圖 1X射線(xiàn)切線(xiàn)技術(shù)測(cè)厚示意
壓力管道是特種設(shè)備的重要組成部分，壓力管道檢驗(yàn)一般包括宏觀(guān)檢驗(yàn)、壁厚測(cè)定、焊接接頭缺欠檢測(cè)、耐壓試驗(yàn)和泄漏性試驗(yàn)等內(nèi)容[1]。其中，管道的壁厚狀況直接影響著流體的輸送效率和管道的使用壽命。因此，準(zhǔn)確測(cè)定帶包覆層管道的壁厚具有重要的現(xiàn)實(shí)意義與應(yīng)用價(jià)值。
德國(guó)AMI公司基于數(shù)字射線(xiàn)軟件平臺(tái)AMICA-401系統(tǒng)，提出了基于垂直管壁面積的殘余壁厚和缺陷定量分析軟件，進(jìn)而生成管道系統(tǒng)的數(shù)字射線(xiàn)分析測(cè)厚技術(shù)的集成軟件流評(píng)價(jià)[2]。2012年，PICK等[3]綜合分析了切線(xiàn)技術(shù)及雙壁技術(shù)在底片圖像處理和灰度研究中的應(yīng)用。2012年至今，美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)制定了一系列關(guān)于數(shù)字射線(xiàn)成像檢測(cè)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。相較于國(guó)外，我國(guó)在帶包覆層壓力管道測(cè)厚方面的研究起步較晚，最先在核電領(lǐng)域展開(kāi)。大亞灣核電站的陳均等[4]基于核電機(jī)組的真實(shí)環(huán)境，利用射線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)對(duì)沖蝕減薄的管壁進(jìn)行精確檢測(cè)，并提供了檢測(cè)及計(jì)算的方法。國(guó)內(nèi)DDA對(duì)包覆層的檢測(cè)目的主要是腐蝕檢查，且現(xiàn)場(chǎng)輻射防護(hù)要求高，實(shí)施時(shí)較為繁復(fù)[5-6]。
傳統(tǒng)的壁厚測(cè)定方法往往受到測(cè)量精度、設(shè)備復(fù)雜性和環(huán)境適應(yīng)性的限制，特別是對(duì)于包覆層管道的檢測(cè)，更是面臨著諸多挑戰(zhàn)。近年來(lái)，DDA技術(shù)作為一種新興的非破壞性檢測(cè)方法，在管道壁厚測(cè)定方面展示出了顯著的優(yōu)勢(shì)[7]。文章旨在探討基于DDA檢測(cè)技術(shù)的帶包覆層管道壁厚測(cè)定的原理、方法以及實(shí)際應(yīng)用。
1. 管道DDA技術(shù)測(cè)厚理論分析
X射線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[8]，是基于X射線(xiàn)穿透物質(zhì)時(shí)，其強(qiáng)度和特性隨物質(zhì)的密度、厚度以及組成的不同而變化的特性來(lái)對(duì)工件實(shí)施檢測(cè)的。由射線(xiàn)原理可知，射線(xiàn)通過(guò)不同類(lèi)型的吸收物質(zhì)的輻射強(qiáng)度I可表示為
式中：I0為射線(xiàn)透照前輻射強(qiáng)度；μ為線(xiàn)性衰減系數(shù)；t為穿透厚度。
在一定條件下，射線(xiàn)輻射強(qiáng)度會(huì)隨著透照厚度的變化而變化。因而，用射線(xiàn)底片的灰度值來(lái)反映射線(xiàn)方向的透照厚度。
X射線(xiàn)切線(xiàn)技術(shù)測(cè)厚示意如圖1所示，當(dāng)射線(xiàn)與管內(nèi)壁和外壁相切時(shí)，切點(diǎn)為B點(diǎn)和D點(diǎn)。通過(guò)已知參照物和BD區(qū)域在接收器上的投影幾何關(guān)系，可得到管道壁厚值。當(dāng)管外徑R已知時(shí)，管外壁為射線(xiàn)參照物。
當(dāng)r<X≤R時(shí)，射線(xiàn)截距W為
當(dāng)0≤X≤r時(shí)，射線(xiàn)截距W為
式中：X為射線(xiàn)距圓心距離；r為管道內(nèi)半徑。
