X射線數字實時成像檢測技術在淺海鋼管鋪設中的應用

(1.沈陽市自然資源保護行政執法支隊，沈陽 110031；2.丹東華日理學電氣有限公司，丹東 118001；3.丹東市陽光儀器有限公司， 丹東 118001)

近年來,隨著國內外油氣等管路鋪設項目的大量增加,淺海管路鋪設項目增長迅速，但惡劣的工作條件限制了鋪設鋼管對接焊縫缺陷的X射線檢測。傳統的X射線檢測方法存在效率低，膠片損耗資源大等缺點。X射線數字實時成像檢測技術的應用，解決了各種實際問題，筆者從環形機械移動平臺入手，結合X射線實時成像原理，介紹了海上鋼管對接焊縫的高效率X射線實時數字成像檢測系統的構成及其具體的應用過程。應用結果表明，該系統具有自動化程度高，提高工作效率及節約膠片等優點。

1 淺海鋪設鋼管焊縫的X射線數字成像檢測系統

檢測系統由X射線檢測單元、機械傳動系統、專用軟件與控制系統、輻射防護系統等組成，檢測系統組成框圖如圖1所示。

圖1 X射線數字實時成像檢測系統組成框圖

X射線檢測單元包括X射線管及數字成像板，成像板的成像原理是： X射線管發射出的X射線穿透被檢測鋼管，照在數字成像板上。數字成像板將接收到的光信號轉換成圖像信號，再將信號傳輸到計算機顯示器上，進行實時圖像缺陷檢查。由于是雙臂透照鋼管，為了避免前后兩條焊縫重疊，將射線管與成像板偏移微小角度，檢測靠近成像板一端的焊縫即可，X射線數字實時成像原理如圖2所示[1-2]。

圖2 X射線數字實時成像原理示意

機械傳動系統包括外部鋼管輸送輥道、防護鉛房和環繞式機械移動平臺，機械傳動系統結構示意如圖3所示。外部鋼管輸送輥道是根據適用鋼管制成的V行傳送輥道，將其固定在船舶上可對鋼管進行輸送。兩根鋼管對接焊接后，送入檢測防護鉛房中進行X射線檢測，合格后將鋼管一直輸送到終端。根據國家標準，檢測防護鉛房可對X射線等進行屏蔽，從而保證人員安全。環繞式機械移動平臺為裝置的核心，其通過移動定位來完成對接焊縫的X射線檢測。

圖3 機械傳動系統結構示意

專用軟件與控制系統由計算機、運動控制器、伺服電機及控制驅動器、位置編碼器及相關電氣元件等組成。通過接收發送各種控制信號，控制驅動各個機構按照預定程序完成相應動作，從而實現整個X射線實時成像檢測的過程。

2 環繞式機械移動平臺的機械結構和功能

環繞式機械移動平臺作為裝置的核心，由平移傳動導軌機構、環形導軌移動架機構、環形移動軌道小車機構、環形齒輪小車驅動機和自動噴標裝置等組成。其中，平移傳動導軌機構由導向平移直線導軌、傳動部件和傳動電機減速機等組成。該平臺的功能是將整體平臺沿橫向向左移動一定距離。當鋼管焊縫有缺陷時，向一側移動一定空間，方便進行焊縫的修補工作。環形導軌移動架是在整體的支撐架體上面鑲嵌的環形導向導軌，其功能是支撐固定整體結構，環形導向定位。環形移動軌道小車由射線管移動固定小車、成像板移動固定小車和環形固定拉板等組成，用于固定射線管和成像板等元器件，其利用車體的行走輪在環形支撐導軌上滾動，實現射線管與成像板等的同步環繞運動。環形齒輪小車驅動裝置由圓環齒輪、電機減速機及驅動齒輪等組成。圓環齒輪固定在環形導軌移動架上，電機減速機及驅動齒輪固定在成像板移動固定小車上。系統控制咬合傳動，帶動環形移動軌道小車運動。自動噴標裝置為電控自動噴涂液體漆液的小型噴標裝置，固定于成像板移動固定小車上，當發現缺陷后系統自動將噴嘴瞄準缺陷位置，自動噴標，標記缺陷位置。環繞式機械移動平臺結構示意如圖4所示。

3 電氣控制處理流程及原理

圖4 環繞式機械移動平臺結構示意

電氣控制中心采用計算機作為上位機，利用面向對象的語言Delphi進行軟件設計和開發，通過運動控制卡驅動系統并采集移動的數據，得到移動位置數據，以用于計算。上位機作為整個系統的操作界面，完成數據分析、報告、處理以及對執行機構的控制等任務。運動控制器作為控制核心，完成發送及接收控制脈沖信號。伺服電機接收控制器發送的脈沖驅動移動軸運動，同時伺服電機編碼器將信號反饋給運動控制器。電氣控制中心的硬件控制結構示意如圖5所示，上位機連接裝有運動控制卡、操作面板、X射線數字成像系統控制器、傳感器接收控制元件、報警提示元件等部件。運動控制卡通過伺服驅動器分別控制環形齒輪小車驅動機構的伺服電機A、平移傳動導軌機構伺服電機B、外部鋼管輸送輥道伺服電機C，從而實現整套裝置的機械行程動作，操作面板安裝一體觸摸屏來實現人機交互控制，傳感器接收控制元件由信號采集反饋芯片及位置編碼器等元器件構成，報警提示元件由傳感器反饋芯片及報警急停接觸器等器件組成。

