火電廠鍋爐管道金屬內壁缺陷檢測方法研究

谷明亮，劉艷萍，竇云朋，李俊林

（內蒙古京能康巴什熱電有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

在火電廠中，電能需要利用鍋爐機組中的煤炭燃燒進行燃料化學和蒸汽熱能之間的轉化，鍋爐機組是發(fā)電過程最為基礎的能源來源設備，同時也是最容易產生故障的設備，在火電廠機組中很多危險故障都是由鍋爐故障導致的，比較常見的原因是鍋爐機組中的受熱管路失效，如水冷壁管和煤氣管等，這些管道的失效是導致火電廠鍋爐非計劃性停機的主要原因[1]。因此，對火電廠鍋爐管道金屬內壁缺陷檢測是維護火電廠鍋爐正常運行的重要保障[2]。

目前國內外對鍋爐管道金屬內壁缺陷檢測方法研究已經有了很多相關技術的文獻和資料，有比較成熟的檢測技術投入到實際應用中，取得了不錯的成績[3]。但是隨著國內用電量的不斷增加，以往使用的檢測方法受到外界溫度的影響，檢測數(shù)據(jù)的精度不能滿足實際需求[4]。因此，提出火電廠鍋爐管道金屬內壁缺陷檢測方法，解決上述傳統(tǒng)檢測方法中存在的問題。

1 火電廠鍋爐管道金屬內壁缺陷檢測方法設計

1.1 采集管道金屬內壁圖像

采用機器視覺技術，結合移動臺模塊和采像相機采集鍋爐管道金屬內壁圖像，從中提取出鍋爐管道金屬內部表面特征，檢測出內壁缺陷并標注。

使用移動臺為相機提供運動動力，確保相機能夠采集到完整的管道金屬內壁圖像，針對待檢測的鍋爐管道金屬，采用多相機分布式采集管道各處的圖像，所用相機的數(shù)量與管道的長度成正比，借助外力使管道做旋轉前進運動，從而采集到管道金屬內壁的圖像。

采集過程中使用的相機是采集裝置的輸入，其本質是光信號向電信號的轉換，使用CCD工業(yè)相機作為采集模塊的核心。在使用中，選用面陣傳感器結構的相機，通過光學接口連接相機和鏡頭，根據(jù)實際需求設置曝光方式。通過對工業(yè)相機各參數(shù)性能的選擇，結合實際檢測需求，選擇MV-EM510M相機作為采集管道金屬內壁圖像的相機。光源是決定圖像質量的重要因素，對于火電廠鍋爐管道金屬內壁缺陷檢測的需求，選擇多角度打光模式，突出金屬內壁的不平整區(qū)域，根據(jù)反光強度觀察特征，使管道金屬內壁缺陷輪廓清晰地展現(xiàn)出來。在多角度光照下，同色系的光源會使圖像變亮，反色系的光源會使圖像變暗，在圖像采集過程中，選擇互補色光源，最大化觀察內壁與背景之間的區(qū)別。選擇的光源確保現(xiàn)場中的光是均勻的并且稍大于現(xiàn)場的尺寸，確保圖像清晰，圖像表面特征明顯[5]。在圖像采集完成后，提取出管道金屬內壁的表面特征，為進一步缺陷檢測做準備。

1.2 分割缺陷區(qū)域

考慮火電廠鍋爐管道金屬內壁檢測任務和采集圖像質量，提取出待測區(qū)域。采集的圖像中分為無光區(qū)和有光區(qū)兩個部分，無光區(qū)域圖像特征不明顯，像素值較低；有光區(qū)域圖像特征比較明顯，因此將圖像中有光區(qū)域提取出來。計算出管道金屬內壁中線，提取中線左右偏移距離內的像素作為感興趣區(qū)域，將其展開即為提取的感興趣區(qū)域。

