X射线数字化实时成象技术在天然气管道焊缝探伤中应用的可行性.pdf

试验研究 X射线数字化实时成象技术在天然气 管道焊缝探伤中应用的可行性 曾祥照,孙忠诚 1 ,张正荣 2 广东粤海钢瓶厂,南海 528247 摘 要X射线数字化实时成象检测技术在天然气长输钢制管道对接焊缝探伤中应用是可行 的,并能取得良好的经济效益和社会效益,可在西气东输工程中采用。 关键词射线检验;实时成象;输气管道;焊缝 中图分类号TG115.281 文献标识码B 文章编号10002665620011220530205 FEASIBILITY OF APPLYINGDIGITAL X2RAY REAL2TIME IMAGING TECHNIQUE TO THE INSPECTION OF THE WELDS IN NATURAL GAS TRANSPORTATION PIPELINES ZENG Xiang2zhao, SUN Zhong2cheng1, ZHANG Zheng2rong2 Guangdong Yuehai Steel Container Plant , Nanhai Guangdong 528247 , China Abstract It is feasible to apply digital X2ray real2time imaging technique to the inspection of the welds in natural gas trans2 portation pipelines. And both economic and social benefits can be obtained. The technique is suggested to be used for the project of gas transportation from west to east. Keywords Radiographic testing; Real2time imaging; Gas transportation pipeline ; Weld 西部开发的重点工程之一的西气东输工程是将 新疆塔里木油田大量天然气通过钢制管道输送到上 海,是造福于东西部人民的重大工程。西气东输工 程主干线管道全长4 167km ,横贯九个省市自治区。 整个工程计划耗用钢材175万t ,焊材5 100t。输气 主管道管径为1 118mm ,输气压力为8.4MPa ,其中螺 旋焊管137万t ,壁厚16. 4mm ,直缝焊管38万t ,壁 厚分别为17. 4 ,20. 9和26. 1mm。钢材级别为中厚 板X65具有良好的韧性和可焊性。西气东输工程 管理按照国际惯例实行业主负责制,实施工程建设 的全过程管理,工程质量实行终身负责制。为了保 证焊接质量,焊缝实行第三方焊接无损检测制, 100 射线检验。 按照常规的检验方法,石油天然气长输钢质管 道对接焊缝主要采用X射线胶片照相探伤,此方法 收稿日期2000207203 1 兰州三磊电子公司,兰州 730000 2 四川石油局油建总公司,四川内江 641003 需耗用大量胶片,检测周期长,劳动量大,贴片、 拍 片、 洗片工序复杂,且管道施工多在野外,给拍片和 洗片带来更大困难。按照目前无损检测的技术水 平,对西气东输管道对接焊缝采用X射线数字化实 时成象检测是可行的。 1 天然气长输管道对接焊缝探伤的基本要求 天然气长输管道的施工及验收按照SY J 4001 1990长输管道线路工程施工及验收规范 进行,管 道焊缝射线胶片照相方法探伤按照SY 40561993 石油天然气钢质管道对接焊缝射线照相质量分级 进行。工作压力 ≥4MPa时,焊缝质量以Ⅱ 级为合格; 工作压力 4MPa时,以Ⅲ 级为合格。 