電力系統(tǒng)的冷陰極X射線管數(shù)字成像檢測

(北京國電電科院檢測科技有限公司，北京 102209)

X射線檢測廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、電力、船舶等行業(yè)。熱陰極X射線管有能量轉(zhuǎn)換效率低、射線檢測時間長等局限性[1]。碳納米管具有良好的導(dǎo)電性能、穩(wěn)定的化學(xué)性能、優(yōu)異的機械性能，被認為是最理想的場致發(fā)射材料之一[2]，其加速了對冷陰極X射線管的研究,推動了X射線檢測技術(shù)的進一步發(fā)展，并且近些年冷陰極X射線機逐漸應(yīng)用在實際檢測中。成像系統(tǒng)也由傳統(tǒng)的膠片成像技術(shù)發(fā)展出計算機射線照相(CR)技術(shù)、數(shù)字陣列檢測技術(shù)(DDA)和計算機層析成像技術(shù)(CT)等。筆者主要介紹了由冷陰極X射線機和數(shù)字陣列檢測系統(tǒng)組成的冷陰極X射線數(shù)字成像系統(tǒng)以及該技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用案例。

1 冷陰極X射線管數(shù)字射線成像技術(shù)原理

1.1 冷陰極X射線管原理

圖1 冷陰極X射線管結(jié)構(gòu)示意

圖2 冷陰極X射線管外觀

冷陰極X射線管(見圖1,2)主要由陰極、陽極、管殼3部分組成，其中陰極為具有針葉樹形狀的碳納米材料，陽極大多選用錐形鎢針，管殼內(nèi)為真空。冷陰極X射線由X射線真空二極管產(chǎn)生[3]，其電子發(fā)射原理是場致發(fā)射，陰極部位的碳納米結(jié)構(gòu)材料有鋒利的邊角,或者頂端可以增強場發(fā)射電流，并通過外部施加強電場來抑制表面的勢壘[4]，在強電場的作用力下,陰極材料表面的電子射入真空管中，同時陽極部位的錐形針狀結(jié)構(gòu)有利于減小發(fā)射面積,以達到盡可能小的焦點，從而發(fā)出強度更高的X射線。

1.2 冷陰極與熱陰極X射線管的差異

熱陰極X射線使用的陰極材料通常是鎢絲，需要高溫加熱到上千度，才能發(fā)射電子撞擊陽極靶，這與冷陰極X射線場致發(fā)射的工作原理存在差異，也使得二者在實際操作、檢測范圍、使用壽命、成像效率、成像質(zhì)量等方面存在許多不同。二者差異具體如下所述。

(1) 熱陰極X射線管在檢測前需要對燈絲進行預(yù)熱，且在長時間拍攝時,為防止高溫?zé)艚z燒壞，需要進行冷卻散熱。冷陰極X射線管工作原理為場致發(fā)射，不需要預(yù)熱，響應(yīng)速度快，可直接拍攝，且長時間拍攝不需要冷卻散熱。

(2) 冷陰極X射線管使用的碳納米管具有很高的發(fā)射電流密度[5]，場發(fā)射電子初始發(fā)射方向一致,且可以控制在非常小的區(qū)域，具有更小的焦點、更高的分辨率和清晰度。熱陰極X射線管如果要達到一定的發(fā)射電流，燈絲就不能太細，焦點也就不會太小。

(3) 熱陰極X射線管(見圖3)中，電子的大部分動能轉(zhuǎn)換為熱能散發(fā)出去，能量轉(zhuǎn)換效率低，需要有更多的曝光量來獲得X射線，輻射量大；而冷陰極X射線管的能量轉(zhuǎn)換效率高，可以用較低的曝光量來獲得相同強度的X射線，輻射量小。

圖3 熱陰極X射線二極管結(jié)構(gòu)示意

(4) 冷陰極X射線管的碳納米管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可以長時間工作，比熱陰極X射線管的使用壽命更長。

(5) 冷陰極X射線管不需要加熱，可以安裝在便攜式、低能耗的移動X射線成像設(shè)備中，便于現(xiàn)場或野外應(yīng)用。

(6) 熱陰極X射線管的工作頻率存在波動，而冷陰極X射線管頻率恒定，可穩(wěn)定發(fā)射X射線，更加適合數(shù)字X射線成像系統(tǒng)，可以得到更加均勻清晰的成像結(jié)果。隨著數(shù)字X射線成像系統(tǒng)的普遍應(yīng)用，冷陰極X射線管在射線檢測領(lǐng)域具有更好的應(yīng)用前景。

