電力系統的冷陰極X射線管數字成像檢測

(北京國電電科院檢測科技有限公司，北京 102209)

X射線檢測廣泛應用于醫學、電力、船舶等行業。熱陰極X射線管有能量轉換效率低、射線檢測時間長等局限性[1]。碳納米管具有良好的導電性能、穩定的化學性能、優異的機械性能，被認為是最理想的場致發射材料之一[2]，其加速了對冷陰極X射線管的研究,推動了X射線檢測技術的進一步發展，并且近些年冷陰極X射線機逐漸應用在實際檢測中。成像系統也由傳統的膠片成像技術發展出計算機射線照相(CR)技術、數字陣列檢測技術(DDA)和計算機層析成像技術(CT)等。筆者主要介紹了由冷陰極X射線機和數字陣列檢測系統組成的冷陰極X射線數字成像系統以及該技術在電力系統的應用案例。

1 冷陰極X射線管數字射線成像技術原理

1.1 冷陰極X射線管原理

圖1 冷陰極X射線管結構示意

圖2 冷陰極X射線管外觀

冷陰極X射線管(見圖1,2)主要由陰極、陽極、管殼3部分組成，其中陰極為具有針葉樹形狀的碳納米材料，陽極大多選用錐形鎢針，管殼內為真空。冷陰極X射線由X射線真空二極管產生[3]，其電子發射原理是場致發射，陰極部位的碳納米結構材料有鋒利的邊角,或者頂端可以增強場發射電流，并通過外部施加強電場來抑制表面的勢壘[4]，在強電場的作用力下,陰極材料表面的電子射入真空管中，同時陽極部位的錐形針狀結構有利于減小發射面積,以達到盡可能小的焦點，從而發出強度更高的X射線。

1.2 冷陰極與熱陰極X射線管的差異

熱陰極X射線使用的陰極材料通常是鎢絲，需要高溫加熱到上千度，才能發射電子撞擊陽極靶，這與冷陰極X射線場致發射的工作原理存在差異，也使得二者在實際操作、檢測范圍、使用壽命、成像效率、成像質量等方面存在許多不同。二者差異具體如下所述。

(1) 熱陰極X射線管在檢測前需要對燈絲進行預熱，且在長時間拍攝時,為防止高溫燈絲燒壞，需要進行冷卻散熱。冷陰極X射線管工作原理為場致發射，不需要預熱，響應速度快，可直接拍攝，且長時間拍攝不需要冷卻散熱。

(2) 冷陰極X射線管使用的碳納米管具有很高的發射電流密度[5]，場發射電子初始發射方向一致,且可以控制在非常小的區域，具有更小的焦點、更高的分辨率和清晰度。熱陰極X射線管如果要達到一定的發射電流，燈絲就不能太細，焦點也就不會太小。

(3) 熱陰極X射線管(見圖3)中，電子的大部分動能轉換為熱能散發出去，能量轉換效率低，需要有更多的曝光量來獲得X射線，輻射量大；而冷陰極X射線管的能量轉換效率高，可以用較低的曝光量來獲得相同強度的X射線，輻射量小。

圖3 熱陰極X射線二極管結構示意

(4) 冷陰極X射線管的碳納米管結構穩定，可以長時間工作，比熱陰極X射線管的使用壽命更長。

(5) 冷陰極X射線管不需要加熱，可以安裝在便攜式、低能耗的移動X射線成像設備中，便于現場或野外應用。

(6) 熱陰極X射線管的工作頻率存在波動，而冷陰極X射線管頻率恒定，可穩定發射X射線，更加適合數字X射線成像系統，可以得到更加均勻清晰的成像結果。隨著數字X射線成像系統的普遍應用，冷陰極X射線管在射線檢測領域具有更好的應用前景。

1.3 數字X射線成像原理

目前應用于現場檢測的數字射線成像系統主要是非晶硅數字陣列結構。非晶硅結構成像原理是當X射線撞擊陣列板表面的閃爍層時，該閃爍層發出光電子，光電子被硅光電二極管陣列采集并將其轉化成電荷，再將這些電荷轉換為每個像素的數字值。光電信號由掃描控制器讀取，將其轉換為數字信號，經數據處理后，獲得在顯示器上顯示的數字化圖像。

