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焊缝射线检测
双击自动滚屏 发布者:chianweld 发布时间:1/4/2007 阅读:16461

 

 

线

 

 

1. 胶片方式射线检测

射线检测的基础是利用X射线或γ射线可以穿透金属,在正常和缺陷部位产生吸收差别,因此形成射线强度变化的潜影,再通过胶片感光形成缺陷的影像。从检测技术本身来说,射线检测具有缺陷影像清晰与可以永久保存的特点,因此在工业中得到了较广泛的应用。其中,X射线检测的灵敏度与清晰度较好,应用的较多,在没有电源的情况下可以采用放射性同位素源产生的γ射线进行检测。

1.1 射线的产生

X射线产生的方式有多种形式,例如下班壳或陶瓷壳的真空管型低能X射线发生器,直线加速 器与电子回旋加速器等高能射线发生器。

1)低能X射线

真空管型X射线发生器的原理见图1,阴极发射的电子流经高电位梯度电场聚焦与加速后,撞击阳极靶,把电子的部分动能转化为X射线的辐射能。由于采用的阳极靶结构不同,可产生定向辐射与周向辐射X射线,以适合于各类容器、管道与船壳等焊缝检验的要求,见图2

 

2)常规射线发生器所产生的射线能量较低,其电子加速电压一般不超过400kV,检验最大工件厚度达100mm。为了提高X射线能量,采用直线加速器来增加电子的能量,目前已经可产生125MeV范围的高能X射线。

3为直线加速器的原理,电子从含灯丝的电子枪发射后进入直线加速的波导管中,由磁控管或调速管产生的射频电压加到不同距离的多级漂移加速管上,使漂移管间电子的飞行速度与其电压相位变化周期同步,以保持正波相位驻波加速。加速并聚焦后的脉冲电子流撞击到末端靶上产生X射线辐射。

3)便携式高能X射线发生器

为了适应大厚度部件的现场检验要求,除直线加速器外目前已研制出小型电子回旋加速器。经过磁铁设计的改进与高集成电子线路的发展,回旋加速器的尺寸与质量减小很多。例如采用单相电源的6MeV便携式电子回旋加速器PXB6,总质量只有190kg,机头质量仅90kg。工作在高负荷下的钽靶生热很低,不用水冷却。其原理见图4。电子流由高压枪注入真空盒内,受线圈与磁铁产生的均匀磁场在环形轨道上加速,然后再同步与定时地控制磁场使电子流偏离环形轨道撞击在钽靶上,于是就可产生角度为θX射线辐射。与直线加速器相比,电子回旋加速器具有焦点小与输出剂量低的特点,在中厚焊缝的射线检测上应用的效果较好。

1列出了便携型直线加速器与电子回旋加速器的典型参数,这些加速器都满足了现场进行检测的条件。例如,检测核电厂大型铸造不锈钢件、不锈钢阀体、厚壁容器以及船壳厚度较大的焊缝等。

1  便携型直线与电子回旋加速器的典型参数

加速器

 

射线能量

/MeV

照射量率

/ (R/min)

焦点尺寸

/mm

半值层厚

/mm

机头质量

/kg

设备总质量

/kg

透照厚度

/mm

Minac 4

3.9

100

1.7

24.4

25

311

50300

Minac 6

6

300

2

30

41

334

90300

PXB 6

6

35

0.2×1

28

90

185

50280

    注:R为伦琴,是照射量的单位,与法定计算单位的换算关系为1R2.5810×10-4C/kg

 

4)典型X射线发生器的参数

射线源尺寸越小,底片影像越清晰。因此,从提高缺陷影像清晰度的角度出发,已出现小焦点与微焦点(射源尺寸)的X射线发生器。各种典型X射线发生器的技术参数见表2。表中列出的射线能量用其加速电压来表示,能量越高,射线的穿透能力越强,检测的工件越厚。目前,射线检测的厚度范围可由几毫米到600mm。一般情况下,射线输出剂量越高,照相的曝光时间越短,而且可以促进底片影像清晰。当然,具体的操作工艺应遵照相应的标准进行。

2  各种典型X射线发生器参数

   