1.3 數(shù)字X射線成像原理

目前應(yīng)用于現(xiàn)場檢測的數(shù)字射線成像系統(tǒng)主要是非晶硅數(shù)字陣列結(jié)構(gòu)。非晶硅結(jié)構(gòu)成像原理是當(dāng)X射線撞擊陣列板表面的閃爍層時，該閃爍層發(fā)出光電子，光電子被硅光電二極管陣列采集并將其轉(zhuǎn)化成電荷，再將這些電荷轉(zhuǎn)換為每個像素的數(shù)字值。光電信號由掃描控制器讀取，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，獲得在顯示器上顯示的數(shù)字化圖像。

數(shù)字陣列成像系統(tǒng)的技術(shù)特點是：① 取代膠片，減少環(huán)境污染，可實時成像；② 檢測效率高，容易實現(xiàn)自動化；③ 圖像靈敏度高(動態(tài)范圍、對比度、寬容度等);④ 數(shù)字圖像的處理、交互性、存儲性、便利性更好；⑤ 所需射線劑量小，輻射少。

2 冷陰極X射線管數(shù)字成像系統(tǒng)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用

電力系統(tǒng)中的管道、容器類型較多，檢測對象的公稱厚度從幾毫米到一百多毫米不等，在實際檢測中存在操作空間受限、常規(guī)熱陰極X射線機透照范圍有限、短距離射線交叉作業(yè)等問題，因此體積小、便攜的冷陰極X射線數(shù)字成像檢測技術(shù)成為新的檢測手段。

冷陰極X射線管數(shù)字成像系統(tǒng)中設(shè)備有：TXR-C1R180P-01型冷陰極X射線機、CareView750Cw型數(shù)字成像板、計算機、成像分析軟件Analysis V2.0和拍攝控制軟件View V1.0。數(shù)字成像板CareView750Cw的動態(tài)范圍為16 bit。圖像處理軟件常用功能有測量工具、計算分析工具、圖像處理工具、優(yōu)化功能、圖像支持等。

目前型號為TXR-C1R180P-01的冷陰極X射線機的最大電壓為180 kV，脈沖電流為1 mA，脈沖時間為1 s，經(jīng)試驗測試，該射線機對鋼材的穿透厚度可達28 mm左右，滿足成像圖片質(zhì)量要求的穿透厚度在20 mm左右，可用于公稱厚度小于10 mm小徑管的雙壁透照檢測，或公稱厚度小于20 mm工件的單壁透照，大壁厚工件是目前冷陰極X射線所不能穿透的。在既滿足射線檢測要求，又能短時間、高效率地獲得檢測結(jié)果,還能輻射低，不影響周邊其他工作的情況下，可由冷陰極X射線機和數(shù)字成像技術(shù)組成冷陰極X射線管數(shù)字成像系統(tǒng)進行檢測。

3 在電力系統(tǒng)的應(yīng)用實例

3.1 電廠小徑管檢測

對某電廠的兩個小徑管試樣進行檢測。試樣1規(guī)格為φ45 mm×7.0 mm(外徑×壁厚)，材料為SA213-T91；試樣2規(guī)格為φ58 mm×3.8 mm(外徑×壁厚)，材料為不銹鋼。采用冷陰極X射線管數(shù)字成像檢測，綜合考慮材料、壁厚等因素，經(jīng)過測試，獲得了較好的檢測結(jié)果。

試樣1的曝光參數(shù)選用焦距為200 mm,電壓為180 kV,電流為1 mA，脈寬為1 s，得到較佳圖像質(zhì)量(見圖4)，原圖灰度為14 768，信噪比為30.4，可識別雙線型像質(zhì)計絲號10和單線型像質(zhì)計絲號12。

圖4 小徑管試樣1的X射線檢測圖像

圖5 小徑管試樣2的X射線檢測圖像

試樣2的曝光參數(shù)選用焦距為355 mm,電壓為150 kV,電流為1 mA，脈寬為1 s，得到較佳圖像質(zhì)量(見圖5)，原圖灰度、單線型像質(zhì)計絲號、雙線型像質(zhì)計絲號、信噪比等均能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.11-2015 《承壓設(shè)備無損檢測 第11部分：X射線數(shù)字成像檢測》的AB級要求。

3.2 高壓電纜接頭檢測

某高壓電纜線接頭試樣外觀如圖6所示，材料為鋁，為了檢測內(nèi)部電纜線和接頭處是否有斷裂缺陷，采用兩組曝光參數(shù)：焦距為280 mm,電壓為140 kV,電流為1 mA,脈寬為0.5 s；焦距為380 mm,電壓為140 kV,電流為1 mA,脈寬為1 s。測得原始灰度為14 768，可識別單線型像質(zhì)劑絲號10，可識別雙線型像質(zhì)計絲號12，信噪比為30.4，也可經(jīng)過兩三次的高通濾波獲得較佳檢測圖像(見圖7)，圖中可以清晰地看到內(nèi)部線纜和斷面。

