海洋工程領(lǐng)域數(shù)字射線CR 與射線膠片檢測技術(shù)的對比分析

劉立勝,廖良進(jìn),李 江,劉貴吉,武 丁

(海洋石油工程股份有限公司,青島 266520)

在海洋工程領(lǐng)域,射線檢測作為保證工程質(zhì)量的重要手段,得到了廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)絕大多數(shù)項(xiàng)目運(yùn)用的檢驗(yàn)方法都是傳統(tǒng)的射線膠片檢測技術(shù),該技術(shù)經(jīng)過長期的實(shí)踐與發(fā)展,已經(jīng)形成了較為成熟的技術(shù)體系[1]。隨著社會(huì)對環(huán)境保護(hù)重視程度的提高以及各項(xiàng)目對成本控制的加強(qiáng),射線膠片檢測技術(shù)的局限性(檢測周期長、洗片廢液污染環(huán)境、底片保存時(shí)間有限、底片保存條件苛刻、底片調(diào)閱繁瑣等)也逐漸暴露出來[2],并成為難以突破的瓶頸。

近年來,在海洋工程領(lǐng)域,一些先進(jìn)的無損檢測技術(shù)開始逐步替代傳統(tǒng)的射線膠片檢測技術(shù),如相控陣超聲檢測技術(shù)(PAUT)。PAUT可以直觀成像、記錄數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)并保存檢測記錄,而且無輻射危險(xiǎn)、清潔環(huán)保、檢測效率高[3],但是受限于焊口的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等(如連接管件的焊口,PAUT沒有足夠的掃查空間),PAUT難以大范圍替代射線膠片檢測技術(shù)。而近幾年數(shù)字射線CR技術(shù)高速發(fā)展,該技術(shù)探測裝置的適用性以及透照工藝與射線膠片檢測技術(shù)的一致,且檢測全過程不產(chǎn)生危險(xiǎn)廢物,檢測數(shù)據(jù)可以電子儲(chǔ)存,故有望大范圍替代傳統(tǒng)射線膠片檢測技術(shù)[4]。

文章在理論和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,針對海洋工程領(lǐng)域的射線檢測工作(主要為管線焊縫),在原理、環(huán)保、工效、再射率和缺陷檢測等方面,展開了數(shù)字射線CR技術(shù)與射線膠片檢測技術(shù)的對比分析。

1 數(shù)字射線CR與射線膠片檢測技術(shù)對比

1.1 原理

CR 檢測技術(shù)是一種數(shù)字射線檢測技術(shù),采用的探測器材為可重復(fù)使用的IP 成像板(Storage phosphor i maging plate)。IP成像板的功能與膠片類似,是一塊可以彎曲的柔性薄板,可以按照檢測需求裁剪至所需尺寸,是一個(gè)影像信息的采集和信息形成的轉(zhuǎn)換部件[5],其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 IP成像板結(jié)構(gòu)示意

透過工件后的射線照射在IP成像板上,其熒光體層內(nèi)會(huì)形成潛在影像,再將IP成像板放入CR掃描儀內(nèi),激光束對其掃描時(shí),受激光激發(fā)的“潛影”會(huì)以可見光的形式放出不同的能量,這些可見光最終被光電倍增管(PMT)接收,同時(shí)經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,在計(jì)算機(jī)處理下得到數(shù)字化的灰度圖像,工作人員可以在計(jì)算機(jī)顯示屏上處理和評判圖像[6]。CR成像轉(zhuǎn)換示意如圖2所示。

圖2 CR成像轉(zhuǎn)換示意

從原理上來說,CR 技術(shù)與射線膠片檢測技術(shù)有以下異同點(diǎn):①在射線源選擇、透照布置方面一致;②不射線膠片檢測技術(shù)用顯影液、定影液和水進(jìn)行處理,得到實(shí)體底片,后續(xù)需要借助觀片燈進(jìn)行評片,需要恒溫恒濕的空間進(jìn)行底片存儲(chǔ);而CR技術(shù)成像根據(jù)掃描儀實(shí)現(xiàn)光電信號轉(zhuǎn)化,最后得到數(shù)字圖像,可實(shí)現(xiàn)數(shù)字存儲(chǔ),并且可以用電腦顯示屏和評圖軟件進(jìn)行評片。