最大加速电压

/kV

射源尺寸

/mm

X射照射量率

(在1m处)(R/min

机头质量

/kg

管头与电缆分离型

120

420

0.8×0.8

3.5×3.5

10mA

5020mA

9

100

小焦点设备

160250

0.1×0.1

0.4×0.4

4mA

3.5

微焦点设备

150

300

0.02×0.02

0.05×0.05

0.5mA

50

全密封筒型

200

300

3×3

3×3

6mA

16(6mA)

100

120

直线加速器

LINAC

LINATRON

1000

8000

15000

2×2

2×2

3×3

50

3000

6000

1800

1850

2000

电子回旋加速器

24000

0.2×0.2

180

3000

 

1.2 胶片

射线穿透工件后形成的缺陷潜影是肉眼所观察不到的,利用胶片表面乳胶膜的感光特性可以把射线强度潜影转化成可见影像。乳胶膜是由能够感光的银盐颗粒和明胶构成,银盐颗粒越细,越容易看出缺陷影像的细节。

射线束中的射线量子射到胶片银盐颗粒上以后,除了使其感光外,量子的剩余能量会使银盐颗粒释放出自由电子,并使其周围颗粒再次感光,形成一个感光圆而不是一个感光点,因而促使影像不清晰。胶片不清晰程度(Uƒ)主要取决于乳胶膜中的银含量与明胶比,且与射线的能量有很大关系,见表3

3  胶片不清晰度Uƒ与射线能量之间关系的试验值

能量/MeV

0.05

0.1

0.3

0.3

0.4

1.0

2.0

5.0

8.0

20.0

24.0

Ir192

Co60

Uƒ/mm

0.03

0.05

0.09

0.12

0.15

0.24

0.32

0.45

0.6

0.80

0.95

0.17

0.35

 

胶片不清晰度影响对缺陷影像的分辨能力,已发现在不清晰度与分辨能力之间存在如下的经验关系:

                              URp2.9                           1

式中    U——不清晰度(mm);

Rp——每mm距离可分辨线对的数值。

例如采用常规胶片和100kVX射线检测,可得到的分辨能力高达60对线/mm的水平。一般的X射线检测都具有1020对线/mm的分辨能力。

1.3 射线检测的灵敏度

为了评定射线检测技术的好坏,习惯上在工件的表面放置一个钢丝或钻孔型的象质计随工件一起透照,因此它的影像也出现在底片上。通常把眼睛可识别的最小钢丝直径或孔径的影像用来衡量射线检测技术与底片处理过程的质量,简称象质计灵敏度或照相灵敏度。

研究表明:象质计灵敏度与缺陷的检出率没有直接关系,特别是裂纹的检出能力与象擀计灵敏度的关系更小。反之 ,底片的清晰度与裂纹的检出率有较大的联系。清晰度可由影像的虚影大小测量,其值与透照技术中几何不清晰度(Ug)和胶片固有不清晰度(Uƒ)有关。不清晰度(由Ug/Uƒ度量)对象质计灵敏度和裂纹相对检的影响见图5。从图中可以看出:象质计灵敏度与几何不清晰度关系不大,甚至当几何不清晰度Ug的变化范围达(0.52.5Uƒ时,可识别象质计的钢丝直径仅变化一根。反之,裂纹检出率改变得确实很大。

1.4 射线检测裂纹的灵敏度

射线检测对裂纹的检测灵敏度与裂纹本身的开口宽度b、自身高度h和它与射线传播方向间的夹角α有关,见图6、图7及式(2)。

 

 

分析式(2)可以得出,在其它条件不变时裂纹的检测灵敏度主要受其方向角αUT的影响。由于采用不同的照相技术会产生不同的几何不清晰度,表4给出了Ug数值范围与它对UT的影响。表5是各国标准中对Ug值的规定。

4  几何不清晰度Ug对总不清晰度UT的影响

Ug/Uƒ

0.5

1.0

2.0

4.0

UT/mm

0.06

0.07

0.19

0.25

5  各国标准中规定的最大几何不清晰度Ug

 

BS 2600

ISO 2437

CEN 25444

CEN 25444

ASTME 1023

UT/mm

0.34

0.12

0.6(普通)

0.3(高级)

1.02

 

