圖 1 X射線切線技術測厚示意
分享：基于DDA檢測技術的帶包覆層管道壁厚測定
壓力管道是特種設備的重要組成部分，壓力管道檢驗一般包括宏觀檢驗、壁厚測定、焊接接頭缺欠檢測、耐壓試驗和泄漏性試驗等內容[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，準確測定帶包覆層管道的壁厚具有重要的現實意義與應用價值。
德國AMI公司基于數字射線軟件平臺AMICA-401系統，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，進而生成管道系統的數字射線分析測厚技術的集成軟件流評價[2]。2012年，PICK等[3]綜合分析了切線技術及雙壁技術在底片圖像處理和灰度研究中的應用。2012年至今，美國材料試驗協會制定了一系列關于數字射線成像檢測技術的標準。相較于國外，我國在帶包覆層壓力管道測厚方面的研究起步較晚，最先在核電領域展開。大亞灣核電站的陳均等[4]基于核電機組的真實環境，利用射線檢測技術對沖蝕減薄的管壁進行精確檢測，并提供了檢測及計算的方法。國內DDA對包覆層的檢測目的主要是腐蝕檢查，且現場輻射防護要求高，實施時較為繁復[5-6]。
傳統的壁厚測定方法往往受到測量精度、設備復雜性和環境適應性的限制，特別是對于包覆層管道的檢測，更是面臨著諸多挑戰。近年來，DDA技術作為一種新興的非破壞性檢測方法，在管道壁厚測定方面展示出了顯著的優勢[7]。文章旨在探討基于DDA檢測技術的帶包覆層管道壁厚測定的原理、方法以及實際應用。
1. 管道DDA技術測厚理論分析
X射線檢測技術是一種廣泛應用于工業領域的無損檢測技術[8]，是基于X射線穿透物質時，其強度和特性隨物質的密度、厚度以及組成的不同而變化的特性來對工件實施檢測的。由射線原理可知，射線通過不同類型的吸收物質的輻射強度I可表示為
| (1) |
式中：I0為射線透照前輻射強度；μ為線性衰減系數；t為穿透厚度。
在一定條件下，射線輻射強度會隨著透照厚度的變化而變化。因而，用射線底片的灰度值來反映射線方向的透照厚度。
X射線切線技術測厚示意如圖1所示，當射線與管內壁和外壁相切時，切點為B點和D點。通過已知參照物和BD區域在接收器上的投影幾何關系，可得到管道壁厚值。當管外徑R已知時，管外壁為射線參照物。
當r<X≤R時，射線截距W為
| (2) |
當0≤X≤r時，射線截距W為
| (3) |
式中：X為射線距圓心距離；r為管道內半徑。
射線截距W與射線距圓心距離X的關系曲線如圖2所示，當X取內圓半徑r時，射線束與內圓相切，截距W取得最大值Wmax，射線衰減最大，探測器接收到的X射線劑量值最小。
圖 2 射線截距與射線距圓心距離的關系曲線
中心法是X射線數字成像應用于管道測厚的一種特殊方法。該方法基于管道的幾何中心對稱性，利用X射線在管道中傳播時，中心位置和邊緣位置的射線強度存在差異來實現厚度測量。在測量過程中，首先，將X射線發射器置于管道的外側，確保其對準管道的幾何中心；然后，X射線經過管道材料，最終被位于管道另一側的探測器接收。探測器會記錄不同位置的X射線強度，特別是在中心位置和邊緣位置的灰度。通過管道DR圖像結果，運用數學模型及圖像處理技術，結合X射線衰減規律，可以計算出管道的厚度t，其原理示意如圖3所示。（圖中：圖像寬度為m；a為X射線源到臨界切點的距離；b為通過臨界切點X射線到探測器的距離；θ為通過臨界切點X射線與探測器的夾角。）
圖 3 中心法X射線數字成像測厚原理示意
結合圖3，通過幾何放大原理可知，射線通過管壁得到的圖像寬度m與厚度t的關系可表示為
| (4) |
