數字化射線檢測技術在船舶領域的應用

梁世蒙，高海良，趙廣波，李韶偉，井 亮,蔣夢浩

(1.渤海造船廠集團有限公司, 葫蘆島125004;武警江西省總隊，南昌 330025)

隨著工業技術與現代化造船模式的不斷發展，船舶領域正向高效、高精度及高可靠性的建造方向發展。膠片射線檢測技術作為船體結構與系統管路焊縫內部質量檢測的主要手段，已經形成了較為完整的技術體系，技術成熟度較高；但膠片射線檢測技術的局限性(如成本高、效率低、底片難以長久保存、存在環境污染等)已經成為制約其廣泛應用的關鍵因素。

近年來，數字化射線檢測技術得到了高速發展，與傳統膠片檢測技術相比，其圖像靈敏度高、檢測速度快、動態范圍大、可實現檢測數據的電子存儲，省略了洗片過程，且不會造成環境污染，目前已經應用于民用核電、特種設備、電力及汽車等領域，但在船舶領域的應用還不普遍。筆者針對目前行業內普遍采用的計算機射線照相(CR)與數字成像檢測(DR)技術開展相關試驗，研究了數字化射線檢測技術在船舶行業應用的適用性。

1 計算機射線照相(CR)

1.1 CR檢測技術與膠片檢測技術等價性評價

CR檢測技術是一種用可重復使用的IP板代替膠片的X射線照相技術。要大規模應用CR檢測技術，首先要分析影響其成像質量的各種因素，獲得CR檢測技術與膠片檢測技術在不同厚度下的對應性，最終與膠片技術的檢測結果和現行質量等級要求相比較，確定CR檢測技術的能力。

射線底片影像的質量由射線照相影像的對比度、不清晰度、顆粒度決定。對比度是影像與背景的黑度差，不清晰度是影像邊界擴展的寬度，顆粒度是影像黑度的不均勻性程度。影像的對比度決定了在射線透照方向上可識別的細節尺寸，影像的不清晰度決定了在垂直于射線透照方向上可識別的細節尺寸，影像的顆粒度決定了影像可顯示的細節最小尺寸[1]。為了使CR檢測技術與膠片檢測技術具有同等能力，僅僅考查像質計靈敏度是不夠的，還必須保證CR檢測技術所獲得的圖像滿足以下兩方面的指標：① 像質計靈敏度達到同級別膠片的檢測技術水平；② 不清晰度達到同級別膠片檢測技術水平。

所采用的試驗設備為：GE公司的IPS型IP板，CR 50P型信息掃描儀，ISOVOLT HS型450 kV X射線機，系統最佳像素尺寸為50 μm(8 lp·mm-1)。

1.1.1 像質計靈敏度分析試驗

試驗采用近圓柱形孔人工缺陷模擬鋼板對接焊縫中常見的氣孔、夾渣等體積缺陷，通過與相同試樣的膠片檢測結果相比較，來確定CR檢測技術的實際檢測能力。為此，設計的鋼板人工缺陷試件尺寸如圖1所示，首先加工出兩塊尺寸(長×寬×厚)為120 mm×50 mm×3 mm的鋼板，表面拋光，然后在下板上以10 mm間隔依次加工出直徑分別為0.1，0.2，0.4，0.5，0.8，1.0，1.5 mm的7個孔，深度分別為0.1，0.2，0.4，0.5，0.8，1.0，1.5 mm。用銷釘將上、下兩塊板緊固住，形成近圓柱形孔人工缺陷。

圖1 鋼板人工缺陷試件尺寸示意

試驗中使用厚度分別為6，10，14，20，30，40 mm的6個試件。除6 mm厚的試件外，其他厚度的試件用6 mm試件+墊板的方式實現，帶有缺陷的6 mm試件放在墊板上方，以模擬射線檢測中最難發現的上表面缺陷。試驗得到的檢測圖像如圖2，3所示，檢測數據如表1所示。

圖2 不同厚度試件的膠片檢測圖像

圖3 不同厚度試件的CR檢測圖像

表1 不同厚度試件的膠片射線和CR射線檢測數據

通過試驗數據對比可知:當透照厚度≤20 mm時，CR射線檢測的圖像質量與相對靈敏度優于膠片射線檢測的，當透照厚度>20 mm時，膠片射線檢測的圖像質量與相對靈敏度優于CR射線檢測的，但兩者都能達到B級檢測技術等級，最小可識別孔徑為0.4～1.0 mm；另外，CR檢測圖像中可以看到很多零星的白點和短線，在后繼試驗結果中也都能發現類似痕跡,這是由IP板讀取裝置設計不合理，在讀取過程中不斷產生劃痕而造成的偽缺陷。

