X射线数字实时成像检测技术在浅海钢管铺设中的应用

(1.沈阳市自然资源保护行政执法支队，沈阳 110031；2.丹东华日理学电气有限公司，丹东 118001；3.丹东市阳光仪器有限公司， 丹东 118001)

近年来,随着国内外油气等管路铺设项目的大量增加,浅海管路铺设项目增长迅速，但恶劣的工作条件限制了铺设钢管对接焊缝缺陷的X射线检测。传统的X射线检测方法存在效率低，胶片损耗资源大等缺点。X射线数字实时成像检测技术的应用，解决了各种实际问题，笔者从环形机械移动平台入手，结合X射线实时成像原理，介绍了海上钢管对接焊缝的高效率X射线实时数字成像检测系统的构成及其具体的应用过程。应用结果表明，该系统具有自动化程度高，提高工作效率及节约胶片等优点。

1 浅海铺设钢管焊缝的X射线数字成像检测系统

检测系统由X射线检测单元、机械传动系统、专用软件与控制系统、辐射防护系统等组成，检测系统组成框图如图1所示。

图1 X射线数字实时成像检测系统组成框图

X射线检测单元包括X射线管及数字成像板，成像板的成像原理是： X射线管发射出的X射线穿透被检测钢管，照在数字成像板上。数字成像板将接收到的光信号转换成图像信号，再将信号传输到计算机显示器上，进行实时图像缺陷检查。由于是双臂透照钢管，为了避免前后两条焊缝重叠，将射线管与成像板偏移微小角度，检测靠近成像板一端的焊缝即可，X射线数字实时成像原理如图2所示[1-2]。

图2 X射线数字实时成像原理示意

机械传动系统包括外部钢管输送辊道、防护铅房和环绕式机械移动平台，机械传动系统结构示意如图3所示。外部钢管输送辊道是根据适用钢管制成的V行传送辊道，将其固定在船舶上可对钢管进行输送。两根钢管对接焊接后，送入检测防护铅房中进行X射线检测，合格后将钢管一直输送到终端。根据国家标准，检测防护铅房可对X射线等进行屏蔽，从而保证人员安全。环绕式机械移动平台为装置的核心，其通过移动定位来完成对接焊缝的X射线检测。

图3 机械传动系统结构示意

专用软件与控制系统由计算机、运动控制器、伺服电机及控制驱动器、位置编码器及相关电气元件等组成。通过接收发送各种控制信号，控制驱动各个机构按照预定程序完成相应动作，从而实现整个X射线实时成像检测的过程。

2 环绕式机械移动平台的机械结构和功能

环绕式机械移动平台作为装置的核心，由平移传动导轨机构、环形导轨移动架机构、环形移动轨道小车机构、环形齿轮小车驱动机和自动喷标装置等组成。其中，平移传动导轨机构由导向平移直线导轨、传动部件和传动电机减速机等组成。该平台的功能是将整体平台沿横向向左移动一定距离。当钢管焊缝有缺陷时，向一侧移动一定空间，方便进行焊缝的修补工作。环形导轨移动架是在整体的支撑架体上面镶嵌的环形导向导轨，其功能是支撑固定整体结构，环形导向定位。环形移动轨道小车由射线管移动固定小车、成像板移动固定小车和环形固定拉板等组成，用于固定射线管和成像板等元器件，其利用车体的行走轮在环形支撑导轨上滚动，实现射线管与成像板等的同步环绕运动。环形齿轮小车驱动装置由圆环齿轮、电机减速机及驱动齿轮等组成。圆环齿轮固定在环形导轨移动架上，电机减速机及驱动齿轮固定在成像板移动固定小车上。系统控制咬合传动，带动环形移动轨道小车运动。自动喷标装置为电控自动喷涂液体漆液的小型喷标装置，固定于成像板移动固定小车上，当发现缺陷后系统自动将喷嘴瞄准缺陷位置，自动喷标，标记缺陷位置。环绕式机械移动平台结构示意如图4所示。

3 电气控制处理流程及原理

图4 环绕式机械移动平台结构示意

电气控制中心采用计算机作为上位机，利用面向对象的语言Delphi进行软件设计和开发，通过运动控制卡驱动系统并采集移动的数据，得到移动位置数据，以用于计算。上位机作为整个系统的操作界面，完成数据分析、报告、处理以及对执行机构的控制等任务。运动控制器作为控制核心，完成发送及接收控制脉冲信号。伺服电机接收控制器发送的脉冲驱动移动轴运动，同时伺服电机编码器将信号反馈给运动控制器。电气控制中心的硬件控制结构示意如图5所示，上位机连接装有运动控制卡、操作面板、X射线数字成像系统控制器、传感器接收控制元件、报警提示元件等部件。运动控制卡通过伺服驱动器分别控制环形齿轮小车驱动机构的伺服电机A、平移传动导轨机构伺服电机B、外部钢管输送辊道伺服电机C，从而实现整套装置的机械行程动作，操作面板安装一体触摸屏来实现人机交互控制，传感器接收控制元件由信号采集反馈芯片及位置编码器等元器件构成，报警提示元件由传感器反馈芯片及报警急停接触器等器件组成。

