油气管线焊缝无损检测X射线数字成像系统.pdf

第 5 O卷第 1 期 2 0 1 4年 2月 石油化工自动化 AUTOM ATI ON I N P ETR - CH E M I CAL I NDUS TRY Vo 1 ． 5 O，No ． 1 F e b r u a r y，2 0 1 4 油气管线焊缝无损检测 X射线数字成像系统 史小东 ， 赵洪波 ， 韩曙光 中国石化集团胜利石油管理局 海上石油工程技术检验中心， 山东 东营 2 5 7 0 0 0 摘 要 针对长输管线焊缝无损检测， 研制了一套基于x射线 C MO S 感光芯片 R a d E y e TM 1 0 0的x射线数字成像系统， 对系统的 性能指标进行了对 比测 试 ， 并初步应用于长输油气管线焊缝检测工程 。根据选定 的 x射线 CMOS感光 芯片， 采用 C P L D产 生 系统所需的各种时序， 设计并制作了C MO S 感光芯片驱动电路、 A ／ D转换电路、 数据采集与通信电路、 图像获取及处理软件等。 该系统采用以太网传输接口与计算机通信， 提高了安全防护距离。测试结果表明 x射线数字成像系统的辐射剂量低于传统 胶片辐射剂量的 5 O ， 系统的分辨率达到 5 1 p ／ m m， 满足了现行相关标准的要求。x射线数字成像系统具有体积小、 结构简单、 分辨率高的特点， 能够满足油气管线焊缝无损检测的要求。 关键词 焊缝检测数字成像C MO S 探测器分辨率 中图分 类号 T E 9 4 文献标 志码 B 文章编 号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 4 0 1 0 0 3 9 0 4 A Di g i t a l X- Ra y I m a g i ng S y s t e m f o r No n de s t r u c t i v e I n s pe c t i o n o f Oi l _ Ga s Pi p e l i n e W e l d s S h i Xi a o d o n g，Z h a o Ho n g b o ， Ha n S h u g u a n g Of f s h o r e Pe t r o l e u m En g i n e e r i n g S u r v e y ，S i n o p e c S h e n g l i P e t r o l e u m Ad mi n i s t r a t i o n Bu r e a u ， Do n g y i n g， 2 5 7 0 0，Ch i n a Ab s t r a c t Ai mi n g t o l o n g d i s t a n c e t r a n s p o r t a t i o n p i p e l i n e n o n d e s t r u c t i v e i n s p e c t i o n，a d i g i t a l X_ r a y i ma g i n g s y s t e m i s d e v e l o p e d b a s e d o n Ra d Ey e TM 1 0 0 wi t h X- r a y C OM S s e n s i t i v e c h i p，a n d s y s t e m p e r f o r ma n c e i n d e x i s c o mp a r e d，a n d i s u s e d f o r l o n g d i s t a n c e o i l g a s t r a n s p o r t a t i o n p i p e l i n e we l d s d e t e c t i o n e n g i n e e r i n g ． Ac c o r d i n g t o s e l e c t e d X- r a y CM OS s e n s i t i v e c h i p ，t h e d r i v e r e l e c t r i c l o o p wi t h C MOS s e n s i t i v e c h i p ，A／ D c i r c u i t ，i ma g e