1.1.2 不清晰度分析試驗

在CR檢測技術中，目前標準中的質量評價是通過不清晰度來完成的，例如EN 14784-2《NDT-CR X射線金屬材料檢測》中規定了不同厚度和驗收等級下的雙絲像質計指數，實際上是直接通過不清晰度來評判檢測質量的。在膠片檢測技術中，雖然目前并無相關標準對不清晰度作相應規定，但事實上，近年來國內外的許多標準均對射線照相檢驗技術不同級別的幾何不清晰度進行了間接規定。

雖然對于工業射線照相檢驗而言，產生不清晰度的原因是多方面的，但其中最主要的影響因素是幾何不清晰度和膠片固有不清晰度。

Ui=0.001 33V0.790 26

(1)

式中：Ui為固有不清晰度;V為透照電壓。

由式(1)可得到與透照電壓相對應的膠片固有不清晰度值。結合透照厚度可進一步給出允許的最大幾何不清晰度Ug max。而射線照相總的不清晰度則可由最大幾何不清晰度Ug max和最大固有不清晰度Ui max通過下式計算得到。

(2)

計算得到的鋼板射線照相不清晰度如表2所示。

分別對厚度為16,26,36,46 mm的試件進行CR射線檢測，檢測數據如表3所示(表中IQI表示雙絲像素計靈敏度)。

表3 不同厚度下的CR檢測不清晰度

通過表2,3的數據對比可見，兩種技術的不清晰度差異明顯，CR檢測的不清晰度明顯好于AB級膠片射線檢測的不清晰度，且較為接近B級膠片射線檢測的不清晰度。由此可見，CR檢測的不清晰度足以滿足船舶領域鋼板對接焊縫的檢測需求，但對于高靈敏度檢測需求的焊縫檢測，其不清晰度稍顯不足。

1.2 CR檢測裂紋試驗

等價性評價試驗中的可識別孔徑尺寸并不能完全反應CR檢測技術的缺陷識別能力，筆者在試件中部和端部分別加工出中心裂紋和弧坑裂紋，以模擬鋼板對接焊縫中常見的裂紋，通過其CR檢測結果與相同試件的膠片檢測結果的比較，來確定CR檢測技術的實際檢測能力。

將兩塊尺寸(長×寬×厚)為150 mm×80 mm×6 mm的鋼板沿著長邊對焊，分別在焊縫中心位置和端部預埋人工缺陷，然后用熱處理的方法獲得尖銳的裂紋。試驗時使用6個厚度分別為6，10，14，20，30，40 mm的試件進行檢測，試件與墊板的擺放與前文相同，得到的檢測圖像如圖4所示，檢測數據如表4所示。

圖4 不同厚度試件上的裂紋CR檢測圖像

表4 6～40 mm厚度試件的優化CR工藝參數及相應的圖像質量

在試驗過程中發現，散射線對成像質量的影響較為明顯，在檢測中需嚴格控制各項透照參數，做好散射線防護等措施能夠提高照像成像質量。通過試驗并與射線底片對比得出結論：當透照厚度≤20 mm時，CR檢測的圖像質量與缺陷的細節體現與B級膠片檢測能力相當；透照厚度>20 mm時，CR檢測的圖像質量依然可以達到B級膠片的檢測能力，但缺陷的細節顯示有所下降，與AB級膠片檢測能力相當。

2 數字射線成像技術(DR)

2.1 數字射線成像技術(DR)等價性評價

目前DR射線檢測技術因檢測速度快、所需曝光量少、可實時成像等特點,應用較CR技術更加廣泛，與常規膠片射線檢測技術相比，其采用輻射探測器代替膠片完成射線信號的探測和轉換，采用圖像數字化技術獲得數字檢測圖像。由于DR射線檢測成像系統與膠片射線檢測技術的不同，故從實際工作角度考慮數字射線檢測技術對缺陷的檢測能力是否能達到膠片射線檢測技術水平。

2.1.1 船舶領域DR射線檢測的基本數據需求

對于被檢工件，需要分析工件的厚度范圍、缺陷特點及膠片射線檢測的空間分辨率控制要求[2]。針對目前船舶領域射線檢測的工件主要厚度范圍(2～40 mm)計算的基本數據要求，如表5所示。

2.1.2 常用成像系統的最佳放大倍數與不清晰度

對于DR射線檢測技術，可以采用放大透照的方式進行檢測，選擇合適的最佳放大倍數可以使檢測圖像的空間分辨率達到最佳。最佳放大倍數由輻射探測器的固有不清晰度和射線源尺寸決定，射線源的焦點尺寸越小，可以選擇的放大倍數越大，當射線源尺寸較大時，只能采用放大倍數接近1的方式透照[3]。

檢測圖像的不清晰度U與放大倍數的關系如式(3)所示。

表5 射線檢測技術基本數據要求

(3)

式中：φ為射線機的焦點尺寸；Ui為成像板的固有不清晰度。

最佳放大倍數公式如式(4)所示。

(4)

