气瓶对接焊缝X 射线实时成象检测标准概述
1 标准的编制概况
X 射线实时成象是一种新兴的无损检测技术,在焊缝探伤及其它领域有广阔用途, 国内在气瓶行业率先得到应用。但是由于没有相应的标准, 因而制约了该技术的发展, 为此全国气瓶标准化技术委员会于1995 年5 月下达了制订劳动部行业标准《气瓶对接焊缝X 射线实时成象检测》的任务, 由劳动部锅炉压力容器检测研究中心、广东粤海钢瓶厂、兰州三磊电子公司、北京福瑞达电子公司和江苏民生集团钢瓶厂组成标准编写组负责编写。编写组在总结
了国内气瓶行业研究、应用X 射线实时成象技术成果的基础上, 参考了国际焊接学会有关实时成象的技术报告和英、美等发达国家的有关文献, 编写了《气瓶对接焊缝X 射线实时成象检测》标准(以下简称标准) 初稿, 经几次修改于1997 年10 月形成了报批稿。报批稿由气瓶标委会报送劳动部审批, 1998年2 月底通过了审查。1999 年初国家质量技术监督局下达了制订强制性国家标准的计划任务书, 将本标准立项并列入1999 年国家标准制订计划。现将标准的主要内容作一简要介绍。
2 标准的结构
标准的正文有17 章, 分别为范围、引用标准、定义、人员要求、X 射线实时成象系统、工作环境、图象处理方法、图象质量、成象技术、工艺评定、检测方法、图象观察、图象评定方法、焊缝评定、检测报告及图象保存、X 射线防护和工艺文件; 标准有三个附录, 分别是图象分辨力和图象不清晰度的测试方法、铅质标尺以及工艺评定方法。标准对X 射线实时成象系统设备、成象技术、图象质量、检测方法及透照工艺等作了较详细规定,而在焊缝缺陷评定方面则引用JB4730- 94 标准。
3 标准主要内容简介
3. 1 引言
X 射线透过金属材料, 经图象增强器将隐含的X 射线检测信号转换为可见的模拟图象, 模拟图象被摄象机摄取, 输入计算机进行A öD 转换, 形成数字化图象。数字化图象按照一定的格式储存在计算机硬盘内并显示在屏幕上。数字化图象能够提供有关金属材料表面及内部缺陷的性质、大小及位置等信息, 运用计算机技术对检测结果进行辅助评定, 从而达到无损检测的目的。检测图象刻录在计算机光盘上以便长期保存。
由于X 射线实时成象的图象质量完全可与射线照相底片质量相媲美, 因此, X 射线实时成象检测方法可以替代胶片射线照相检测方法。
3. 2 适用范围
国内现有气瓶的母材厚度为2. 0～ 20. 0mm , 故标准将适用范围规定为母材厚2. 0～ 20. 0mm 的钢及有色金属材料制成的气瓶对接焊缝的X 射线实时成象检测。
3. 3 定义
3. 3. 1 实时成象
根据图象制式的规定, 图象采集速度能够达到25 帧ös (PAL 制) 或30 帧ös (N TSC 制) 的成象即为实时成象。图象的制式, 我国采用PAL 制, 欧美等国家多采用N TSC 制。
3. 3. 2 灰度
与射线照相检测方法中的底片黑度概念相对应, 实时成象技术引进了图象灰度概念。标准将图象黑白变化范围定为256 级。图象的每个象素以8b it信息表示, 则图象灰度的梯度为256 个级别。对于检测图象而言, 256 级灰度已足够表达图象黑白变化的层次。通常人的眼睛能识别64 级灰度左右, 而借助于计算机则能测出256 级甚至更高级别的灰度。
3. 3. 3 图象分辨力和图象不清晰度
图象分辨力和图象不清晰度是客观地描述图象细节轮廓清晰程度的物理量, 在标准附录A 中明确了它们的测试方法和互换关系。
3. 4 人员要求
X 射线实时成象是一种新兴的X 射线检测方法, 对于使用该检测方法的人员须经培训和考核。
3. 5 X 射线实时成象检测系统的设备及性能
3. 5. 1 X 射线机
与普通X 射线机不同, X 射线实时成象的X 射线机具有以下特点:
(1) X 射线管为金属陶瓷管, 坚固耐用。