圖5 硬件控制結構示意

圖6 多線程任務處理方式示意

計算機軟件的具體實現采用多線程任務處理方式(見圖6)， 檢測開始進行系統初始化，即檢測裝置回原點坐標原始定位。啟動線程Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，同步開啟線程Ⅰ(用戶界面交互)、線程Ⅱ(反饋坐標讀取)和I/O口控制、線程Ⅲ(綜合計算處理)。線程Ⅰ負責和用戶的交互，接收用戶設置的一些檢測參數,如速度、焦距、物距等任務；線程Ⅱ負責將反饋位置信息形成數字坐標讀取，并通過I/O口進行控制；線程Ⅲ負責將用戶交互信息及位置坐標信息等進行綜合計算處理。從環形移動軌道檢測工件開始直到檢測結束,系統軟件對掃描圖像進行分析，在顯示屏上對缺陷部位進行標記確定，計算出具體的實物缺陷位置及需要運行的軌跡路程，然后驅動環形齒輪小車驅動機構，承載自動噴標裝置移動到實際缺陷點的上方，并進行缺陷標記。標記后驅動外部鋼管輸送輥道，將鋼管移動出檢測鉛房后立刻進行修補，并重新檢測。

4 角度測量缺陷定位方法

由于整套系統均采用數字成像和數字控制環形移動定位，射線管與成像板的旋轉移動掃描均能用數字化標示出其移動的實時狀態，包括旋轉速度和旋轉角度，以射線管與成像板的中心線為基準線。當在檢測圖像上發現缺陷時，在屏幕上標記缺陷位置，軟件處理系統自動計算測定缺陷位置相對于基準線的角度α。由于基準線與自動噴標裝置的噴嘴角度β固定，所以此時噴嘴距離缺陷點位置的角度為β-α=γ，即此時自動噴標裝置的噴嘴再移動γ角度后即可到達缺陷點的位置。系統將γ數值反饋給驅動系統，將自動噴標裝置的噴嘴移動到缺陷位置后，自動噴標完成缺陷的自動標識。角度測量缺陷定位示意如圖7所示。

圖7 角度測量缺陷定位示意

5 X射線數字實時成像檢測技術在淺海鋼管鋪設中的應用

淺海鋪設鋼管焊縫的X射線數字實時成像檢測流程控制框圖如圖8所示，系統的檢測使用方法如下所述。

圖8 淺海鋪設鋼管焊縫的X射線數字實時成像檢測流程控制框圖

(1) 電氣控制中心控制驅動外部鋼管輸送輥道，在兩根鋼管對接焊接后，將其送入檢測防護鉛房，到達射線管與成像板中心檢測區后停止。

(2) 電氣控制中心發出控制指令控制驅動環繞式機械移動平臺中的環形齒輪小車驅動機構,帶動環形移動軌道小車沿環形導軌移動架上的環形導軌轉動，帶動小車上固定的射線管和成像板同步沿環形軌道正向檢測移動。

(3) 電氣控制中心發出控制指令，啟動數字平板X射線實時成像系統工作，開始同步檢測。

(4) 射線管和成像板環繞鋼管對接焊縫正向均勻順次移動，并將同時生成的焊縫透照圖像呈現在計算機顯示器上，進行缺陷的實時評定。

(5) 環繞一周后，停止移動，關閉射線系統,結束檢測。

(6) 若檢測過程中，在顯示器上發現焊接缺陷，則操作控制停止移動和檢測，并用鼠標在屏幕上標記缺陷點的位置。然后操作控制繼續移動和檢測，完成剩余檢測。

(7) 在完成剩余檢測的過程中，系統根據其測量缺陷定位方法，計算出自動噴標裝置中的噴嘴距離缺陷點的位置，當噴嘴同步移動到達缺陷點上方時，控制系統控制自動噴標裝置動作，噴射液體漆液附著在焊縫缺陷位置。完成缺陷標記直到當次檢測結束。

(8) 缺陷標記檢測結束后，電氣控制中心發出控制指令，控制驅動環繞式機械移動平臺中的平移傳動導軌機構上的傳動電機轉動，帶動整體平臺沿橫向向左移動一定距離。

(9) 在平臺移出的空間里，對標記的缺陷點進行焊縫的修補工作。

(10) 在完成修補后,操作控制驅動環繞式機械移動平臺中的平移傳動導軌機構上的傳動電機反向轉動，帶動整體平臺沿橫向向右移回原先的檢測位,重新進行焊縫檢測,直到整體焊縫無缺陷，檢測結束。

(11) 重新回到第(1)步,將下一道焊縫輸送到檢測位檢測。重復步驟(2)，但驅動環形移動軌道小車上固定的射線管和成像板同步沿環形軌道反向檢測移動。其余步驟順次不變。

6 檢測工藝試驗與結果分析

檢測工藝試驗參數：管道直徑為1 020 mm，管道厚度為21 mm，雙壁透照厚度為42 mm,管長為12 m,焦距為1 140 mm，透照方式為雙壁透照，輸出電壓為200 kV，輸出電流為3 mA。合格品與不合格品的檢測影像如圖9所示。檢測工藝標準如表1所示。

圖9(a)的檢測圖像中，沒有明顯的缺陷點，檢測合格；根據圖9(b)的檢測圖像可知，檢測出多處缺陷，檢測出的氣孔直徑為2.4 mm，檢測出的裂紋面積為242.52 mm2，檢測結果為不合格。

圖9 合格品與不合格品的檢測影像

表1 檢測工藝標準

7 結語

該檢測系統能夠在淺海復雜的工況條件下，對鋼管的對接焊縫進行高效率地X射線數字實時成像檢測，具有自動化程度高，節約時間及提高工作效率等優點。同時，由于裝置采用了計算機圖像存儲，節約了膠片等耗材，可廣泛推廣應用于X射線檢測領域。