射線(xiàn)截距W與射線(xiàn)距圓心距離X的關(guān)系曲線(xiàn)如圖2所示，當(dāng)X取內(nèi)圓半徑r時(shí)，射線(xiàn)束與內(nèi)圓相切，截距W取得最大值Wmax，射線(xiàn)衰減最大，探測(cè)器接收到的X射線(xiàn)劑量值最小。
圖 2射線(xiàn)截距與射線(xiàn)距圓心距離的關(guān)系曲線(xiàn)
中心法是X射線(xiàn)數(shù)字成像應(yīng)用于管道測(cè)厚的一種特殊方法。該方法基于管道的幾何中心對(duì)稱(chēng)性，利用X射線(xiàn)在管道中傳播時(shí)，中心位置和邊緣位置的射線(xiàn)強(qiáng)度存在差異來(lái)實(shí)現(xiàn)厚度測(cè)量。在測(cè)量過(guò)程中，首先，將X射線(xiàn)發(fā)射器置于管道的外側(cè)，確保其對(duì)準(zhǔn)管道的幾何中心；然后，X射線(xiàn)經(jīng)過(guò)管道材料，最終被位于管道另一側(cè)的探測(cè)器接收。探測(cè)器會(huì)記錄不同位置的X射線(xiàn)強(qiáng)度，特別是在中心位置和邊緣位置的灰度。通過(guò)管道DR圖像結(jié)果，運(yùn)用數(shù)學(xué)模型及圖像處理技術(shù)，結(jié)合X射線(xiàn)衰減規(guī)律，可以計(jì)算出管道的厚度t，其原理示意如圖3所示。（圖中：圖像寬度為m；a為X射線(xiàn)源到臨界切點(diǎn)的距離；b為通過(guò)臨界切點(diǎn)X射線(xiàn)到探測(cè)器的距離；θ為通過(guò)臨界切點(diǎn)X射線(xiàn)與探測(cè)器的夾角。）
圖 3中心法X射線(xiàn)數(shù)字成像測(cè)厚原理示意
結(jié)合圖3，通過(guò)幾何放大原理可知，射線(xiàn)通過(guò)管壁得到的圖像寬度m與厚度t的關(guān)系可表示為
偏心法是X射線(xiàn)數(shù)字成像測(cè)厚中的另一種方法，主要適用于管道等圓柱形結(jié)構(gòu)的測(cè)厚，該方法不要求X射線(xiàn)源位于管道幾何中心位置。在偏心法中，X射線(xiàn)源固定在管道的一側(cè)，而探測(cè)器則偏離管道的中心線(xiàn)進(jìn)行設(shè)置。在此方式下，X射線(xiàn)穿透管道的路徑長(zhǎng)度會(huì)受到管道厚度變化的影響，從而在探測(cè)器上形成不同灰度影像。對(duì)這些灰度影像進(jìn)行解析，可以獲得管道的厚度信息，其原理示意如圖4所示。
圖 4偏心法X射線(xiàn)數(shù)字成像測(cè)厚原理示意
結(jié)合圖4，通過(guò)幾何放大原理可知，射線(xiàn)通過(guò)管壁得到的圖像寬度m與管道厚度t的關(guān)系為
式中：D為管道外徑；H為X射線(xiàn)源到探測(cè)器的距離。
2. 帶包覆層管道的DDA圖像采集
文章選用NOVO DR檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，該系統(tǒng)由X射線(xiàn)機(jī)、平板探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。射線(xiàn)機(jī)選用XRS-4型X射線(xiàn)機(jī)，DR檢測(cè)系統(tǒng)選用NOVO-15WN型平板探測(cè)器，像素尺寸為0.148 μm，成像面積為284 mm×231 mm。儀器實(shí)物如圖5所示。
圖 5包覆層管道X射線(xiàn)數(shù)字成像檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物
對(duì)尺寸（直徑×壁厚）為?133 mm×11.2 mm的管道進(jìn)行射線(xiàn)檢測(cè)，管電壓為150 kV，管電流為4 mA，曝光時(shí)間為0.5 s，焦距為700 mm，管道垂直射線(xiàn)機(jī)中心放置，檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。
圖 6包覆層管道DDA檢測(cè)結(jié)果
3. 管道DDA圖像的分析與處理
