壓力管道腐蝕深度的數字射線成像檢測

(甘肅省特種設備檢驗檢測研究院， 蘭州 730050)

在壓力管道定期檢驗期間，利用數字射線成像技術對管道埋藏缺陷進行檢測時，經常在彎頭處發現腐蝕坑，有些腐蝕很嚴重(甚至穿孔)，需進行腐蝕深度測量，以評定管道的安全等級。管道全面腐蝕減薄的程度可通過測厚來進行定量，但對于一些局部腐蝕及較深的腐蝕坑，采用測厚的方法很難準確檢測腐蝕的位置，而利用數字射線成像技術，可直觀準確地測定腐蝕所在位置，并記錄射線穿透腐蝕部位時的衰減信息，通過對數字圖像進行觀察測試，利用已知數據，擬合灰度與對應厚度關系的指數函數，計算出腐蝕深度，并通過試驗確定誤差范圍。

1 數字射線成像技術

數字射線成像技術(DDA)是近幾年國內成熟應用的檢測新技術，成像系統由射線源、陣列探測器、計算機及專用軟件等組成。目前，常用的平板探測器A/D(模擬/數字)轉換器位數為16，灰度等級很高。DDA與傳統膠片照相技術相比，信息采集介質由膠片轉變為平板探測器，實現了信號的數字化。數字射線成像技術主要有以下優勢：① 圖像的對比度、信噪比大大提高；② 厚度寬容度大，灰度動態范圍大；③ 曝光時間短，檢測效率高；④ 交互性好，查詢、檢索、儲存方便；⑤ 數字圖像評定時觀察和測試的功能多，細節識別度高，測量精度高。

DDA應用在壓力管道檢測中,需要的射線能量相對較低，曝光量小，透照時間短，可現場出具檢測結果，能快速方便地解決問題。

2 數字圖像灰度值與射線穿透厚度的關系

2.1 檢測原理

基于射線穿透物質的衰減規律(寬束多色射線)可以得出

I=I0e-μT(1+n)

(1)

式中：μ為射線穿過單位厚度物質時的衰減系數；n為散射比；T為物質的厚度；I為射線透射后的強度；I0為入射射線強度。

對于射線檢測來說，確定的射線源、管電流、管電壓及射線源與被檢物的距離等條件下，I0是固定的，衰減系數μ與射線的能量、物質的原子序數和密度有關，其隨管電壓的升高而減小，隨穿透厚度的增大而減小。

對于數字射線成像檢測，圖像灰度值與對應穿透厚度的定量關系為[1]

G=KI0e-μT

(2)

式中：G為圖像灰度；K為檢測系統灰度轉變常數。

對確定的檢測系統，K值隨工件材料、結構、穿透厚度、射線能量等因素的變化而動態變化，式(1)的散射比n被轉化到K值中。筆者使用數字X射線成像檢測系統，設置不同的透照工藝參數并對階梯試塊進行透照，測量各階梯圖像的灰度，在二維坐標中繪制穿透厚度與對應灰度的平滑曲線，觀察并分析穿透厚度與灰度之間的定量關系，把這種定量對應關系用數學函數的方式表達出來。對于不同的數字化成像檢測系統，針對階梯試塊，需制定符合標準和實際需要的透照工藝[2]。

2.2 檢測用設備及測試試件

使用俄羅斯史克龍斯MRCH-250型射線機，管電壓為130 kV250 kV，管電流為0.8 mA，有效焦點尺寸為φ1.8 mm。

平板探測器型號為CRV X1012，像素間距為100 μm，A/D轉換位數為16 bit(位)，射線能量為40 kV330 kV。

測試試件材料為20號鋼，階梯試塊厚度分別為4，5，6，8，10，12，14 mm。

2.3 透照工藝參數

(1) 設置透照焦距為750 mm，單幀曝光時間為3 s，管電流為0.8 mA，分別設置管電壓為130,140,150,160,170,180,190,200 kV，以多幀積分的方式各采集一副階梯試塊圖像。

(2) 設置透照焦距為750 mm，單幀曝光時間為2 s，管電流為0.8 mA，分別設置管電壓為180,190,200 kV，以多幀積分的方式各采集一副階梯試塊圖像[3]。

2.4 圖像的灰度測量

在計算機上對成像結果進行觀察、分析處理、測試，灰度測量方法為在階梯試塊階梯中心區域測量灰度，共測試3處，取其平均值為該階梯的圖像灰度。

表1 圖像的灰度數據

2.5 繪制灰度與對應厚度關系曲線

由表1可知，用平滑曲線連接灰度與對應階梯厚度在坐標系中的各點，藍色曲線為灰度與厚度關系，紅色直線為線性關系擬合，黑色曲線為指數關系擬合，不同透照電壓所采集圖像的灰度-厚度對應關系曲線如圖1所示。

2.6 灰度與對應厚度關系曲線分析

(1) 觀察圖1(a)(h)的3條曲線的趨勢，可以看出穿透厚度在一定的范圍內，圖像的灰度與對應厚度的關系類似指數趨勢，與式(2)相吻合(此時μ取穿透范圍的衰減均值)；穿透厚度在局部更小范圍內，圖像灰度與對應厚度的關系近似于線性，在不同