偏心法是X射線數字成像測厚中的另一種方法，主要適用于管道等圓柱形結構的測厚，該方法不要求X射線源位于管道幾何中心位置。在偏心法中，X射線源固定在管道的一側，而探測器則偏離管道的中心線進行設置。在此方式下，X射線穿透管道的路徑長度會受到管道厚度變化的影響，從而在探測器上形成不同灰度影像。對這些灰度影像進行解析，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射線數字成像測厚原理示意
結合圖4，通過幾何放大原理可知，射線通過管壁得到的圖像寬度m與管道厚度t的關系為
| (5) |
| (6) |
| (7) |
式中：D為管道外徑；H為X射線源到探測器的距離。
2. 帶包覆層管道的DDA圖像采集
文章選用NOVO DR檢測系統進行試驗，該系統由X射線機、平板探測器、數據采集系統組成。射線機選用XRS-4型X射線機，DR檢測系統選用NOVO-15WN型平板探測器，像素尺寸為0.148 μm，成像面積為284 mm×231 mm。儀器實物如圖5所示。
圖 5 包覆層管道X射線數字成像檢測系統實物
對尺寸（直徑×壁厚）為?133 mm×11.2 mm的管道進行射線檢測，管電壓為150 kV，管電流為4 mA，曝光時間為0.5 s，焦距為700 mm，管道垂直射線機中心放置，檢測結果如圖6所示。
圖 6 包覆層管道DDA檢測結果
3. 管道DDA圖像的分析與處理
對圖像橫向方向（垂直管徑）進行線灰度值測定，結果如圖7所示。測得管道DR圖像橫向灰度值的線分布如圖8所示(灰度無量綱，下同)，可知沿管徑截面方向灰度值存在極小值，在管內壁位置的灰度值先減小后增大，在射線穿透厚度最大位置處射線衰減最嚴重，該位置的灰度值最小。當射線束靠近管外徑時，穿透厚度逐漸變小，在外徑位置射線束穿透厚度為零時，DR圖像灰度顯示為最大值。對圖像橫向方向進行面灰度值測定，可知灰度沿橫向截面方向存在極小值、極大值。
圖 7 管道DDA圖像橫向灰度測定結果
圖 8 管道DR圖像橫向灰度值的線分布
文章結合X射線數字成像的特點，采用了一階導數法進行圖像邊界的提取。對于給定的圖像矩陣I，橫向一階導數可以通過簡單的前向或后向差分來計算。具體公式為
| (8) |
式中：Gx(i,j)為圖像在點(i,j)處的橫向梯度。
這種一階差分方法計算簡單，但在面對噪聲或圖像細節時可能不夠穩定。其次，Prewitt算子是一種改進的差分方法，利用3×3的卷積核來進行導數計算，得到管道DDA圖像橫向灰度線一階導數的分布情況（見圖9）。由圖9可知，沿管徑方向灰度值一階導數在管內壁位置存在最小值，在管外壁位置灰度發生突變，得到最大值。
圖 9 管道DDA圖像橫向灰度線一階導數分布
通過對管道DDA圖像橫向灰度二維一階導數值（內壁為0，外壁為最大值/最小值）寬度進行標定，經過圖像處理，得到DDA圖像一階導數管壁邊緣提取結果，如圖10所示。通過灰度一階導數法邊緣提取能夠實現對管道內外壁輪廓的提取，結合平板探測器得到的圖像寬度m代入式（4）可實現管道壁厚測定。
圖 10 管道DDA圖像壁厚提取結果
經過管道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，實現了包覆層管道壁厚的測定。采用A型脈沖反射法超聲測厚儀（型號為27 MG）對該位置進行壁厚測定，試驗現場如圖11所示，實測平均壁厚值為11.18 mm，與DDA技術壁厚測量結果基本一致。
圖 11 超聲測厚儀壁厚驗證試驗現場
4. 結論
（1）結合射線源、管道和探測器的相對位置關系建立了帶包覆層壓力管道DDA檢測技術壁厚測定模型。
（2）通過DDA檢測技術實現了帶包覆層管道X射線數字成像，并對垂直管徑方向的灰度值變化規律進行了理論分析。
（3）采用一階導數法實現了包覆層管道內外壁的輪廓提取，結合管壁幾何位置實現了帶包覆層壓力管道的壁厚測定。
文章來源——材料與測試網
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