1.2 環(huán)保

射線膠片檢測技術(shù)在成像過程中,需要使用化學(xué)藥液(顯影液、定影液)對膠片進(jìn)行處理,此過程將產(chǎn)生大量危險(xiǎn)廢物(主要是顯影廢液和定影廢液,含高濃度重金屬和有機(jī)污染物,超過國家規(guī)定排放標(biāo)準(zhǔn)的300～1 000倍),如果處理不當(dāng),將對環(huán)境、水源和人體健康造成嚴(yán)重危害,而且此種廢液處理難度大且經(jīng)濟(jì)成本高;另外底片保存到期失效后,還需專門處理。而數(shù)字射線CR 技術(shù)檢測全過程不產(chǎn)生,檢測數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在硬盤中,不會(huì)產(chǎn)生環(huán)保問題。

1.3 工效

1.3.1 透照工效

CR技術(shù)中采用的IP成像板,對射線較膠片敏感,所以透照效率會(huì)更高一些。文章做了以下試驗(yàn)對射線膠片檢測技術(shù)和CR技術(shù)的透照工效進(jìn)行了對比。

(1) 試驗(yàn)器材:射線機(jī)(SMART EVO 300D)、CR掃描儀(CRx Vision)、IP 成像板(IPS)、膠片(AGFA D7)、洗片機(jī)(Structurix NDT-U)、前增感屏(厚0.1 mm)和背防護(hù)鉛板。

(2) 試驗(yàn)試塊:外徑為273 mm 壁厚為18 mm、外徑為323 mm 壁厚為25 mm、外徑為168 mm 壁厚為30 mm 的管線焊縫試塊各1塊。

(3) 試驗(yàn)過程:采用射線機(jī)窗口緊貼管外壁的透照布置,分別采用CR 技術(shù)和射線膠片檢測技術(shù)以相同的管電壓管電流對外徑為273 mm 壁厚為18 mm 的管線焊縫進(jìn)行試透照,分別記錄能滿足NB/T 47013.14—2016《承壓設(shè)備無損檢測第14部分:X 射線計(jì)算機(jī)輔助成像檢測》B 級和NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無損檢測第2部分:射線檢測》B級的透照時(shí)間,透照布置如圖3所示。

(4) 再采用上述方法分別對外徑為323 mm,壁厚為25 mm的管線焊縫和外徑為168 mm,壁厚為30 mm 的管線焊縫進(jìn)行透照,分別記錄能滿足NB/T 47013.14 B級和NB/T 47013.2 B級的透照時(shí)間。

(5) 試驗(yàn)結(jié)果:將步驟(3)和(4)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,結(jié)果如表1所示。

表1 CR與射線膠片檢測技術(shù)透照工效對比

由表1可知,在射線穿透厚度為36～60 mm 的管線焊縫時(shí),CR 技術(shù)較射線膠片檢測技術(shù)節(jié)省20%～26%的透照時(shí)間。

1.3.2 成像處理工效

在CR技術(shù)滿足NB/T 47013.14 B級和射線膠片檢測技術(shù)滿足NB/T 47013.2 B級的情況下,針對430 mm×355 mm(長×寬)尺寸的IP成像板和膠片,CR 掃描儀和洗片機(jī)處理得到圖像的時(shí)間分別為1 min 20 s～3 min 30 s,6 min～8 min。