据报道,国外某天然气管道施工曾用X射线实 时成象检测方法对焊缝进行探伤“X射线实时检 测” 与 “X射线数字化实时成象检测” 有所不同 , 钢 管壁厚为16mm ,焊缝探伤比例为100 ,成象质量 中相对灵敏度达到1.8 相当于G B 33231987标 035 第23卷第12期 2001年12月 无损检测 NDT Vol. 23 No. 12 Dec . 2 0 0 1 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 准的AB级 , 总不清晰度 ≤0. 25mm相当于图象分 辨力1.8Lp/ mm。 随着无损检测技术的日益发展,现在,X射线数 字化实时成象检测技术已经能够应用于焊缝的无损 探伤,如已应用于气瓶对接焊缝的无损探伤。我国 发布了G B 179251999[1]标准,为X射线数字化实 时成象技术在天然气长输管道对接焊缝探伤领域的 推广应用提供了成功的经验。 2 X射线数字化实时成象检测技术可代替 胶片照相检测 X射线数字化实时成象检测原理可以用两个转 换来概括,即X射线透过金属材料,经图象增强器 或成象板将隐含的X射线检测信号转换为可见 的模拟图象;模拟图象输入计算机进行模拟/数字的 转换,形成数字图象。数字图象能够提供有关金属 材料表面及内部缺陷的各种信息,运用计算机程序 对数字图象进行评定,从而达到金属材料无损检测 的目的。当采用微小焦点成象、 高清晰度图象增强 技术、 高分辨力数字采集技术和计算机数字化图象 处理技术以及高分辨力图象显示技术时,X射线数 字化实时成象的质量与胶片照相相当甚至更好,因 此,完全可替代胶片照相检测方法。 3 长输管道钢质对接焊缝X射线数字化实 时成象检测方案 按照当前以及以后一段时间内,油气长输管道 铺设的实际情况,钢管公称外径通常采用 323. 91 420mm。 3.1 6601 420mm钢管实时成象方法 钢管公称外径为 6601 420mm管道的环焊缝可 采用周向中心内照成象法图 1 检测。 小焦点的周向X射线探伤机置于管道爬行器 之上,爬行器在管道内爬行,用同位素跟踪监控器将 周向X射线机的焦点对准环焊缝。将两个半圆组 成的机械旋转导轨固定在环焊缝边缘一侧,导轨上 有一立杆,立杆可绕轨道按N等分旋转360;立杆 安装一悬臂,在悬臂上安装图象增强器,立杆在轨道 上按N等分旋转,图象增强器就能按N等分接收X 射线检测信号。图象增强器与焊缝之间应保持一定 的距离,以防损坏。 根据几何投影的原理,X射线实时成象检测的 图象是放大的,放大倍数M为 图1 管道焊缝周向中心内照成象方法 M L L1 L1 L2 L1 1 L2 L1 图象放大不仅是几何投影所致,而且也是提高 图象质量所必需。图象放大倍数根据设备性能而 定,通常最佳放大倍数Mopt为 Mopt1 Us d 3/2 式中 Us 成象设备系统固有不清晰度,mm可 通过试验方法测出 d X射线机焦点尺寸,mm 图象可检测出的最小缺陷尺寸dmin为 dmin Us M2/ 3 一幅图象检测长度L3为 L3 D M 式中 D 图象增强器输入屏直径 采用150mm图象增强器,输入屏直径D 150mm ,图象放大倍数取MMopt 1.2 ,则 L3 D M 150 1.2 125mm 对于100 检测的焊缝,为了不漏检,考虑一幅 检测图象内两侧各留5mm搭接长度,则一幅图象有 效检测长度Leff 125 - 5 - 5 115mm。 根据计算出的有效检测长度Leff,可得到旋转 等分次数N。 外径为 660mm管道的对接环焊缝焊缝高取 2mm ,圆周长度为2 080mm ,则一条环焊缝需要检测 N 2 080/115 18幅图象。 外径为 1 118mm管道的对接环焊缝焊缝高 度取2mm ,圆周长度为3 518mm ,则一条环焊缝需 要检测N 3 518/ 115 31≈36幅图象。 