图5 硬件控制结构示意

图6 多线程任务处理方式示意

计算机软件的具体实现采用多线程任务处理方式(见图6)， 检测开始进行系统初始化，即检测装置回原点坐标原始定位。启动线程Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，同步开启线程Ⅰ(用户界面交互)、线程Ⅱ(反馈坐标读取)和I/O口控制、线程Ⅲ(综合计算处理)。线程Ⅰ负责和用户的交互，接收用户设置的一些检测参数,如速度、焦距、物距等任务；线程Ⅱ负责将反馈位置信息形成数字坐标读取，并通过I/O口进行控制；线程Ⅲ负责将用户交互信息及位置坐标信息等进行综合计算处理。从环形移动轨道检测工件开始直到检测结束,系统软件对扫描图像进行分析，在显示屏上对缺陷部位进行标记确定，计算出具体的实物缺陷位置及需要运行的轨迹路程，然后驱动环形齿轮小车驱动机构，承载自动喷标装置移动到实际缺陷点的上方，并进行缺陷标记。标记后驱动外部钢管输送辊道，将钢管移动出检测铅房后立刻进行修补，并重新检测。

4 角度测量缺陷定位方法

由于整套系统均采用数字成像和数字控制环形移动定位，射线管与成像板的旋转移动扫描均能用数字化标示出其移动的实时状态，包括旋转速度和旋转角度，以射线管与成像板的中心线为基准线。当在检测图像上发现缺陷时，在屏幕上标记缺陷位置，软件处理系统自动计算测定缺陷位置相对于基准线的角度α。由于基准线与自动喷标装置的喷嘴角度β固定，所以此时喷嘴距离缺陷点位置的角度为β-α=γ，即此时自动喷标装置的喷嘴再移动γ角度后即可到达缺陷点的位置。系统将γ数值反馈给驱动系统，将自动喷标装置的喷嘴移动到缺陷位置后，自动喷标完成缺陷的自动标识。角度测量缺陷定位示意如图7所示。

图7 角度测量缺陷定位示意

5 X射线数字实时成像检测技术在浅海钢管铺设中的应用

浅海铺设钢管焊缝的X射线数字实时成像检测流程控制框图如图8所示，系统的检测使用方法如下所述。

图8 浅海铺设钢管焊缝的X射线数字实时成像检测流程控制框图

(1) 电气控制中心控制驱动外部钢管输送辊道，在两根钢管对接焊接后，将其送入检测防护铅房，到达射线管与成像板中心检测区后停止。

(2) 电气控制中心发出控制指令控制驱动环绕式机械移动平台中的环形齿轮小车驱动机构,带动环形移动轨道小车沿环形导轨移动架上的环形导轨转动，带动小车上固定的射线管和成像板同步沿环形轨道正向检测移动。

(3) 电气控制中心发出控制指令，启动数字平板X射线实时成像系统工作，开始同步检测。

(4) 射线管和成像板环绕钢管对接焊缝正向均匀顺次移动，并将同时生成的焊缝透照图像呈现在计算机显示器上，进行缺陷的实时评定。

(5) 环绕一周后，停止移动，关闭射线系统,结束检测。

(6) 若检测过程中，在显示器上发现焊接缺陷，则操作控制停止移动和检测，并用鼠标在屏幕上标记缺陷点的位置。然后操作控制继续移动和检测，完成剩余检测。

(7) 在完成剩余检测的过程中，系统根据其测量缺陷定位方法，计算出自动喷标装置中的喷嘴距离缺陷点的位置，当喷嘴同步移动到达缺陷点上方时，控制系统控制自动喷标装置动作，喷射液体漆液附着在焊缝缺陷位置。完成缺陷标记直到当次检测结束。

(8) 缺陷标记检测结束后，电气控制中心发出控制指令，控制驱动环绕式机械移动平台中的平移传动导轨机构上的传动电机转动，带动整体平台沿横向向左移动一定距离。

(9) 在平台移出的空间里，对标记的缺陷点进行焊缝的修补工作。

(10) 在完成修补后,操作控制驱动环绕式机械移动平台中的平移传动导轨机构上的传动电机反向转动，带动整体平台沿横向向右移回原先的检测位,重新进行焊缝检测,直到整体焊缝无缺陷，检测结束。

(11) 重新回到第(1)步,将下一道焊缝输送到检测位检测。重复步骤(2)，但驱动环形移动轨道小车上固定的射线管和成像板同步沿环形轨道反向检测移动。其余步骤顺次不变。

6 检测工艺试验与结果分析

检测工艺试验参数：管道直径为1 020 mm，管道厚度为21 mm，双壁透照厚度为42 mm,管长为12 m,焦距为1 140 mm，透照方式为双壁透照，输出电压为200 kV，输出电流为3 mA。合格品与不合格品的检测影像如图9所示。检测工艺标准如表1所示。

图9(a)的检测图像中，没有明显的缺陷点，检测合格；根据图9(b)的检测图像可知，检测出多处缺陷，检测出的气孔直径为2.4 mm，检测出的裂纹面积为242.52 mm2，检测结果为不合格。

图9 合格品与不合格品的检测影像

表1 检测工艺标准

7 结语

该检测系统能够在浅海复杂的工况条件下，对钢管的对接焊缝进行高效率地X射线数字实时成像检测，具有自动化程度高，节约时间及提高工作效率等优点。同时，由于装置采用了计算机图像存储，节约了胶片等耗材，可广泛推广应用于X射线检测领域。