對(duì)圖像橫向方向（垂直管徑）進(jìn)行線(xiàn)灰度值測(cè)定，結(jié)果如圖7所示。測(cè)得管道DR圖像橫向灰度值的線(xiàn)分布如圖8所示(灰度無(wú)量綱，下同)，可知沿管徑截面方向灰度值存在極小值，在管內(nèi)壁位置的灰度值先減小后增大，在射線(xiàn)穿透厚度最大位置處射線(xiàn)衰減最嚴(yán)重，該位置的灰度值最小。當(dāng)射線(xiàn)束靠近管外徑時(shí)，穿透厚度逐漸變小，在外徑位置射線(xiàn)束穿透厚度為零時(shí)，DR圖像灰度顯示為最大值。對(duì)圖像橫向方向進(jìn)行面灰度值測(cè)定，可知灰度沿橫向截面方向存在極小值、極大值。
圖 7管道DDA圖像橫向灰度測(cè)定結(jié)果
圖 8管道DR圖像橫向灰度值的線(xiàn)分布
文章結(jié)合X射線(xiàn)數(shù)字成像的特點(diǎn)，采用了一階導(dǎo)數(shù)法進(jìn)行圖像邊界的提取。對(duì)于給定的圖像矩陣I，橫向一階導(dǎo)數(shù)可以通過(guò)簡(jiǎn)單的前向或后向差分來(lái)計(jì)算。具體公式為
式中：Gx(i,j)為圖像在點(diǎn)(i,j)處的橫向梯度。
這種一階差分方法計(jì)算簡(jiǎn)單，但在面對(duì)噪聲或圖像細(xì)節(jié)時(shí)可能不夠穩(wěn)定。其次，Prewitt算子是一種改進(jìn)的差分方法，利用3×3的卷積核來(lái)進(jìn)行導(dǎo)數(shù)計(jì)算，得到管道DDA圖像橫向灰度線(xiàn)一階導(dǎo)數(shù)的分布情況（見(jiàn)圖9）。由圖9可知，沿管徑方向灰度值一階導(dǎo)數(shù)在管內(nèi)壁位置存在最小值，在管外壁位置灰度發(fā)生突變，得到最大值。
圖 9管道DDA圖像橫向灰度線(xiàn)一階導(dǎo)數(shù)分布
通過(guò)對(duì)管道DDA圖像橫向灰度二維一階導(dǎo)數(shù)值（內(nèi)壁為0，外壁為最大值/最小值）寬度進(jìn)行標(biāo)定，經(jīng)過(guò)圖像處理，得到DDA圖像一階導(dǎo)數(shù)管壁邊緣提取結(jié)果，如圖10所示。通過(guò)灰度一階導(dǎo)數(shù)法邊緣提取能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)管道內(nèi)外壁輪廓的提取，結(jié)合平板探測(cè)器得到的圖像寬度m代入式（4）可實(shí)現(xiàn)管道壁厚測(cè)定。
圖 10管道DDA圖像壁厚提取結(jié)果
經(jīng)過(guò)管道DDA圖像壁厚寬度反算得到圖10方框位置的壁厚平均值為11.27 mm，實(shí)現(xiàn)了包覆層管道壁厚的測(cè)定。采用A型脈沖反射法超聲測(cè)厚儀（型號(hào)為27 MG）對(duì)該位置進(jìn)行壁厚測(cè)定，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖11所示，實(shí)測(cè)平均壁厚值為11.18 mm，與DDA技術(shù)壁厚測(cè)量結(jié)果基本一致。
圖 11超聲測(cè)厚儀壁厚驗(yàn)證試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)
4. 結(jié)論
（1）結(jié)合射線(xiàn)源、管道和探測(cè)器的相對(duì)位置關(guān)系建立了帶包覆層壓力管道DDA檢測(cè)技術(shù)壁厚測(cè)定模型。
（2）通過(guò)DDA檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了帶包覆層管道X射線(xiàn)數(shù)字成像，并對(duì)垂直管徑方向的灰度值變化規(guī)律進(jìn)行了理論分析。
（3）采用一階導(dǎo)數(shù)法實(shí)現(xiàn)了包覆層管道內(nèi)外壁的輪廓提取，結(jié)合管壁幾何位置實(shí)現(xiàn)了帶包覆層壓力管道的壁厚測(cè)定。
文章來(lái)源——材料與測(cè)試網(wǎng)