135 曾祥照等 X射线数字化实时成象技术在天然气管道焊缝探伤中应用的可行性 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 由于射线数字化实时成象检测技术应用了计算 机图象处理技术,图象处理速度快,通常采集、 处理、 储存一幅图象所需时间为4s ,机械旋转轨道转动一 等分长度115mm的时间约为6s ,合计10s。检测一 条 660mm环焊缝所需时间为10N 1018 180s; 检测一条 1 118mm环焊缝所需时间为10N 10 36 360s 6min。对于冷却性能良好的X射线机, 一条 1 118mm的环焊缝,6min一次曝光即可完成; 对于一般性能的X射线探伤机曝光时间为5min ,1 ∶1冷却方式 , 分两次曝光即可完成,机械旋转轨道 的装卸移动辅助时间约10min ,整条焊缝现场检测 约20min即可完成,比胶片照相方法检测速度大大 提高。 长输管道焊缝的探伤,通常配有探伤工程车,计 算机和操作台装配在工程车内,操作方便、 射线防护 有保证、 移动快捷。X射线的高压电缆线和图象增 强器的电缆线可适当加长,这样射线防护更安全。 X射线机的焦点置于钢管截面的圆心上,焊缝透照 厚度比值K 1. 0 ,对提高成象质量的均匀性有利。 采用周向曝光技术,周向射线指向天空或指向管沟 的土层,多余的射线大部分被空气或土层所吸收。 为减少散射线影响,图象增强器外壳应有良好的接 地,必要时可以将图象增强器的外壳用薄铅板裹起 来,起屏蔽散射线的作用。 3.2 323.9630mm钢管实时成象方法 公称外径 323. 9630mm管道的环焊缝可采用 双壁单影成象方法图 2 检测。双壁单影成象方法 无需爬行器,检测工装是由两个半圆组成的机械旋 转导轨,固定在环焊缝边缘的一侧,导轨设两个支 杆,呈180 对称布置。一个支杆固定图象增强器,一 个支杆固定X射线机头,整个导轨可围绕钢管中心 线按N等分360 旋转。图象增强器和X射线管 与钢管外壁保持一定的距离,L1和L2根据工艺参 图2 管道对接焊缝双壁单影成象方法 数而定。图象放大倍数M、 最佳放大倍数Mopt、 可 检出的最小缺陷尺寸dmin、 一幅图象检测长度L3以 及一幅图象有效检测长度Leff均如上所述。 例如 502mm8.7mm X60钢管对接环焊缝焊 缝高取2mm ,圆周长度1 590mm ,则一条环焊缝需 要检测N 1 590/115 14幅图象。检测一条 502mm环焊缝所需时间为140s ,连同辅助时间,大 约需要1520min。 4 设备的基本配置 根据天然气长输管道野外施工特点,X射线数 字化实时成象检测设备应尽可能轻便、 坚固耐用。 4.1 X射线机 X射线机有几种选择,但X射线管最好采用金 属陶瓷管,焦点尺寸应 ≤0.8mm0.8mm。 1普通周向轻便型X射线机。SF6气体绝缘, 风扇强制冷却。最好采用变频电源,频率为1202 300Hz。频率增大,整流波形近似方波,有利于X射 线稳定辐射。 2不拖电缆,自带电源的周向X射线机。此 种X射线机与管道爬行器连成一体,电源来自蓄电 池。此种X射线机一次充电可行走2 000m ,焊缝 100 探伤时,行走距离 ≮1 000mm。采用同位素跟 踪器在管外控制定位。 3轻便型直流恒压小焦点X射线机。高太发 生器与X射线管分离,用高压电缆连接,采用密封 式循环水冷却,能工作较长时间,X射线管头较轻, 但高压电缆移动起来较麻烦。 4. 2 爬行器 当采用周向中心内照成象方法时,才需要爬行 器。爬行器主要作用为背负X射线行走,能爬行 15 的坡度,定位准确,定位误差为 10mm。爬行器 已有较成熟的技术和较齐全的品种以供选择。 4. 3 图象增强器 用高分辨力68Lp/ mm图象增强器,输入屏直 径以150mm为宜输入屏直径大,则体积大,不利于 移动,分辨力低;输入屏直径小,虽然分辨力增高,但 焊缝有效检测长度小,不利于提高工效。 4. 4 图象增强器旋转轨道 根据钢管外径尺寸设计制造旋转轨道,图象增 强器在轨道上能按N等分等距离转动360,每转动 一等分的行程偏差应控制在 2.5mm。 