a c q u i s i t i o n a n d p r o c e s s s o f t wa r e a r e d e s i g n e d a n d ma n u f a c t u r e d wi t h CP LD g e n e r a t i n g t i mi n g c l o c k s p r o g r a m i n n e e d ． Th e s y s t e m c o mmu n i c a t i o n i s c o n t r o l l e d b y c o mp u t e r t h r o u g h T C P ／ I P p o r t wi t h i mp r o v e d s a f e t y d i s t a n c e ．Th e t e s t r e s u l t s h o ws i t s r a d i a t i o n d o s a g e o f d i g i t a l i ma g i n g s y s t e m i s 5 O l e s s t h a n t h a t o f t r a d i t i o n a l X - r a y f i l m，a n d t h e r e s o l u t i o n r e a c h e s t o 5 l p ／ mm，a n d me e t s t h e a c q u i s i t i o n o f r e l a t e d c r i t e r i o n s ． Th e s y s t e m h a s c h a r a c t e r i s t i c s o f s ma l l d i me n s i o n，s i mp l e s t r u c t u r e ， h i g h r e s o l u t i o n a n d s u f f i c e s f o r t h e r e q u i r e me n t o f o i l g a s p i p e l i n e we l d s n o n d e s t r u c t i v e i n s p e c t i o n ． Ke y wo r d s we l d s i n s p e c t i o n；d i g i t a l i ma g i n g；CM OS d e t e c t o r ；r e s o l u t i o n 随着社会经济的迅速发展和材料学 、 微电子学 等基础学科研究领域的全面进步 ， 以计算机 自动控 制与通信技术为基础的神经元信息感知 、 图像数据 处理信息系统正处于蓬勃发展 的时期u J 。X射线 无损探伤作为一种常规的无损检测方法在工业领 域应用 已有近百年的历史 ， 通常以胶片照相为主要 方法， 但该方法需耗用大量的 x射线胶片， 具有工 序复杂、 检测周期长、 劳动量大、 成本高、 环境污染 严重 、 人身伤害大及检测 自动化程度低等诸 多缺 点 ， 使其在检测效率 、 成本及环境保护等方面无法 满足 目 前生产快速发展和竞争日 益激烈的需要 。 将计算机图像采集及处理技术应用 于无损检测领 域 ， 即 x射线数字成像检测技术 ， 可 以极大地提高 检测 自动化程度及生产效率 ， 它作为一种新的无损 稿件收到 E l 期 2 0 1 3 0 7 2 6 ， 修改稿 收到 日期 2 0 1 3 一 I I 一 2 0 。 作者简介 史小东 1 9 7 2 一 ， 男 ， 山东 东营人 ，2 0 0 4年毕业 于北京 航空航天大学机械工程学 院机械工 程专业， 获硕士学位 ， 现就职于 中国石化集 团胜利石 油管理局 海上石 油工程 技术检 验 中心 ， 主要 研究方向为无 损检测技术 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 0 石油化工 自动化 第 5 O 卷 检测方法 已进入对接焊缝 的无损 检测领域 。该技 术检测效率高 ， 实现了 X射线检测 的 自动化 ， 低成 本、 实时成像、 存储方便 ， 更重要 的是数字图像 的可 处理性 ， 通过数字 图像 处理技术 直接提取缺 陷特 征 ， 使 得 实 现 焊 缝 X 射 线 缺 陷 自动 评 判 成 为 可能 j 。 