石油管道焊縫數字射線檢測系統試驗

祖耀中

(遼寧石油化工大學機械學院，遼寧 撫順 113001)

引 言

據統計表明，石油管道在建設和運行期間由于焊接質量不滿足相關標準、規范要求存在極大的安全隱患。從某種程度上講，石油管道焊縫質量直接決定整個工程輸油工程的安全性和優劣性。因此，在實際應用中需采取可靠、有效的手段對石油管道的焊接質量進行綜合判定。目前，針對石油管道焊縫質量檢測的主要手段為射線檢測法，該種方式具有準確性高、可直觀顯示焊縫的圖像，尤其適用于對體積型缺陷檢測的特點[1]。但是，射線檢測手段在實際應用中還存在效率低、周期長、檢測成本高、作業人員勞動強度大、保存成本高等劣勢。

因此，對于石油管道焊縫質量檢測而言，采用射線檢測技術不僅影響石油管道的施工速度，而且對后期管道連續性生產帶來隱患。本文將基于上述問題提出石油管道焊縫檢測的數字射線檢測方法，并對檢測系統進行試驗研究。

1 數字射線檢測系統工作原理

首先，數字射線檢測系統是在射線檢測技術的基礎上形成。射線檢測技術是依據當射線穿透管道的缺陷或者在結構上存在差異的部位時，對應射線的衰減程度不同，因此，根據射線衰減程度的不同判斷管道焊縫質量。根據數字射線檢測的基本原理，其主要由射線源、探測器及圖像處理分系統等組成。數字射線檢測流程如圖1所示。

圖1 數字射線檢測流程

圖1所示的“3”平板探測器為數字射線檢測系統的關鍵儀器，其主要獲取穿透待檢測物件射線，該器件的性能將直接決定圖像的質量，進而決定對焊縫質量評估的準確性和效率。平板探測器可分為非晶硅平板探測器和非晶硒平板探測器。其中，非晶硅平板探測主要對工業中管道的焊縫質量進行探測；非晶硒平板探測器主要應用于醫療行業。本文著重對非晶硅平板探測器進行研究，非晶硅平板探測器主要包括有閃爍體層、非晶硅層、放大電路和晶體管陣列等[2]。

1)閃爍體層是一種在射線的作用下發光的化合物。閃爍體層的厚度范圍一般為500 μm～600 μm。

2)晶體管陣列主要功能是將閃爍體層發出的可見光轉換為凸顯，從而完成了對連續圖像的采樣。

3)放大電路為非晶硅平板探測器外圍電路的一種，其在時序控制的統一指揮下并通過A/D轉換器將電信號轉換為數字信號，并將所轉換的數字信號發送至上位機顯示、記錄。

2 數字射線檢測系統的試驗研究

影響數字射線檢測系統檢測質量主要因素包括有對比度、不清晰度和顆粒度。因此，可通過控制數字射線檢測系統的對比度、不清晰度和顆粒度保證其檢測精度。

2.1 檢測系統工藝條件的選擇

鑒于非晶硅平板探測器與膠片之間的本質區別，其應用于數字射線檢測系統關鍵不足在于其分辨率不足。因此，為保證數字射線檢測系統的圖像質量需對系統對比度和空間分辨率進行同時設置。

2.1.1 透照布置方式的選取

數字射線檢測系統透照布置主要包括對系統透照方式、透照方向以及一次透照區等參數的確定。其中，針對石油管道焊縫檢測可采用的透照方法包括有單壁單影、雙壁單影以及雙壁雙影，三種透照方法中以單壁單影的透照方法靈敏度最高，故選擇單壁單影透照；同時，針對石油管道焊縫的檢測將其透照源設置在外，并將射線垂直照射于被檢測部件的表明，盡可能地提升一次透照區。