1.5 高能X射线检测的特点

高能X射线设备的射源尺寸较小,X射线输出的剂量较大。与低能射线相比其散射强度低,产生缺陷影像的射线强度比例高。例如,以透照50mm的钢焊缝为例,表6给出了不同能量射线的散射强度(Is)与形成影像的有效强度(Id)之比。从中可以看到,散射强度随着射线能量的提高而降低。因此,采用高能射线照相时虽然工件与缺陷间的吸收系数差变小了,但是由于散射线少,其影像的对比度还是能保持与低能射线检测相同。不过高能射线会使底片的不清晰度上升(Uƒ0.2MeV0.1mm提高到8MeV0.6mm),从而降低了裂纹的检出率。

6  缺陷影像处不同能量射线的散射强度与形成影像的有效强度之比

射线能量

0.4MeV

5MeV

15MeV

Is/Id

5.5

2.0

0.5

 

2. 射线检测实时显示技术

虽然胶片射线检测方式具有较好的分辨率和较高的对比度以及底片黑度动态范围大等特点,但胶片感光时,胶片吸收射线的效率很低,从而曝光时间增加;此外,感光的胶片还需后续的显影、定影与干燥处理等,这些因素都使得从照相到底征可观察的时间变得很长,成本也因而增高。另外,胶片射线检测方式难以实现检测过程的自动化,因而其应用范围受到一定的限制。

在替代胶片的射线检测技术中,目前能实现缺陷影像实时显示的技术主要有三类,并已达到实用阶段。

2.1 射线检测实时显示装置

1)荧光屏显示

可感光的荧光屏摆放在待检工件的后面,并不密封,为克服人眼对荧光屏上缺陷影像反差不敏感的特点,采用镜面反射原理,把影像投射到超高灵敏度摄像机上,构成一个闭路电视的摄影与显示系统,通过电子线路的放大与转换达到缺陷影像可观察的水平,如图8所示。

2X射线图像增强器

采用一种可以把X射线转化为光线的图像转换增强器放在待检工件后面,缺陷影像经过增强后亮度很高,增强系数达1001000掊,但尺寸缩小近10倍。缺陷的光学影像再经过大广角透镜组投射到摄像机上,如图9所示。由于亮度高,因此不需要高灵敏度摄像机即可以满足显示的要求。

3)二极管阵列X射线图像转换器

10所示为线性排列的光敏二极管X射线图像转换系统。它由很多小型X射线灵敏元件组成,数量达5121024个,甚至更多。当工件运动或线性二极管阵自身扫查时,各元件会测得X射线潜影强度的变化,经光导耦合与信号处理,从而形成缺陷的二维图像。然而如若获得较高分辨率,则会花费很长的测量时间。目前这种方法还仅限于加速电压在150kV以下产生的射线能量才可用。

3.2 实时显示系统屏幕的影像质量

实时显示系统的图像是由显像管的光栅扫描与像素灰度实现的,而胶片照相是由微粒底片的感光黑度完成的。但是两者的影像质量都与其对比度、清晰度和噪声有关。目前,在实时显示系统中通过积分均值处理已经基本上可以消除图像的噪声,并且已有提高局部与整体对比度的程度算法来解决图像的对比度,但是减少不清晰度要困难些。

一般采用监视器观察缺陷影像,其总不清晰度近似地等于射线影像不清晰度与监视器系统图像不清晰度之各,在不经放大的显示方式下约为0.8mm。如果把图像区放大3倍显示,约为0.26mm。因此,实时显示系统与胶片照相方式相比不清晰度要大很多,胶片射线检测的总不清晰度UT见表7

7  良好的胶片射线检测技术其总不清晰度与射线能量和类型的关系

射线能量和类型

100kVX射线

200kVX射线

400kVX射线

8McV X射线

Ir-192γ射线

Co-60 γ射线

不清晰度UT/mm

0.05

0.1

0.2

0.6

0.25

0.5

        以加速电压表示的射线能量。

 

目前,提高射线检测实时显示系统影像的清晰度受到各种因素的限制。现有系统的分辨率为512线×512张,灰度级为256 ( 8A/D),一帧画面的数据量达67MB。要提高清晰度,就在进一步减小像素尺寸,增加到分辨率为1024线×1024线的显示方式上。但是,当前计算机的存储容量与处理速度都跟不上实时显示的要求。另外,现有的电视摄像机也没有那样高的分辨率(一般为700800线以下)。因此,短期内射线检测实时显示系统对裂纹的检出能力还不能和胶片射线检测相比。但是,随着微电子技术与计算机图像处理功能的提高,高清晰度电视(1100线)与高分辨率摄像机时代的到来以及大容量数字处理技术的出现(一帧10242像素),未来的实时显示系统对裂纹的检出率也会很快提高。

