γ射線數字成像在核電廠應用的可行性探討

劉 順，羅 杰，陳 衡，魏紹明，華雄飛

（中廣核檢測技術有限公司，蘇州 215021）

數字射線成像系統（Digital Radiography，DR）利用數字探測器實現射線信號的探測與轉換[1]，運用圖像處理技術實現射線圖像數字化，檢測速度快、靈敏度高、寬容度大，是應用在工業無損檢測中最廣泛的數字射線檢測方法[2]。然而由于數字射線成像系統中探測器的CsI 閃爍體對軟射線有更好的能量響應，其在X射線下量子吸收和轉換效率均較高[3]，因此，為了獲得更優秀的DR圖像質量，寬能譜的X射線是DR系統中理想的射線。

受限于核電現場復雜的工況環境，現場工件及焊縫的數字射線檢查只能以γ射線為主。目前，國內外對γ射線數字射線的研究仍較少，其工藝還不成熟，無法適用X 射線數字成像的檢驗工藝[4]。而數字射線檢測獨有的優勢可以極大地提高核電廠射線檢查效率和檢驗質量，為了推廣該類技術在核電領域的應用[5]。本文基于RCCM 標準，并通過比較傳統膠片照相與γ射線數字射線成像系統在核電現場的應用結果以及數字射線特有的優勢，分析γ射線數字成像在核電廠應用的可行性。

1 試驗方法

1.1 試驗對象與設備

本試驗針對某核電廠一次大修所有輔助管道焊縫、BOSS 焊縫及一些需及時反饋的部件等。其中，輔助管道焊縫清單見表1。

試驗所用γ射線強35Ci，尺寸φ3×2 mm，如圖1所示。

數字射線成像系統中，探測器像元尺寸為154 μm，極限分辨率為3.24 Lp/mm，采用16 位AD 轉換器采樣，如圖2 所示。采集軟件滿足檢驗標準要求，可以實現單絲像質計目測觀察和雙絲像質計的計算測量。

1.2 檢驗工藝

數字射線的檢驗和驗收標準在國內仍不完整。因此，本試驗采用核電RCCM 標準[6]，設計檢驗工藝和相關參數，根據檢驗對象的不同，選擇雙壁雙影或者雙壁單影透照方式，其布置如圖3所示。

表1 CPR1000機組輔助管道焊縫檢驗對象Table 1 Test object of auxiliary pipe welds of CPR1000 unit

圖1 880DELTA射線機Fig.1 880DELTA radiographic machine

圖2 數字射線平板探測器Fig.2 Detector for digital radiographic testing

圖3 試驗曝光布置Fig.3 Exposure arrangement

根據標準要求，其透照焦距可以滿足：

式中，f——焦距；

d——焦點尺寸；

b——公稱厚度。

試驗不采用放大技術，探測器盡可能貼近工件。

2 可行性分析

2.1 DR系統分辨率

系統分辨率主要依賴探測器系統的基本空間分辨率，這也是影響檢測圖像不清晰度的主要因素[7]。DR 系統中，圖像不清晰度與空間頻率線對值互為倒數關系，通常采用雙絲像質計進行測定，關系可以表示為R=1/2d1，其中，R為空間頻率線對值；d1為不能區分絲對的最大絲直徑，可以用像元尺寸表示。本檢測系統選擇的探測器像元尺寸為154 μm，即R=3.24 Lp/mm，根據標準要求，雙絲像質計應能分辨D8，即空間分辨率應為D9。對本檢測系統空間分辨率的測試結果如圖4所示。

圖4 DR系統空間分辨率測量結果Fig.4 Spatial resolution measurement results of DR system

檢測中以雙絲像質計表征DR系統空間分辨率，計算分析結果表明，本DR檢測系統滿足空間分辨率要求，可以適應核電管道穿透厚度檢驗要求。

2.2 管道焊縫對比試驗結果

本次試驗為了分析一次大修輔助管道焊縫DR 技術應用的可行性，基于RCCM 標準對像質計靈敏度要求，對比了膠片照相與DR技術的檢驗結果，結果如圖5所示。

圖5 核電輔助管道DR技術與膠片結果對比Fig.5 Comparison results between DR technology and film of the auxiliary pipeline welds

