小徑管自動x射線實時數字成像檢測系統設計

小徑管自動x射線實時數字成像檢測系統設計

比較和分析了各種小徑管對接焊縫x射線實時成像技術,開發出一種性價比極高的自動x射線實時數字成像檢測方法和設備。實際應用的結果表明,系統具有檢測速度快、靈敏度和分辨率高的特點,成像質量優于jb 4730—2005標準中規定的ab級。

關鍵詞:射線檢測;小徑管;x射線數字成像;焊縫檢測

在鍋爐生產行業,小徑管對接環焊縫的x射線實時成像檢測是一個必不可少的質量控制手段,歷來受到業主、生產廠和無損檢測人員的普遍關注。我國鍋爐生產企業采用了多種檢測技術,但就小徑管對接焊縫而言,由于探傷工作量大,而其它檢測方法難以滿足生產節拍的要求,因此x射線實時成像技術實際上已經作為唯一的檢測方法被廣泛采用[1],可在行業內卻缺乏明確的x射線驗收方法和相應的圖像質量標準[2-5],從而導致許多檢測設備都不同程度地存在一些技術問題,產生安全隱患。因此,有必要從選擇x射線實時成像設備出發,通過規范小徑管對接環焊縫質量檢測的技術和方法,達到規范產品質量檢測的目的。

1現有小徑管x射線成像檢測技術概況

隨著技術的不斷發展,小徑管x射線非膠片成像檢測已經從傳統的單一的x射線電視成像技術逐漸向多樣化的數字成像技術過渡。x射線數字成像技術依據探測器種類可分為圖像增強器式、線陣列式、平板式和熒光板式;依據檢測區域可分為線成像和面成像兩種方式;依據成像速度可以分為實時成像、近實時成像和數字照相三種。不同的成像技術具有各自的特點和應用領域,必須從實際需要出發,做出正確的選擇。

眾所周知,x射線對于有方向的缺陷(如裂紋、未融合等)的檢出能力取決于射線透照方向與缺陷方向的夾角。動態實時成像由于可連續觀察到內部缺陷在較大角度范圍的透照影像,因此可實現方位的最佳化,有助于提高該類缺陷的檢出能力。因為小徑管對接焊縫內可能含有方向性的缺陷,所以是否具有實時成像能力應該作為該類在線檢測設備的一個重要考核指標。
1.1x射線電視成像技術

自20世紀70年代開始,x射線電視成像技術逐漸走向工業應用,是到目前為止小徑管環向對接焊縫檢測應用最為廣泛的設備。系統的核心部件是x射線圖像增強器、電視攝像機和圖像顯示器,信息傳遞模式是:x射線→可見光→電信號→模擬圖像。圖像增強器完成x射線到可見光的轉換和亮度增強,經過數代產品更新,目前分辨率可以達到9.0 lp/mm,并具有抗老化能力。攝像機雖然從最初的電子管相機發展到目前的ccd模擬相機,從隔行掃描發展到逐行掃描,性能有所提高,但沒有實質性的進步。圖像顯示器也只是從隔行顯示過渡為逐行顯示,減小了圖像閃爍。

雖然圖像增強器技術得到了快速發展,但由于相機分辨率低(一般為768像素×576像素)和系統噪聲較大,因此x射線電視成像系統的檢測靈敏度和系統分辨率較低。
1.2x射線慢掃描成像技術

該技術在x射線探測器的前端安裝了與圖像增強器類似的碘化銫或其它材料的熒光屏,后端配接模擬或數字相機,信息傳遞模式是:x射線→可見光→電信號→數字信號→數字圖像。由于熒光屏的發光亮度不高,因此相機的曝光時間較長,只有通過時間延遲積分來獲得較亮的降噪圖像。該方法類似于膠片照相方法,只是曝光時間可以從幾分鐘降低到幾秒鐘。

慢掃描成像技術可以看作一種模擬膠片照相的技術,不具有實時成像功能,小徑管旋轉時沒有動態圖像顯示,不能在不同角度觀察焊接缺陷,對危害性大的裂紋和未融合的檢出能力很低。該系統的分辨率取決于相機的分辨率和實際檢測區域的大小。
1.3x射線線陣掃描成像技術

線陣列探測器一般采用gd2o2s或cdwo4作為熒光轉換材料,利用光電二極管或者cmos陣列作為圖像探測器,信息傳遞模式是:x射線→可見光→電信號→數字信號→數字圖像。線陣列探測器每個瞬時只能對很小的區域進行檢測,通過與被檢測物體的相對運動來完成整個檢測過程。線陣列探測器需要比其它成像技術更高的射線能量且檢測速度較慢,尤其是對壁厚較大的小徑管,檢測時效率更低。另外,線陣列探測器要求非常穩定的射線劑量輸出,微小的劑量變化將產生嚴重的橫向圖像干擾條紋,所以需要采用高穩定性的x射線系統。
1.4x射線平板成像技術

平板探測器采用gd2o2s或cdwo4作為熒光轉換材料,利用α-si tft陣列作為圖像探測器,信息傳遞模式是:x射線→可見光→電信號→數字信號→數字圖像。平板探測器的空間分辨率相對固定,影像幾何畸變小,高分辨率時成像速度慢,無法實現實時成像且造價昂貴,在小徑管檢測時很少采用。
2小徑管對接焊縫檢測依據的技術標準

國民經濟飛速發展引起的產品標準落后于產品制造的現象在我國非常嚴重。對于小徑管對接焊縫檢測而言,雖然jb/t 4730.2—2005[2]標準針對x射線膠片照相法已經作了詳細規定,但對x射線非膠片成像技術應該執行的標準則沒有明確。為使不同的成像方法達到相同的檢測效果,現提出小直徑鋼管對接環焊縫檢測依據標準的要點。
2.1透照工藝
執行jb/t 4730. 2—2005標準的相關條款內容。
2.1.1透照布置

依據條款jb/t 4730.2—2005標準中4.1.4小徑管環向對接焊接接頭的透照布置規定。

小徑管采用雙壁雙影透照布置,當同時滿足t(壁厚)≤8 mm和g(焊縫寬度)≤d0/4(d0為小徑管外徑)兩個條件時,應采用傾斜透照方式橢圓成像;不滿足上述條件或橢圓成像有困難時,可采用垂直透照方式重疊成像。
2.1.2透照厚度比

依據jb/t 4730.2—2005標準表3規定,當管徑d0≤100 mm時,允許的透照厚度比k≤1.1;當管徑100 mm<d0≤400 mm時,k≤1.2。
2.1.3透照次數

由于管子可以連續轉動和觀察,因此對于x射線實時成像,原則上透照次數不作限制。但在需要保存記錄圖像數據和采用數字照相的場合,依據jb/t 4730.2—2005標準中4.15和附錄d之相關規定。
2.2圖像質量

執行jb/t 4730.2—2005和gb/t 19293—2003[3]標準的相關條款內容。
(1)像質指數 執行jb/t 4730.2—2005標準4.11.3表6或表7規定的ab級標準。
(2)系統分辨率 執行gb/t 19293—2003標準5.7之規定,達到3.0 lp/mm。