以目前行業內較為常用的輻射探測器的像素尺寸為例(分別為127,143,200 μm)，針對以上3種像素尺寸分別計算最佳放大倍數與圖像不清晰度，具體數據如表6所示。

表6 不同焦點尺寸、像素尺寸成像系統的最佳放大倍數與不清晰度

比較表5，6可以發現，采用相同透照條件時，成像系統的像素尺寸越小，最佳放大倍數與不清晰度越小，其中最佳放大倍數變化較大，但不清晰度變化較小，當采用微焦點尺寸射線源時，不清晰度變化明顯，可以有效提升檢測圖像的空間分辨率；對于船舶領域來說,以上3種成像系統均可以滿足AB級檢測需求，且不必為追求不清晰度而刻意選擇較小的像素尺寸，其主要原因是隨著像素尺寸的減小，射線檢測所需的曝光量會大幅度增加，影響檢測效率；而在進行成像質量有較高要求的B級檢測時，采用最佳放大倍數與1級補償原則，像素尺寸為127，143 μm的成像系統可以滿足3.5～40 mm厚度范圍試件的檢測需求，但對于母材公稱厚度小于3.5 mm的薄板的檢測能力尚有不足。

2.2 基于不同種類射線裝置的管焊縫DR檢測試驗

在船舶射線檢測領域中采用的輻射探測器質量一般為2～5 kg，其遠遠大于膠片的質量，且在船舶分段制作、船臺合攏等階段，現場檢測環境復雜，登高作業頻繁，DR成像系統在某些復雜環境下難以實施，但該系統以檢測效率高、厚度寬容度大、可實時成像等特點更加適用于曝光間內的管系焊縫批量檢測。目前船舶領域常用的射線裝置分別為X射線機和γ射線源，下面基于不同種類射線裝置的DR檢測成像質量進行分析，驗證DR射線技術在船舶管系焊縫檢測領域的適用性。

選取現場檢測中較為常見的大直徑薄壁管(219 mm×7 mm,直徑×壁厚)、中等直徑厚壁管(114 mm×10 mm,直徑×壁厚)及小徑管(45 mm×4.5 mm,直徑×壁厚)開展DR檢測試驗，采用的射線裝置分別為300 kV X射線機和Se75 γ射線源，輻射探測器選用非晶硅平板探測器，像素尺寸為127 μm，A/D轉換器的分辨率為16 bit；試驗中采用的圖像平均次數為8，可以起到良好的降噪作用。基于不同射線裝置的管系焊縫檢測圖像見圖5，檢測數據見表7。

由表7可知，對φ114 mm×10 mm和φ219 mm×7 mm管系焊縫檢測時，采用X射線裝置的像質計靈敏度與信噪比優于γ射線裝置的，但均可達到B級檢測需求，而對于空間分辨率的比較，兩者差別較為明顯，相差2～3個絲號；采用X射線檢測時，以上兩種規格的管系焊縫圖像質量均可達到B級，采用γ射線檢測時，則可達到AB級(φ114 mm×10 mm規格的管系采用了補償原則)；而對φ45 mm×4.5 mm規格的管系焊縫檢測時，信噪比相對較低，這是管直徑較小，射線能量分布不均勻且管焊縫截面厚度變化較大引起的，同時管徑較小還無法放置雙絲像質計，無法評定圖像質量級別，但可以通過同等厚度的對比試件代替被檢工件進行空間分辨率測量[4]，對比試件的檢測圖像如圖6所示。

圖5 基于不同射線裝置的管系焊縫檢測圖像

表7 基于不同射線裝置的管系焊縫數據

圖6 管焊縫等厚對比試件檢測圖像

對圖6中的雙絲像質計進行測量可知，采用X射線檢測時空間分辨率為D10，采用γ射線檢測時空間分辨率為D8;結合表7中的相應數據進行綜合判定，對于φ45 mm×4.5 mm的小徑管采用X射線檢測時靈敏度和空間分辨率皆可以達到B級要求，信噪比達到AB級要求，采用γ射線檢測時靈敏度和信噪比可以達到AB級要求，但空間分辨率不滿足AB級要求。

通過圖像及檢測數據比對發現，采用X射線裝置檢測的DR成像效果明顯好于γ射線的，對于有較高圖像質量需求的工件應采用X射線裝置，對于一般圖像質量需求的工件可以采用γ射線裝置，但應進行工藝驗證與優化，保證檢測靈敏度、空間分辨率和信噪比滿足標準要求。

3 結語

通過對CR與DR數字射線檢測技術的等價性評價和試驗分析可知，以上兩種技術在選擇合適的工藝參數時，其檢測圖像質量可以達到甚至優于B級膠片射線檢測質量，其檢測能力可以滿足船舶射線領域主要應用試件厚度范圍的檢測需求，已經具備了現場實際應用的技術基礎，但由于數字射線檢測技術的普及率相對較低，對于復雜作業環境下的適用性還有待考證。