4. 5 摄象机 235 曾祥照等 X射线数字化实时成象技术在天然气管道焊缝探伤中应用的可行性 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. CCD摄象机是一种电荷耦合器,具有体积小、 工作寿命长等优点,可置于图象增强器输出屏之后, 与图象增强器组成一体。它摄取的图象以模拟信号 输出,经图象采集卡采集并进行A/ D转换后进入计 算机进行图象处理。尽可能采用CCD数码摄象机, 采集分辨力不低于768576象素。 4. 6 计算机 计算机用于采集检测信息,进行图象处理并对 检测图象进行辅助评定。通过计算机图象处理,可 实时看到焊缝内检测结果。检测图象刻录于光盘上 可长期保存。计算机置于探伤工程车内,探伤人员 在车内操作。通常工程车内配置两台计算机,一台 用于采集和处理图象,另一台用于评定图象。两台 计算机可通过点对点的方式联网运作。如果野外作 业环境较差,工程车难以接近探伤地点,可用一台手 提电脑进行图象的采集,通过电缆线将手提电脑与 车内电脑连接;或者现场检测结束后,将手提电脑提 回车内,与车内电脑连接,进行图象处理和评定。按 照目前计算机的性能/价格水平,可采用这样的配 置,即333M CPU ,128M内存,10G硬盘,43cm17in 0.25象距逐行彩显,刷新频率85Hz ,并配软驱、 光驱 和光盘刻录机。 4. 7 计算机操作程序 用Windows 98作为X射线数字化实时成象系 统的操作平台。结合长输管道对接焊缝探伤的实际 情况,开发图象采集/图象处理/图象评定应用程序, 如SSCX2000实时成象检测程序。 4. 8 设备系统综合性能评价 设备系统综合性能对图象质量有很大的影响。 设备系统综合性能指标可用系统分辨力来表示,它 实际反映的是系统固有不清晰度Us。按照G B 179251999标准,系统分辨力应 ≥1. 4Lp/ mm。系 统分辨力与设备各分系统的性能有关,按照目前设 备的性能水平,X射线数字化实时成象检测系统分 辨力可以达到1. 62. 0Lp/ mm ,这为检测图象质量提 供了必要的设备保证。 5 管道焊缝检测基本工艺方法 1将X射线机置于爬行器上进入管内,在管 外操纵爬行器,使X射线机的焦点对准焊缝。 2将图象增强器旋转轨道固定在焊缝边缘, 根据工艺设定的放大倍数,调节L2距离,使图象增 强器对准焊缝中心。 3在焊缝表面贴上铅字码、 象质计以及分辨 力测试卡。 4探伤人员在工程车内操作电脑、 探伤机控 制器以及旋转导轨。静止地采集一幅图象后,图象 增强器转动1/ N等分,再静止地采集一幅图象,直 至N幅图象采集完毕,关机。移至下一条焊缝,重 复以上操作程序。 5对检测图象进行计算机辅助评定,打印探 伤报告,刻录光盘,保存检测结果。 6 检测标准 国家质量技术监督局正在组织有关部门制订相 关的国家标准。在此之前,天然气长输管道对接焊 缝X射线数字化实时成象检测方法,可参照有关标 准,制订行业或企业标准,经报批后暂行使用。 7 检测图象质量评价 参考G B 179251999标准,图象质量可用灵敏 度、 灰度和图象分辨力三要素进行评价。灵敏度即 象质指数与SY40561993标准等同。与SY4056 1993标准中底片黑度控制范围1.23.5相对应,图象 灰度控制在80230级图象灰度变化范围定义为 8bit ,即256级。图象分辨力按照透照厚度分为三 档透照厚度 25mm ,图象分辨力 ≥116Lp/ mm。 根据目前设备的配 置和技术水平,以上质量指标是能够达到的。 8 可行性分析 8.1 技术上可行 我国从20世纪80年代末开始研究X射线数字 化实 时 成 象 检 测 技 术,已 取 得 丰 硕 成 果。G B 179251999标准的正式发布,标志着X射线数字 化实时成象检测技术已能够实际应用于钢制焊缝的 无损检测。