數字陣列成像系統的技術特點是：① 取代膠片，減少環境污染，可實時成像；② 檢測效率高，容易實現自動化；③ 圖像靈敏度高(動態范圍、對比度、寬容度等);④ 數字圖像的處理、交互性、存儲性、便利性更好；⑤ 所需射線劑量小，輻射少。

2 冷陰極X射線管數字成像系統在電力系統的應用

電力系統中的管道、容器類型較多，檢測對象的公稱厚度從幾毫米到一百多毫米不等，在實際檢測中存在操作空間受限、常規熱陰極X射線機透照范圍有限、短距離射線交叉作業等問題，因此體積小、便攜的冷陰極X射線數字成像檢測技術成為新的檢測手段。

冷陰極X射線管數字成像系統中設備有：TXR-C1R180P-01型冷陰極X射線機、CareView750Cw型數字成像板、計算機、成像分析軟件Analysis V2.0和拍攝控制軟件View V1.0。數字成像板CareView750Cw的動態范圍為16 bit。圖像處理軟件常用功能有測量工具、計算分析工具、圖像處理工具、優化功能、圖像支持等。

目前型號為TXR-C1R180P-01的冷陰極X射線機的最大電壓為180 kV，脈沖電流為1 mA，脈沖時間為1 s，經試驗測試，該射線機對鋼材的穿透厚度可達28 mm左右，滿足成像圖片質量要求的穿透厚度在20 mm左右，可用于公稱厚度小于10 mm小徑管的雙壁透照檢測，或公稱厚度小于20 mm工件的單壁透照，大壁厚工件是目前冷陰極X射線所不能穿透的。在既滿足射線檢測要求，又能短時間、高效率地獲得檢測結果,還能輻射低，不影響周邊其他工作的情況下，可由冷陰極X射線機和數字成像技術組成冷陰極X射線管數字成像系統進行檢測。

3 在電力系統的應用實例

3.1 電廠小徑管檢測

對某電廠的兩個小徑管試樣進行檢測。試樣1規格為φ45 mm×7.0 mm(外徑×壁厚)，材料為SA213-T91；試樣2規格為φ58 mm×3.8 mm(外徑×壁厚)，材料為不銹鋼。采用冷陰極X射線管數字成像檢測，綜合考慮材料、壁厚等因素，經過測試，獲得了較好的檢測結果。

試樣1的曝光參數選用焦距為200 mm,電壓為180 kV,電流為1 mA，脈寬為1 s，得到較佳圖像質量(見圖4)，原圖灰度為14 768，信噪比為30.4，可識別雙線型像質計絲號10和單線型像質計絲號12。

圖4 小徑管試樣1的X射線檢測圖像

圖5 小徑管試樣2的X射線檢測圖像

試樣2的曝光參數選用焦距為355 mm,電壓為150 kV,電流為1 mA，脈寬為1 s，得到較佳圖像質量(見圖5)，原圖灰度、單線型像質計絲號、雙線型像質計絲號、信噪比等均能夠滿足標準NB/T 47013.11-2015 《承壓設備無損檢測 第11部分：X射線數字成像檢測》的AB級要求。

3.2 高壓電纜接頭檢測

某高壓電纜線接頭試樣外觀如圖6所示，材料為鋁，為了檢測內部電纜線和接頭處是否有斷裂缺陷，采用兩組曝光參數：焦距為280 mm,電壓為140 kV,電流為1 mA,脈寬為0.5 s；焦距為380 mm,電壓為140 kV,電流為1 mA,脈寬為1 s。測得原始灰度為14 768，可識別單線型像質劑絲號10，可識別雙線型像質計絲號12，信噪比為30.4，也可經過兩三次的高通濾波獲得較佳檢測圖像(見圖7)，圖中可以清晰地看到內部線纜和斷面。