1 X射线数字成像系统的组成 通过对 国 内外 焊缝 X射 线成像 检测 技术 的 调研 ， 结合公 司多 年 的无 损检测 经验 ， 对 该项 目 的系统结构进行 了优化设计 。如图 1所示 ， 将整 个系统划分为 图像处理与用户终端模 块 、 相 机模 块 、 视频采集模块 、 管外爬行机构模 块 4个部 分。 由计算机终端 图像处理软件发 出控制命令 ， 控制 管外爬行机构携带 X射 线数字相机平稳旋转 ， 数 字相机接收管内爬行器透过焊缝的质量信息， 进行 A／ D转换、 存储 ， 并 通过以太 网传输 回电脑终端 ， 利用图像软件进行处理 ， 以达到分辨率高、 图像 清 晰的要求 。 r 一一一一一 一一一一一一一 一一一． r 一一一一一 一一一一一 一一一一一 图像处理与用户终瑞模块i 相机模块 图 像 加 密 客 户 终 端 I IC M ．竺 O 壁 S [ l j 一＼ l }几 l I ／ CPLD J A D C I 叫 一 视频米集模块 - 爬行机构模块 图 1 系统 功能 示意 2 X射线数字 C MO S平板探测器 x射线数字 C MOS平板探测器是该系统 的关 键部件 ， 它决定了系统的成像性能 ， 被认 为是可 以 取代传统胶片照相的一种技术 。C MOs数字平板 由集成的互补金属氧化物硅半导体 C MOS 记忆 芯片构成 。由于其特殊 的活性像元探头技术把所 有的电子控制和放大电路置于图像探头上， 取代一 般探测器在边缘布线的结构， 因此使得 C MO S探 测器 比其他 探测器 的抗 振性能 更强 ， 寿命 更长 。 C MO S探测器工作温度 范围宽 ， 解 决 了其他平板 探测器的电子噪声 随温 度增加而增 大的弊端 ， 在 0 ． 5 5 4 3 ． 3 o C温度变化 范围内不需要标定 ； 由于 C MOS探测器每个像 素是单独放大 的 ， 不受相 邻 像素的影响， 因而能消除由于辐射能量大造成浮散 和拖影现象； 还具有适 应电流范 围宽 、 空 间分辨率 大 像元尺寸可到 0 ． 3 9 m ， 曝光时间短等优点 。 结合长输管线环境 的特殊严格 要求 ， 该 系统选择 R a d E y e TM 1 0 0特 大 面 阵 列 VL A Ve r y L a r g e A r e a 图像传感器， 采用集成 C O MS 光电二极管阵 列 ， 既可直接用于可见光成像 ， 也可透过闪烁材料 来实现 x射线等放射性射线成像 。性能参数见 表 1 所 列 。 表 1 C M OS探测器性 能参数 技术参数 性能 感应区域尺寸／ mm 像素 分辨率／ 1 p mm 拼接范 围 电源／ V 可变帧率／ Hz 输 出方式 49 ．2 9 8 ．3 51 2 1 02 4 5 三面可拼接 拼接之后 可以扩大探测面积 5 0 ．01 ～ 1 ．8 0 独立差分视频输 出 选择的 C MOS探测器提供 了多种成像模式 ， 其 中帧模式 F r a me Mo d e 适用于用户 自行设计数 据采集 电路 。图 2为 帧模 式 时 序 图 ， 其 中时 钟 C l o c k 和开始 S t a r t 为输人控制信号， 其余为输 出。帧 F r a me 和行 L i n e 分 别为帧 同步和行 同 步信号 ， Ou t s 和 Ou t r 分别为差分模拟输 出信号。 C l o c k的工作频率为 0 ． 0 1 ～ 1 MHz 。当第一个大 于 1 T T为时钟周期 的 S t a r t 脉 冲信号输入时 ， 传 感器开始工作 ， 在拍完一帧 图像后停止工作 ， 等待 下一个 S t a r t 脉冲信号 ， 所 以通过控制 S t a r t 信号 的频率 ， 便可 以控制每两帧图像的间隔时间 。 ck 岬 』 U l F r a m。j 币 丁 弼 I I I I l l l I I I I 。止尸 上 s Ⅲ _ 耳 C o il C o l S 1 0 叫寸 十 - 十 I l 1 I l l I I I I I n门 图 2 帧模式下的时序 3 基于 A R M和 C P L D的视 频采集卡及 驱动 电路 设计 x射线无损探伤工程 ， 首先 要考虑 x射线的 辐射防护安全问题。