圖6 電纜接頭試樣外觀

圖7 不同曝光參數(shù)下電纜接頭X射線檢測圖像

3.3 高壓埋地電纜檢測

高壓埋地電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示，主要檢測其鋼絲鎧裝有無析出物，該析出物會導(dǎo)致絕緣體層的腐蝕，引起鋼絲鎧裝火光短路，電纜直徑約為100 mm,焦距為400 mm,曝光參數(shù)選用電壓為140 kV，電流為0.5 mA,脈寬為0.5 s,通過兩次高通濾波得到完好的和火光短路后的鋼絲鎧裝檢測結(jié)果(見圖9，10)。

圖8 高壓埋地電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

圖9 完好的鋼絲鎧裝X射線檢測結(jié)果

圖10 火花短路后的鋼絲鎧裝檢測結(jié)果

圖11 水冷壁管排外觀

圖12 不同曝光參數(shù)下的水冷壁管排成像結(jié)果

3.4 水冷壁管排檢測

水冷壁管排(見圖11)規(guī)格為φ28.9 mm×6.7 mm(外徑×壁厚)，材料為15CrMoG，選用兩組曝光參數(shù)：焦距為200 mm,電壓為160 kV，電流為1 mA,脈寬為1 s；焦距為300 mm,電壓為180 kV，電流為1 mA,脈寬為1 s。得到對比效果較佳的檢測結(jié)果(見圖12)，灰度、線型像質(zhì)計、信噪比等滿足標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.11-2015的AB級要求，可清晰地看到焊縫上的裂紋缺陷。

3.5 有油管道檢測

某電廠油管道規(guī)格為φ60 mm×55.5 mm(外徑×壁厚),材料為0Cr18Ni9,選用兩種曝光參數(shù)：焦距為200 mm,電壓為160 kV，電流為1 mA,脈寬為1 s；焦距為300 mm,電壓為180 kV，電流為1 mA,脈寬為1 s。得到三通對接接頭成像結(jié)果(見圖13)和彎頭對接接頭成像結(jié)果(見圖14)，灰度、單線型像質(zhì)計、雙線型像質(zhì)計、信噪比等均滿足標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.11-2015的AB級要求，可清晰地看到焊縫上的裂紋缺陷。

圖13 三通對接接頭X射線檢測結(jié)果

圖14 彎頭對接接頭X射線檢測結(jié)果

圖15 某電站有油管道角焊縫外觀

圖16 某電站有油管道角焊縫檢測結(jié)果

某電站有油管道角焊縫外觀及檢測結(jié)果如圖15，16所示。

3.6 氧化皮堆積檢測

某電廠對高溫再熱器管氧化皮進行堆積檢測，由于空間有限，現(xiàn)場使用簡易工裝進行檢測(見圖17)，高溫再熱器規(guī)格為φ51 mm×4 mm(外徑×壁厚),材料為T91，選用兩種曝光參數(shù)：焦距為110 mm，射線源到工件表面的距離為50 mm,電壓為180 kV，電流為0.5 mA,脈寬為0.1 s；焦距為100 mm，射線源到工件表面的距離為30 mm,電壓為160 kV，電流為0.5 mA,脈寬為0.1 s，獲得的成像結(jié)果如圖18所示，可清晰地看到管內(nèi)堆積物程度。

圖17 某氧化皮堆積檢測現(xiàn)場

圖18 平板對接焊縫成像結(jié)果

3.7 平板對接試樣檢測

對某電廠厚度為12 mm，材料為20g鋼的平板對接接頭試樣進行檢測，曝光參數(shù)選用焦距為200 mm,電壓為180 kV，電流為1 mA,脈寬為1 s,成像結(jié)果中可清晰地看到缺陷(見圖19)。

圖19 平板對接焊縫成像結(jié)果

4 結(jié)語

通過一系列檢測，發(fā)現(xiàn)冷陰極X射線數(shù)字成像檢測可以滿足電廠小徑管、高壓電纜接頭、埋地電纜、水冷壁管排、有油管道、氧化皮堆積等構(gòu)件的檢測要求，且在檢測效率和輻射防護等方面優(yōu)于熱陰極X射線管的。但冷陰極X射線檢測技術(shù)存在脈沖電壓電流小、時間短等問題，不能穿透厚度大的工件，應(yīng)用范圍受到了一定制約。盡管如此，冷陰極X射線管的研究與應(yīng)用前景還是很廣闊的。