2.3 提高屏幕影像清晰度

一般胶片射线检测的分辨率均大于10线对/mm,而实时显示图像的分辨率约为24线对/mm。但是,若采用微焦点X射线发生器,并以投影放大的显示方式把缺陷影像放大,那么因射源焦点很小而不会显著地损害影像的清晰度,反之散射线会成比例地降低,从而提高了影像的对比度。另外在屏幕自身不清晰度固定的前提下,影像尺寸放大就构成了屏幕影像虚影的减小,结果甚至可能达到与胶片射线检测的清晰度相当。

投影显示的最佳放大倍数Mopt可以从试件平面的总不清晰度UoT达到最小来导出。设屏幕上缺陷的总不清晰度为:

11给出了实时显示系统的UoT值与放大倍数M的关系。

当实时显示系统的总不清晰度为0.5mm时(等效分辨率为5线对/mm),为了使屏幕达到与胶片射线检测的不清晰度相当,不同射线源尺寸与所对应的投影放大倍数可按表8选用。

8  实时显示与胶片射线检测不清晰度相当的投影

放大倍数与其对应的射线源尺寸(达到Ug0.6UT

射线类型

试件厚度/mm

投影放大倍数M

焦点或射线源尺寸/m

射线源到探测器距离/mm

100kVX射线

5

10.0

3

650

200kVX射线

20

5.0

15

640

400kVX射线

50

2.5

80

640

Ir-192γ射线

50

2.0

150

620

Co-60γ射线

100

1.0

520

 

2.4 数字图像处理软件基础

射线检测实时显示系统中的数字图像处理包括降低噪声、提高影像对比度、影像锐化、边缘增强、伪像标识和缺陷识别等内容。

1)消除噪声

射线的发射、吸收与散射都是按照量子力学的统计规律进行的。如果在射线束内平均每秒每平方毫米的量子数量为A,但这并不意味着在任何点任意时间都绝对等于A。因此,如果平均吸收N个量子形成一个像素点,那么自然地也会产生N1/2的波动,于是产生的信噪比为N/N1/2N1/2。当采用帧频为25Hz的电视系统观察图像时,形成像素的量子数N很小,所以图像噪声很大,以致无法观察。消除这种噪声最简单的方法是积分均值处理,采用帧数F=81632或更多帧的均值处理程序费时极少,信噪比可提高F1/2

2)数字图像增强

地接焊缝射线检测的典型数字图像增强程序有以下两部分:

1) 在噪声降低的基础上沿长度与宽度方向进行缝影像的均化处理。

2) 改进图像的对比度。一般不采用图像边界锐化处理,以免出现裂纹类缺陷影像外围的晕圈现象。

3)焊缝缺陷自动识别

焊缝射线检测实时显示系统缺陷的自动识别是一个复杂的模式识别课题,要求配置超强功能的硬件与专用的图像分析软件包,目前已近成熟。

如果在512×512分辨率与256灰度级(8位精度)的基础上,在积分均值过程中要进一步提高信噪比则应采用16位精度。图像识别程序的主要部分是缺陷分离处理,它先通过自适应低通滤波程序缓和与均化焊缝影像,再经过阈值运算程序将灰度级别转化成2值图像(黑或白),从而消除了焊缝余高的影像,最终只剩下缺陷的影像。在此基础上借助于模式识别规则把各缺陷提取出5项特征指数。即

① 位置;

② 取向;

③ 尺寸,包括缺陷面积、最大长度、宽度、缺陷间距;

④ 轮廓特征;

⑤ 灰度级别特征,包括边缘特点、中心灰度、灰度分布等。

通过对某一模式指数或不同指数的组合进行辩认以达到自动完成缺陷的定量分类、评定与判断,或者是作出通过/判废形式的处理。由于实时地自动识别焊缝缺陷的复杂性,一般开发专用识别程序比通用识别程序容易与实用。

目前,采用微焦点或小焦点射源,按35倍的投影放大,分辨率为512×512,灰度级为8位的射线检测实时显示系统,已经走出试验阶段进入实用的水平。当用到输送管道环缝检验时,甚至可以与最快的管道射线检测爬行器的检测速度相媲美。另外,也可以应用在海上铺管船的恶劣操作条件下,实时地检验铺设管道环缝的质量。

 

 
 
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