引起火電廠鍋爐管道金屬內壁缺陷的因素有很多，比較常見的就是由工作中產生飛灰沖擊和機械磨損引起的，具體情況如圖1所示。

圖1 管道金屬內壁機械磨損

表1 不同檢測方法的數(shù)據(jù)標定實驗結果

根據(jù)鍋爐管道金屬內壁實際缺陷情況，統(tǒng)計圖像數(shù)據(jù)集中背景區(qū)域，對其中的平面缺陷區(qū)域和凹坑類區(qū)域進行分割[6]。其中，平面缺陷的像素值低于背景像素值，凹坑缺陷的像素值高于背景像素值，平面外的像素值低于背景像素值。選擇要分割的圖像中的灰度值，以使圖像前景和背景之間存在較大的類間差異，并且圖像背景與前景和圖像的平均灰度值之間的差為最大。在完成缺陷區(qū)域分割后，檢測鍋爐管道金屬內壁缺陷。

1.3 缺陷特征提取及檢測

通過上述過程中將圖像分割成小的連通域，計算圖像各處的梯度信息，統(tǒng)計各個連通域內的各梯度方向的直方圖，將多個連通域組成更大的塊區(qū)域，提取出塊區(qū)域向量構成圖像的特征。

使用Gamma壓縮圖像，實現(xiàn)圖像的歸一化，減少環(huán)境光對圖像的干擾。壓縮完成后，計算歸一化圖像的梯度信息，將圖像分割成個單元格，每個單元格包含若干個像素點，統(tǒng)計單元格內各像素的梯度方向，取梯度方向0~180。為直方圖的橫坐標，進一步統(tǒng)計各梯度方向的絕對值，將其作為單元塊的梯度方向直方圖，記為當前單元塊的描述子。將個單元塊記為一個塊區(qū)域，統(tǒng)計塊內的各單元格的描述子，將其串聯(lián)成當前塊的描述子，由全部的塊的描述子組合成圖像的缺陷特征。

將圖像p(x ,y )離散化處理，在處理過程中，通過在垂直方向和水平方向上做差分的方式逼近梯度算子，公式為：

計算圖像中的每個像素的?p 值實現(xiàn)缺陷的檢測，計算出絕對值進行閾值操作，梯度算子的計算公式為：

梯度算子由下面兩個模板組成：

通過算子對圖像進行濾波，得到圖像的檢測結果。至此，火電廠鍋爐管道金屬內壁缺陷檢測完成。

2 火電廠鍋爐管道金屬內壁缺陷檢測方法實驗研究

在火電廠鍋爐管道金屬內壁缺陷檢測方法中，以某火電廠內的鍋爐管道為研究對象，在實驗前對完整無缺陷的管道進行初始檢測，將初始檢測結果作為參考基礎。在后續(xù)對比實驗中，以同一根相同位置破損情況的管道為實驗目標，使用不同的缺陷檢測方法對管道進行檢測，得到反映實際屈服應力狀態(tài)的信號梯度能量，對梯度數(shù)據(jù)進行標定和擬合，根據(jù)標定結果和擬合結果分析檢測方法的精度。考慮到火電廠鍋爐的工作環(huán)境，外界的溫度變化可能會對實驗結果產生影響，因此，分別在25℃、35℃ 、45℃、55℃和60℃條件下進行檢測，統(tǒng)計不同檢測方法的檢測結果。實驗結果圖表1所示。

對比觀察表中不同缺陷方法的標志值和擬合值，從中可以看出，隨著外界溫度的增加，各個檢測方法的實驗結果都有不同幅度的增加，其中傳統(tǒng)的兩種缺陷檢測方法標定值隨著溫度的增加呈倍數(shù)增加，擬合值雖然沒有標定值變化的大，但是變化也比較明顯，相比之下，提出的缺陷檢測方法在溫度的作用下，標定值和擬合值的變化極小，均未超過1.0。綜上所述，提出的火電廠鍋爐管道金屬內壁缺陷檢測方法標定值和擬合值比較低，說明檢測方法的數(shù)據(jù)精度在標準范圍內，能夠滿足實際需求，該檢測方法優(yōu)于傳統(tǒng)的檢測方法。

3 結束語

本文以火電廠鍋爐管道金屬內壁為檢測對象，深入了解現(xiàn)有檢測狀況的基礎上，對鍋爐管道金屬內壁缺陷檢測進行了深入研究和設計實現(xiàn)。在檢測方法設計完成后，設計對比實驗，實驗結果驗證了設計的檢測方法具有更高的數(shù)據(jù)精度，能夠滿足實際檢測需求。但是研究過程中還存在一些問題，如檢測安全性的問題，需要在未來繼續(xù)研究。