2.1.2 透照參數的確定

對于數字射線檢測系統而言，透照參數包括有射線能量、焦距以及曝光量等。其中，隨著射線能量的增加，系統檢測靈敏度將會下降[3]。故，在保證射線源足夠穿透力的情況下，射線能量應該盡可能的小；而焦距參數主要影響系統圖像的清晰度，結合相關研究及理論分析，一般將焦距設定為600 mm～900 mm；曝光量主要影響檢測系統所成像的信噪比，一般采用更大的曝光量以增加成像的質量。

2.2 射線檢測系統的配置

根據圖1所示的數字射線檢測流程配置各個檢測期間，主要包有X射線平板探測器、X射線機、圖像處理單元以及被測試件。本系統所測試的試件為X80鋼管。

結合目前常采用數字X射線平板探測器，本試驗系統所選擇平板探測器的具體型號為PaxScan2520型，該型平板探測器的關鍵參數如表1所示。

表1 PaxScan2520 X射線平板探測器關鍵參數

結合試驗系統對測試所要求的輻射強度、負載特性以及焦點尺寸等，所選擇X射線機的具體類型高頻固定式射線機，其關鍵參數如表2所示。

表2 高頻固定式射線機關鍵參數

對于圖像處理單元，本檢測系統選用專門的圖像處理軟件對平板探測器所形成的圖像進行處理，選用CPU為I3的工業計算機為本試驗系統的圖像處理單元。

2.3 數字射線檢測系統的試驗

本試驗對6個壁厚不同的鋼管進行測試，所測試試件的壁厚包括了當前石油管道常見的壁厚，并且包含了常見石油管道所存在的焊接缺陷[4]。不同試件所采用的測試參數如表3所示。

表3 不同試件測試參數

經對不同壁厚管件所成像的圖像質量進行分析可知，該數字射線測試系統形成的圖像滿足相關標準要求。為進一步說明，數字射線檢測系統的優越性，主要對本數字射線檢測系統和傳統膠片射線檢測系統的檢測效果進行對比分析。針對焊縫中的氣孔檢測對比結果如圖2所示。

圖2 數字和膠片射線檢測系統檢測結果對比

如圖2所示，圖2a)為數字射線檢測系統的成像結果，圖2b)為膠片攝像檢測系統的成像結果。經對圖2進行分析可知,基于數字射線檢測系統和膠片射線檢測系統均檢測出管道焊縫中氣孔缺陷[5]。不同的是，基于數字射線檢測系統所成圖像的清晰度更好，圖形中氣孔缺陷更容易被辨識；而且，在實際檢測過程中發現，采用數字射線檢測系統較膠片射線檢測系統既有更高的檢測效率，其對應的成像時間較短。

針對焊縫中的裂紋檢測對比，結果如圖3所示。

圖3 數字和膠片射線檢測系統檢測結果對比

如圖3所示，圖3a)為數字射線檢測系統的成像結果，下圖為膠片攝像檢測系統的成像結果。經對圖3進行分析可知：基于數字射線檢測系統和膠片射線檢測系統均可檢測出管道焊縫中裂紋缺陷且圖像清晰度相差不大。不同的是，基于數字射線檢測系統成像過程僅需短短幾秒鐘；而基于膠片射線檢測系統成像時還需借助暗室處理程度，大大延誤了檢測效率，而且增加了檢測人員的勞動強度。

3 結語

為保證石油管道在實際安裝和應用的安全性，需保證管道質量滿足相關標準要求。管道焊縫是影響其質量的關鍵因素，故需采取高效、可靠的檢測系統對管道焊縫進行檢測。數字射線檢測主要由平板探測器、射線機、圖像處理單元等關鍵分系統組成。本文針對6個不同壁厚的石油管道的焊縫缺陷進行檢測，并將其成像結果與膠片射線檢測系統進行對比得知，數字射線檢測系統與膠片射線檢測系統相比具有成像清晰度高、成像速度快、效率高以及勞動強度等優勢，今后應在石油管道檢測中推廣。