该技术在钢瓶焊缝探伤中的成功经验, 为在天然气长输管道对接焊缝探伤中的应用提供有 益的借鉴,因此可以说,该技术在天然气长输管道焊 缝探伤中的应用是可行的。 8. 2 效益分析 8.2.1 一次性投资 按照目前设备与技术主要是知识价值的性能 /价格水平,一套X射线数字化实时成象检测设备 与技术,一次性投资大约在几十万至一百多万元之 335 曾祥照等 X射线数字化实时成象技术在天然气管道焊缝探伤中应用的可行性 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 间。由于设备配置选择不同,价格会有较大的伸缩。 与原来的胶片照相探伤方法相比,虽然一次性投资 较大,但技术成熟,投资风险小,回报率高。 8.2.2 直接经济效益 与胶片照相法相比,X射线数字化实时成象检 测技术经济效益好,节约胶片的费用就十分可观。 假设图象采集分辨力为1 2801 0248bit ,一幅图 象的宽度为全屏的1/ 3 ,则一幅图象占有的容量为 437kB1 2801 0241/ 3 437kB ,将检测图象保 存于容量为650M的光盘上,则一张光盘可保存 1 440幅 650 0. 437 1 487幅检测图象。若一幅 图象中,焊缝检测长度按115mm计算,则三幅图象 相当于一张80mm360mm的胶片,则一张光盘保存 容量相当于480张1 4403 480张底片。按目 前的价格水平,一张优质光盘,售价为50元,检测图 象按一式两份备份保存,则光盘的成本为100元;如 果一张照相底片的直接成本按20元计算,则X射线 数字化实时成象检测的直接成本仅是胶片照相检测 直接成本的1 100/ 48020 1 ,其直接经济 效益十分可观。 1km长度的管道约有90条焊缝,按100 X射 线数字化实时成象检测,则1km的 1 118mm管道, 保存图象耗用光盘需要4. 56张 2 90361 440 4.5 ,其费用仅为300元。如果用胶片照相检测, 一条焊缝需要拍12张底片,则1km长管道检测费用 为21 600元 12 2090 21 600元。那么两者相 比,1km管道检测费用可节约2万元21 600 - 300 21 300元。如果某工程公司承包100km的 1 118mm管道施工任务,采用X射线数字化实时成象 检测技术,可节约费用200万元,也就是说仅节约的 费用就可以收回一次性投资。 8.2.3 间接效应 用X射线数字化实时成象检测技术检测一条 35 I2 ACS的点占89. 2 ,故可将严重烧伤区界线划在 35 IACS。此时,材料已严重烧伤,需要进行修理。 这里需要说明的是,以上结论是根据两种具体 材料在试验室条件下得出的,而铝合金的电导率测 量值受材料热处理状态及环境温度影响较大,因此, 具体数值仅供参考。但实验研究发现,对于通过热 处理强化的铝合金,在同一测试环境下,烧伤区与未 烧伤区电导率的变化规律是一致的,具体实际应用 中,可采用电导率相对变化率或增量来判断。如根 据上述试验,当LY12cz材料电导率增量达5 IACS , LC4cs材料电导率增量达2 IACS时即为烧伤。另 外,也可采用实验室条件下预制临界值标准试块,检 测时以现场环境下对标准试块的实测值设置门限的 方法来修正环境的影响。 3. 3 探伤方法 由于铝合金的电导率随温度并不是呈单调变化 的,因此,检测应从未烧伤区开始,碰到的第一个临 界点即为烧伤边界点。 参考文献 [1] 崔忠圻.金属学与热处理[M].北京机械工业出版社, 1988.201 - 202. 435 曾祥照等 X射线数字化实时成象技术在天然气管道焊缝探伤中应用的可行性 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. 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