为了提高距离 防护效果 ， 须实 现图像数据的远距离传输 ， 可以通过以太网利用 网 线传输使传输距离达 1 0 0 m。其次 ， 要解决 系统的 稳定性 问题 ， 整个系统从管外旋转机构 同步运转、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 史小东等．油气管线焊缝无损检测 x射线数字成像系统 4 1 发出射线 、 接收射线 、 采集 图像、 模数转换 、 传输 图 像到计算机图像处理 系统接收图像并处理 的过程 中， 多种工艺和技术交叉复合， 为 了实时、 不问断地 采集焊缝质量图像信息 ， 系统必须具有很高的稳定 性。这样集多种功能于一体的数据采集系统， 采用 基于 AR M 和 C P L D的嵌入 式系统来实现 。数据 采集卡的系统原理如图 3 所示， 数据由模拟视频输 入端进入系统 ， 经 过 A／ D转化成数字量后在系统 中暂存， 并最终通过微处理器 MC U 传送到外界。 根据视频数据采样率可以计算得到系统所需要的 最高数据流量是 1 4 Mb i t ／ s ， 因而选用 1 0 0 M 以太 网， 利用网络协议纠错 ， 一方面避免传输错误 ， 另一 方面简化设计复杂度和降低传输线路的开发成本 。 数字 视频 数据 模拟 视频 数据 S RAM 5 l 2 Kx 3 2 bi t s 图 3 数据采集卡及 工作流程示意 由于系统使用了C P L D， A R M嵌入式系统单 片机和大容量存储器 ， 必须增加有效的辐射屏蔽 电 路保证 系统稳定地工作 。另外为了提高可用性 ， 在 硬件和软件设计中考虑容错保护， 采用 Wa t c h d o g 模式， 在遇到偶发故障死机的情况下能够自启， 以 保证图像采集的连续。 4 X射线图像的采集与处理 x射线数字成像系统的软件用于实现图像的获 取和图像处理功能 ， 系统软件采用模块化结构设计 ， 由管外爬行机构同步控制、 图像采集、 图像传输 删I I 网络协议 、 图像处理、 图像存储管理等模块 组成。软件系统基于 Win d o w s 操作系统平台， 采 用 VC编程语言编制。各模块主要功能如下 1 管外爬行机构 同步控制模块 。用于管外爬 行机构旋转和图像信息采集的同步控制， 实现整条 焊缝的图像信息采集。 2 图像采集模块。控制 x射线的曝光量和 C MO S 探测器的采集、 传输时间， 完成单帧图像的 采集功能 。 3 图像传输 TP C ／ I P网络协议模块。完成图 像信息的实时、 稳定地传输到图像软件系统。 4 图像处理模块。实现图像的缩放、 降噪、 增 强 、 漫游、 反 白、 测量标尺 、 灰度变换、 多帧拼接等 功能。 5 图像 存储管 理模块 。实现焊 缝信息 的存 储 、 加密等功能 ， 对图像分类管理， 建立被检工件的 数据库 ， 以便于图像的搜索 、 浏览和对 比， 并将报告 保存成电子文档供查阅。 5 X射线数字成像 系统的性能测试 为了检验 X射线 成像 系统 的性能 ， 根据 GB 1 7 9 2 5 --1 9 9 9 气瓶对 接焊缝 X射线 数字成像 检 测 、 GB ／ T 1 9 2 9 3 --2 0 0 3 对接焊缝 X射线数字成 像检测法 、 GJ B 5 3 4 6 --2 0 0 5 射线 实时成像 检测 方法 以及 J B ／ T 4 7 3 0 ． 卜 4 7 3 0 ． 6 2 O O 5 承压类设 备无损检测 对系统 的技术指标进行 了测试 ， 以下 主要对辐射剂量对 比测试 、 图像分辨率测试 两方 面进行阐述。 5 ． 1 辐射剂量的对比测试 与 X射线胶片相 比， 数字 图像具有更高的射 线灵敏度 ， 只需要很少的辐射剂量就可以获得 良好 的图像质量。x射线长期、 高剂量的照射会导致人 体组织的癌变， 因而应用 x射线数字成 像系统在 不影响图像质量的前提下应降低工作人员受照射 的剂量 ， 保护操作者的健康 J 。对 比试验采用爱克 发胶片照相工艺和 自行研发的数字成像系统， 以获 得足够的图像灵敏度为准 ， 测试 目标为获得相同像 质计等级B级。相同的像质计灵敏度下两种工艺 的技术参数对 比见表 2所列 。 