圖6 電纜接頭試樣外觀

圖7 不同曝光參數下電纜接頭X射線檢測圖像

3.3 高壓埋地電纜檢測

高壓埋地電纜內部結構如圖8所示，主要檢測其鋼絲鎧裝有無析出物，該析出物會導致絕緣體層的腐蝕，引起鋼絲鎧裝火光短路，電纜直徑約為100 mm,焦距為400 mm,曝光參數選用電壓為140 kV，電流為0.5 mA,脈寬為0.5 s,通過兩次高通濾波得到完好的和火光短路后的鋼絲鎧裝檢測結果(見圖9，10)。

圖8 高壓埋地電纜內部結構示意

圖9 完好的鋼絲鎧裝X射線檢測結果

圖10 火花短路后的鋼絲鎧裝檢測結果

圖11 水冷壁管排外觀

圖12 不同曝光參數下的水冷壁管排成像結果

3.4 水冷壁管排檢測

水冷壁管排(見圖11)規格為φ28.9 mm×6.7 mm(外徑×壁厚)，材料為15CrMoG，選用兩組曝光參數：焦距為200 mm,電壓為160 kV，電流為1 mA,脈寬為1 s；焦距為300 mm,電壓為180 kV，電流為1 mA,脈寬為1 s。得到對比效果較佳的檢測結果(見圖12)，灰度、線型像質計、信噪比等滿足標準NB/T 47013.11-2015的AB級要求，可清晰地看到焊縫上的裂紋缺陷。

3.5 有油管道檢測

某電廠油管道規格為φ60 mm×55.5 mm(外徑×壁厚),材料為0Cr18Ni9,選用兩種曝光參數：焦距為200 mm,電壓為160 kV，電流為1 mA,脈寬為1 s；焦距為300 mm,電壓為180 kV，電流為1 mA,脈寬為1 s。得到三通對接接頭成像結果(見圖13)和彎頭對接接頭成像結果(見圖14)，灰度、單線型像質計、雙線型像質計、信噪比等均滿足標準NB/T 47013.11-2015的AB級要求，可清晰地看到焊縫上的裂紋缺陷。

圖13 三通對接接頭X射線檢測結果

圖14 彎頭對接接頭X射線檢測結果

圖15 某電站有油管道角焊縫外觀

圖16 某電站有油管道角焊縫檢測結果

某電站有油管道角焊縫外觀及檢測結果如圖15，16所示。

3.6 氧化皮堆積檢測

某電廠對高溫再熱器管氧化皮進行堆積檢測，由于空間有限，現場使用簡易工裝進行檢測(見圖17)，高溫再熱器規格為φ51 mm×4 mm(外徑×壁厚),材料為T91，選用兩種曝光參數：焦距為110 mm，射線源到工件表面的距離為50 mm,電壓為180 kV，電流為0.5 mA,脈寬為0.1 s；焦距為100 mm，射線源到工件表面的距離為30 mm,電壓為160 kV，電流為0.5 mA,脈寬為0.1 s，獲得的成像結果如圖18所示，可清晰地看到管內堆積物程度。

圖17 某氧化皮堆積檢測現場

圖18 平板對接焊縫成像結果

3.7 平板對接試樣檢測

對某電廠厚度為12 mm，材料為20g鋼的平板對接接頭試樣進行檢測，曝光參數選用焦距為200 mm,電壓為180 kV，電流為1 mA,脈寬為1 s,成像結果中可清晰地看到缺陷(見圖19)。

圖19 平板對接焊縫成像結果

4 結語

通過一系列檢測，發現冷陰極X射線數字成像檢測可以滿足電廠小徑管、高壓電纜接頭、埋地電纜、水冷壁管排、有油管道、氧化皮堆積等構件的檢測要求，且在檢測效率和輻射防護等方面優于熱陰極X射線管的。但冷陰極X射線檢測技術存在脈沖電壓電流小、時間短等問題，不能穿透厚度大的工件，應用范圍受到了一定制約。盡管如此，冷陰極X射線管的研究與應用前景還是很廣闊的。