1.4 再射率

在射線檢測時(shí),有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)需要再次拍攝的情況(即再射),例如曝光不足或曝光過度引起底片黑度過小或過大(CR圖像歸一化信噪比過低,或劑量過大導(dǎo)致無法測量)時(shí),不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。現(xiàn)將同一時(shí)期某項(xiàng)目的射線膠片檢測技術(shù)的再射率和另一項(xiàng)目的CR 技術(shù)再射率進(jìn)行對比,結(jié)果如表2所示。

表2 CR與射線膠片檢測技術(shù)的再射率對比及原因分析

從表2可以看出,CR 技術(shù)的再射率要比膠片的再射率低。

針對CR 技術(shù)與射線膠片檢測技術(shù)的寬容度,文章做了以下試驗(yàn)。

(1) 試驗(yàn)器材:鋼制階梯試塊(分別有厚度為3,6,8,12,16,24,30,40 mm 的臺(tái)階)如圖4所示,射線 機(jī) (SMART EVO 300D)、CR 掃 描 儀(CRx Vision)、IP成像板(IPS)、膠片(AGFA D7和AGFA D4)、洗片機(jī)(Structurix NDT-U)、前增感屏(厚0.1 mm)和背防護(hù)鉛板。

圖4 鋼制階梯試塊

(2) 試驗(yàn)過程:分別采用管電壓為150,200,260 k V,曝光量為15 mA×min,焦距為700 mm,用IP成像板和膠片對階梯試塊進(jìn)行透照,得到的CR圖像進(jìn)行歸一化信噪比測量,得到的實(shí)體底片進(jìn)行黑度測量。

(3) 試驗(yàn)結(jié)果:將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,結(jié)果如表3所示。

表3 CR與射線膠片檢測技術(shù)的寬容度對比分析

由表3可知,CR 技術(shù)的寬容度比射線膠片檢測技術(shù)的大。

1.5 缺陷檢測

為了對比CR技術(shù)與射線膠片檢測技術(shù)的缺陷檢測能力,在某海洋工程項(xiàng)目中,隨機(jī)抽取了109道焊縫,包括管線和結(jié)構(gòu)的全熔透焊縫,壁厚為2.5～25.4 mm,用同樣的透照布置進(jìn)行了CR檢測和射線膠片檢測,最后對兩者的結(jié)果進(jìn)行對比,結(jié)果如下所述。

(1) 射線膠片檢測技術(shù)共檢測出24道焊口存在缺陷,包括裂紋、未焊透、未熔合、氣孔、夾渣、咬邊、根部凹陷,在對比的焊口中,凡是底片上能看到的缺陷,無論大小,CR圖像上都能清晰呈現(xiàn)。

(2) 缺陷測量方面,CR技術(shù)可以用評圖軟件上校準(zhǔn)過的測量工具,通過縮小或放大圖像,精確地測量出缺陷尺寸;而由于底片不能放大,射線膠片檢測技術(shù)對于尺寸非常小的缺陷,只能進(jìn)行粗略測量。

(3) 像質(zhì)計(jì)靈敏度方面,射線膠片檢測技術(shù)和CR技術(shù)的最小可見絲徑一致。

2 結(jié)語

針對海洋工程領(lǐng)域的射線檢測工作,CR 技術(shù)的現(xiàn)場適應(yīng)性和射線膠片檢測技術(shù)適應(yīng)性類似,因?yàn)镃R技術(shù)所用的IP成像板可以彎曲和裁剪,射線源、暗袋、背防護(hù)鉛板也無需更換;CR 技術(shù)檢測數(shù)據(jù)的數(shù)字化與電子化特性,能克服射線膠片檢測技術(shù)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、評定、查閱、共享和危險(xiǎn)廢物等方面產(chǎn)生的局限性;在工效方面,CR技術(shù)比射線膠片檢測技術(shù)略高,主要體現(xiàn)在透照、圖像處理和再射率方面;從目前工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)來看,在缺陷檢測和圖像質(zhì)量方面,采用正確的檢測工藝,CR技術(shù)可以達(dá)到射線膠片檢測技術(shù)一致的水平。