表 2 技术参数对比 由表 2 可知， 获得相同的图像灵敏度， x数字 成像系统曝光时间需要 l s 拍 3帧取平均以获得 高质量 图像 ， 胶片照相工艺曝光时间需要 5 S ， 在 不考虑管电压参数情况下， 前者为后者辐射剂量的 2 0 。同样不考虑曝光时间 ， 管电压前者为后者的 3 3 。从测试结果来看 ， 获得 同样灵敏度 的 X射 线图像 ， 数字成像系统所需 的 X射线辐射 剂量远 远低于胶片照相工艺， 大幅降低了对操作人员的核 辐射伤害。 5 ． 2 图像分辨率测试 分辨率是考核 系统成 像质量的重要指标 ， 也 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 2 石 油化 工 自动化 第 5 O卷 是射线检测设备质 量验收的重要依据 ， 需要采用 质量检测器具进行 客观的测 量 ， 一 般采用分辨率 测试卡来检测图像 的分辨率 。X射线图像分辨率 是 以能够 分辨 清楚 黑 白相问 线条 的能力 来表 示 的。黑 白相问 的线条 又称为线对 1 p ， 一对黑 白 相间的线条称 为 1个 线对 。在单位 宽度 范 围 内 能够分 辨清楚 的线对数 越 多， 表示 图像越 清 晰， 单位为 l p ／ mm。图像分 辨 率测 试采 用 GA一1 1 5 分辨率测试卡 ， 共有 1 7组不 同间距 的栅条 ， 栅条 长度为1 5 mm， 厚度 为 0 ． 0 5 mm。每组栅 条对应 的线对数在 0 ． 8 ～5 ． 0 l p ／ mm。图像分辨 率测试 过 程 如 下 1 将分辨率测试卡紧贴 X射线数字探测器表 面， 并使栅条方向与 C MOS像元排列方向平行 。 2 通过适当调整 X射线机 曝光时间和电压 ， 并适当调整分辨率测试卡的方向， 获得对比度适 当 的 X射线图像 。 3 移动分辨率测试卡在 X射线探测器上的位 置 ， 获得不同栅条 的图像 ， 用系统软件对 图像进行 适 当的处理 ， 并在屏幕上观察 图像测试卡的影 响， 观察到栅条刚好分离的 1 组线对 ， 即为该系统的图 像分辨率 。该 X射线数字成像 系统可以清楚地分 辨出 5 l p ／ mm 的栅条 ， 超 出了 目前法 规标准要求 的 3 ． 0 l p ／ mm， 达到了国内领先水平 。 6 X射线数字成像系统的应用 焊缝 x数字成像设备在胜利油田利津炼油厂 输油管线 的焊缝检测 中得到了具体 的应用。通过 两种检测工艺实际的现场应用对 比， X射线数字成 像系统图像质量已经达到传统胶片照相水平 ， 并且 检测效率提高了几倍， 同时焊缝质量信息实时成像 提高了无损探伤作业的 自动化水平 ， 重要的是减少 了化学药剂对环境 的污染和核辐射对操作人员的 辐射伤害 。 7结 束语 焊逢无损检测数字成像系统是适用于油气管线 焊缝缺陷检测 的新型无损检测数字成像设备。该技 术的应用将有利于提高企业 的技术水平 ， 提高企业 的竞争力 ， 同时将为石油石化新建管线和地面在用 工程项 目提供清洁 、 高效的检测技术保障 ， 也 可为 船厂和压力容器制造等行业提供高效的解决方案 。 参考文献 [1] 郑 世 才． 射 线 实 时成 像 检 验技 术 [ J ] ． 无 损 检 测 ， 2 0 0 0 ， 2 2 0 7 3 2 83 3 6 ． [2] 任大海 ， 尤政， 孙 长库 ， 等． 焊缝 x射线实时 分析系统[ J ] ． 焊 接学报 ， 2 0 0 0 ， 2 l 0 1 6 0 6 4． [ 3] 任大海 ， 尤政 ， 孙长库 ． 焊缝 缺陷实 时成像 自动 检测技 术 的 研究 [ J ] ． 清 华 大 学 学 报 自然 科 学 版 ， 2 0 0 1 ， 4 1 0 2 2 52 9 ． [ 4] 郑玉泉 ， 王慧． 微型 x射线 数字 成像 系统 [ J ] ． 光 学精 密工 程 ， 2 0 08 ， 1 6 O 4 5 9 卜 5 9 7 ． [5] 孙怡 ， 孙洪雨， 白鹏． x射线焊 缝 图像 中缺 陷的实 时检 测方 法 _ J ] ． 焊接学报 ， 2 0 0 4 ， 2 5 0 2 1 1 5 1 2 3． [ 6] 韩焱． 射线数字成像检测技术 E J ] ． 无损 检测 ， 2 0 0 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