圖5 中，紅色曲線是DR 測試結果；藍色曲線為膠片測試結果；柱狀圖是RCCM 標準要求的像質計靈敏度值。可以看出，管道焊縫的DR數字射線像質計顯示與膠片照相底片像質計顯示接近，僅個別小徑管像質計顯示級別略低于膠片，主要原因是γ射線能量高，散射線對圖像影響較大，而小徑管散射線防護相對較難。從圖中也可看出，部分工件的測試結果顯示，DR的像質計靈敏度還要高于傳統膠片，從像質計靈敏度而言，DR 技術和傳統膠片技術基本上持平，兩種技術均能滿足RCCM 標準的要求，且遠高于現有的數字射線檢驗標準要求。

DR 數字射線成像最大的優點是成像速度快，曝光時間短，能實現檢驗結果的實時反饋，能明顯降低檢驗人員的接受劑量，從這方面來講，DR 數字射線技術非常適合核電廠的射線檢驗方法。與膠片照相技術相比，DR 數字射線技術在曝光時間上具有非常明顯的優勢，特別是對大管徑大壁厚管道焊縫，DR 數字射線成像技術在時間上的優勢更加明顯，如測試中φ812×46 mm、φ273×25.58 mm、φ406×21.4 mm等規格的管道的膠片成像的曝光時間遠遠高于DR技術成像時間。分析認為，DR 成像技術在穿透厚度大于36 mm 的管道焊縫檢驗過程中在曝光時間上對比膠片成像有明顯的時間優勢，穿透厚度為20～36 mm 時，在曝光時間上優勢不太明顯，當穿透厚度小于20 mm 后，DR 成像在曝光時間上比膠片成像曝光時間短，比較節省時間。

2.3 核電應用的優勢

2.3.1 窗寬-窗位

窗寬-窗位工具是數字射線采集軟件中特有的功能，它可以通過局部調整看到更多的DR圖像的信息。本試驗采用的探測器可以獲得16 位動態范圍的圖像，相當于65536灰度級的圖像信息，而普通的顯示屏僅能顯示256 圖像灰度級。因此，利用窗寬-窗位工具調整可以在8 位的顯示屏上看到16位的圖像，觀察到更多的細節。

BOSS 焊縫是核電現場常見的不等厚部件，在相關系統中起到至關重要的作用，圖6 為對BOSS焊縫的DR技術應用結果。

圖6 BOSS焊縫DR處理結果Fig.6 Results of BOSS welds by DR technology

結果顯示，DR 圖像可以達到膠片水平，其邊界清晰，結構完整。特別是對DR圖像局部窗寬-窗位調整，可以看到更多的細節，像質計也清晰可見，這是膠片照相無法比擬的。因此，對于該類厚度差大的工件，DR 技術有優勢，是替代膠片照相的理想方法。

2.3.2 銳化

銳化工具是DR技術中常用的圖像處理算法，γ射線周向曝光，且焦點尺寸較大，會增加DR圖像的幾何不清晰度，對γ射線DR圖像應用這種處理算法，可以最大限度地降低噪聲，突出細節。

核電現場常出現螺栓失效的情況，需要采用無損檢測手段對其進行檢查，以保證螺栓質量和核電系統安全。目前，常用的無損檢測方法是超聲和渦流的方法，但是其檢驗結果不夠直觀，而且螺栓常見的小缺陷容易出現漏檢，檢測速度較慢，無法及時反饋結果。而傳統的膠片照相受邊蝕效應的影響，螺栓輪廓易被噪聲侵蝕，且對于該類透照厚度比大的工件，膠片對比度很難滿足要求。DR 透照寬容大，可實時顯示結果，并且可以通過圖像處理更好地顯示缺陷。圖7顯示的是核電現場常見的螺栓數字射線檢驗結果。