圖1 不同透照電壓灰度與厚度關系曲線

的范圍內梯度(斜率)不同,厚度范圍越小，線性程度越高。

(2) 對表1的數據進行兩點指數趨勢擬合，得到灰度與對應厚度的關系函數，并計算三點厚度[如：4/(5,6)意為測量已知穿透厚度為5,6 mm的灰度，擬合函數關系，代入4 mm的灰度，計算出穿透厚度]，計算厚度與穿透厚度差值如表2所示。

表2 計算厚度與穿透厚度差

(3) 分析表2的數據可知，擬合點與計算點的厚度范圍越小，依據灰度計算的厚度與實際穿透厚度差越小；如果選取適宜的透照工藝參數，將圖像灰度控制在平板探測器量程的20%～70%，計算的厚度與實際穿透厚度差值受電壓大小的影響不大；擬合點與計算點的厚度范圍參照檢測系統測試數據，差值可以控制在基準厚度(擬合點的較小厚度，如管道的母材穿透厚度)的3%以內；擬合點與計算點的厚度范圍(參照表2數據，依厚度計算點和基準點灰度變換范圍而定)較大時，可以基于表2的數據對計算厚度進行衰減補償修正，控制差值范圍；也可以現場確定腐蝕點位置，使用測厚儀直接測量管壁厚度。

(4) 計算厚度修正辦法。采用與檢測工件形狀相似，射線吸收系數相同或是相近的模擬試件，設置與實際檢測相同的透照參數，測試采集圖像，得到表2數據，計算差值與基準厚度的比例，并參照這個比例，修正對應的計算厚度。

3 試驗驗證

設計一件有孔和臺階的管狀試件，采用不同的透照工藝參數，采集透照圖像，比較計算孔深和實際孔深數據。

3.1 試件結構

試件結構如圖2所示。

圖2 試件結構示意

3.2 數據測試和計算

依據表3所列的已知數據和測量數據，采用灰度與厚度指數擬合的方法進行擬合，圖像灰度測量點計算厚度與實測值差值如表4所示。表4的驗證數據與表2的數據基本吻合，點蝕腐蝕處射線穿透厚度減小20%(單邊壁厚40%)，計算厚度與穿透厚度差值在穿透厚度的3%以內，說明對于已知兩點，擬合指數趨勢函數，依據灰度值來計算穿透厚度的方法可靠有效，誤差可控。

表3 圖像的灰度數據

表4 圖像灰度測量點厚度的計算值(指數關系)與實測值差值 mm

3.3 計算厚度與穿透厚度誤差原因分析

(1) 射線衰減系數隨穿透厚度的減小而增大，使兩點擬合的指數函數產生趨勢偏差；兩點擬合的精度誤差也會使計算結果產生誤差。

(2) 平板探測器的元器件老化及性能的穩定性、射線源的老化引起的能譜變化、檢測系統的電子噪聲、工件及透照環境的散射線等，都會使檢測系統的灰度轉變常數和灰度產生偏差。

(3) 圖像的靈敏度和分辨率影響觀察和測量的位置，靈敏度和分辨率越高，觀察和測量的位置越具有代表性，就能更加準確地反應細節位置穿透厚度的變化。

3.4 管道腐蝕點蝕深度計算的注意事項

(1) 數字射線成像檢測系統的性能、透照工藝參數、圖像質量等必須滿足標準NB/T 47013.11-2015的要求。

(2) 測試圖像的灰度范圍為平板探測器量程的20%～70%。

(3) 測試采用就近比較的原則，對于管件而言，比較的范圍(厚度變化)越大，誤差越大。

(4) 不同的透照電壓，灰度-透照厚度對應關系的指數趨勢范圍不同。因此,實際檢測以指數關系擬合時，應依據灰度計算穿透厚度，灰度-透照厚度對應關系在近似指數趨勢范圍內。

(5) 母材灰度測量和試件(與母材有厚度差)的灰度測量，均指局部范圍內的平均灰度，這樣可以避免平板探測器中壞像素點的影響；腐蝕和缺陷自身高度測量值均指其最大灰度。

(6) 該方法適用于碳鋼、合金鋼、不銹鋼等材料，而玻璃鋼及PE(聚乙烯)類材料的管道損傷，可參照筆者的試驗方法，以實際試驗數據為基礎，分析誤差范圍，測量損傷深度。

4 結語

采用數字射線成像檢測對管道腐蝕狀況進行了檢測，采集了圖像的灰度，并進行兩點擬合指數函數運算，依據灰度計算出穿透厚度，即可換算出管道的點蝕腐蝕深度；控制好計算穿透厚度的精度，也就控制了點蝕腐蝕深度的測量誤差，缺陷的自身高度也可以使用這種對應關系來計算。

采用參照對比計算的方法對腐蝕深度進行計算，點蝕腐蝕深度在管壁厚度(基準厚度)的40%以下時，測量誤差可控制在基準厚度的3%以內；采用處理圖像的計算機擬合指數函數，方便易行；該方法為管道腐蝕的數字射線成像檢測提供了參考。