shù)字成像技術(shù)檢測管道腐蝕減薄具有可行性。分析得出，誤差產(chǎn)生的原因，主要有以下幾點(diǎn)。

(1) 透照參數(shù)的影響。X射線管電壓與曝光量直接影響數(shù)字圖像的對比靈敏度，試驗(yàn)采用脈沖源，曝光參數(shù)的優(yōu)化受到限制，難以通過優(yōu)化曝光參數(shù)的方式來提高邊緣提取的準(zhǔn)確性。

(2) 外包覆層的影響。試驗(yàn)中管道包覆層采用的是1 mm厚的鐵皮，在薄壁管測厚時(shí)，一定程度上影響了圖像對比靈敏度，最終影響了邊緣提取的準(zhǔn)確性。

(3) 校準(zhǔn)誤差。雖然檢測過程中利用校準(zhǔn)球進(jìn)行校準(zhǔn)降低了實(shí)際檢測誤差，但校準(zhǔn)球的放大倍數(shù)與切線位置管壁放大倍數(shù)并非完全一致，從而產(chǎn)生了校準(zhǔn)誤差。

(4) 其他誤差。由于圖2中O、B和D點(diǎn)不共線，真實(shí)壁厚與計(jì)算值之間存在誤差，該誤差一定程度上可由校準(zhǔn)球的校準(zhǔn)來彌補(bǔ)，但圖2中∠FBD與∠IGH并非完全一致，且由光學(xué)原理可得GH長度應(yīng)略小于校準(zhǔn)球的實(shí)際直徑。由于校準(zhǔn)球?qū)嶋H尺寸較小且與射線源距離較遠(yuǎn)，故此處誤差可以忽略。

3 結(jié)語

利用基于DDA的射線數(shù)字成像技術(shù)檢測帶包覆層管道壁厚及腐蝕減薄具有一定的可行性。鑒于透照布置相對復(fù)雜，可以采用脈沖渦流檢測技術(shù)進(jìn)行粗掃，再配合基于DDA的射線數(shù)字成像技術(shù)來高效精確地完成帶包覆層管道的腐蝕檢測。圖像靈敏度不足引起的圖像邊緣提取精度不足，可以在后期采用高頻X射線機(jī)進(jìn)行透照，并通過工藝試驗(yàn)，選擇合適的工藝參數(shù)得出較高的圖像對比靈敏度，從而提高邊緣提取的準(zhǔn)確性。校準(zhǔn)、檢測誤差則可通過幾何運(yùn)算求得誤差修正系數(shù)來合理修正。在技術(shù)可行的基礎(chǔ)上，對于不拆除包覆層的壓力管道以及在役管道的腐蝕檢測，后續(xù)研究可采用更優(yōu)的檢測設(shè)備和工藝，以獲得更高的檢測精度。