圖7 螺栓圖像銳化處理結果Fig.7 Sharpened results of bolt image

從圖中可以看出，DR 圖像整體效果與膠片相差不大，但是受邊蝕效應影響更小，邊緣更加清晰。對于這種透照厚度差較大的工件，DR圖像通過后期的圖像處理可以極大地提高缺陷檢出率，極小的線性顯示也清晰可見。因此，寬容度大、可以實時顯示的DR成像技術是螺栓理想的無損檢測方法，應用在核電現場是可行的。

2.3.3 疊加

均值疊加工具通過將兩張或多張圖像的每個像素灰度值疊加獲得最終檢測圖像，用戶可以設置連續圖像的疊加張數，以減少最終圖像噪聲，從而突出缺陷。本試驗分析了疊加次數對核電VVP 管道焊縫標準試塊圖像質量的影響。結果如圖8所示。

圖8 疊加次數對圖像質量的影響Fig.8 The effect of the number of superpositions on image quality

圖8直觀地顯示了疊加次數對圖像質量的影響，即隨著圖像疊加次數的增加，圖像更加均勻和平滑，缺陷顯示更加清晰。對疊加圖像的像質計靈敏度和信噪比分析如圖9所示。

圖9 疊加次數對像質計靈敏度和信噪比的影響Fig.9 Effect of the number of superpositions on image sensitivity and signal-to-noise ratio

對比圖像像質計靈敏度和信噪比可以看出，隨著圖像疊加次數的增加，像質計靈敏度和圖像信噪比隨之增加，在疊加到8次時圖像質量提高明顯，超過16 次的疊加像質計靈敏度和信噪比變化較少。分析認為，經過16 次疊加的圖像在較短的檢驗時間內最大程度地保證了圖像質量，疊加工具的使用將很大程度上改善γ射線數字射線成像系統的圖像質量。

3 結論

γ射線數字射線成像系統在核電廠應用的關鍵問題在于在能譜單一的γ射線能量響應下的數字圖像能否達到膠片照相的水平。本試驗比較了核電廠輔助管道焊縫數字射線成像與膠片照相結果，發現兩種射線檢測方法的圖像像質計靈敏度比較接近，均能滿足RCCM 標準要求，而數字射線成像系統在透照時間和檢驗效率方面有膠片無法比擬的優勢，是應用在核電管道焊縫射線檢測中極佳的無損檢測方法。本文還通過分析數字射線成像系統獨有的優勢，在BOSS 焊縫、螺栓等常規膠片照相無法適應的領域分析了DR 應用的可行性，結果表明，DR 數字射線系統可以充分發揮自身優勢，實現核電現場一些特殊應用。

總之，作為替代膠片照相的一種無損檢測方法，γ射線數字射線成像系統可以發揮數字射線寬容度大、檢驗效率高的特點，可極大地節省核電廠檢修工期和提高檢驗質量，在核電廠的應用是可行的，也是必要的。

4 展望

根據國家中長期發展規劃，我國將成為名副其實的核電大國。隨著國內核電建設的推廣、發展和核電結構老化檢測的迫切需求，射線檢測仍是核電結構檢測的重要手段。目前采用的膠片照相法由于其自身檢測效率低、存儲困難、難以遠程共享、不利環保等缺點，已不能滿足目前工業化生產和競爭日益激烈的環境需要。γ射線數字成像技術的研究及開發將進一步提升核電現場無損檢測的自動化和智能化水平，具有直接的經濟效益和社會效益。

γ射線數字成像技術在核電應用上仍需要更深入的研究，為了保證該類技術在核電現場順利、穩定運行，重點可在以下3個方面應對新工藝、新方法帶來挑戰：（1）通過空間分辨率和信噪比控制最終成像質量的工藝和方法；（2）建立γ射線數字成像技術的核電標準，確定的檢驗工藝和程序；（3）加強人員技能培訓和技術提升。