(2) X 射线管焦点小, 这是由X 射线实时成象
系统设备的特性和成象方法所决定的, 检测图象必然是放大的, 如果射线机的焦点较大, 随着放大倍数的增大, 几何不清晰度也将增大, 影响图象的质量。因此, 在图象放大的前提下, 为了降低几何不清晰度, 射线机必须选用小焦点。根据公式推导和试验结果, 当X 射线机的焦点尺寸≤0. 6mm ×0. 6mm 时,能获得较好的图象质量。
( 3) X 射线实时成象采集的图象是静止图象,1ö25s 采集一幅, 要求多幅连续采集、且重复性要好, 普通的半波整流X 射线适应不了这些要求, 因此X 射线实时成象要求采用直流、恒电压和恒功率的X 射线机。
(4) 直流恒压式X 射线机具有强制水循环冷却功能, 可连续工作8h 不停机。由于C射线源不可能做得很小、射线剂量不断下降及单位剂量弱等原因, 所以C射线不宜用于实时成象。因此, 标准在射线种类上限定为X 射线。
3. 5. 2 图象增强器和摄象机
图象增强器的作用是将隐含的X 射线检测信号转换为可见模拟图象, 模拟图象被摄象机摄取, 输入计算机进行A öD 转换, 形成数字化图象。图象增强器输入屏直径对检测图象的质量有一定影响。直径较大, 则分辨力较低; 直径较小, 虽一次检测长度较小, 但分辨力较高, 通常输入屏直径以150mm 为宜。图象增强器输出屏端配有电视摄象机, 其制式多采用PAL 制, 分辨力在600 线×800 线以上。
3. 5. 3 计算机
X 射线实时成象技术成功之处在于运用了计算机图象处理技术。依照计算机目前的水平, 在W indow s95 中文平台的支持下, 建议硬件的配置不低于: 奔腾主板, 166M CPU , 32MB 内存, 2. 0GB 硬盘, 43cm (17in) 0. 25mm 逐行彩显, 1024 线×768 线支持24b it 的显卡, 1. 44MB 软驱, 24 速光驱, 768 线×576 线的图象采集卡, 配光盘刻录机和打印机。
3. 5. 4 工装
为提高气瓶的检测工作效率和检测准确的程度, 系统应配置检测工装。对小型气瓶的检测, 因其只有一条环焊缝, 具有一个自由度的工装即可; 而对较大型的气瓶, 由于具有多条纵缝和环缝, 则要求工装具有两个自由度, 或做成各具有一个自由度的组合工装。工装应具有较高的精度和自动化操作程序。
3. 5. 5 系统分辨力
由于设备系统的综合性能对图象质量影响很大, 标准规定了设备系统性能的考核指标, 即系统分辨力应≥1. 4Lpömm。该指标是参考国内医用X 射线成象设备系统分辨力应≥1. 25Lpöm m 的规定而制定的。就目前国内商售设备而言, 这项指标是能够达到的。
3. 6 图象处理方法
计算机初始采集的信号不可避免地带有噪声信号, 如不经降噪处理, 就会影响图象质量, 因此需对信号进行处理。其主要方法是对静止图象进行重复帧叠加, 通常经过32 次叠加即能达到良好的降噪效果, 而更多次的叠加比32 次叠加的效果改进甚微。
3. 7 图象质量
与射线照相底片质量三要素(灵敏度、黑度和几何不清晰度) 相对应, 标准规定灵敏度、灰度和图象分辨力为实时成象图象质量三要素。灵敏度即象质指数, 与GB3323- 87, JB4730-94 标准中的AB 级等同。与GB3323- 87 和JB4730- 94 标准底片黑度范围控制在1. 2～ 3. 5 相对应, 标准规定图象灰度应控制在80～ 230 级。标准的图象分辨力指标按透照厚度分为三档,即透照厚度< 6mm , 图象分辨力≥2. 2Lpöm m; 透照厚度为6～ 25mm , 图象分辨力≥1. 8Lpöm m; 透照厚度≥25mm , 图象分辨力≥1. 6Lpömm , 此指标参考了英国BS7009 标准[ 1 ] 的有关内容并经换算而成。图象分辨力与图象清晰度两个术语实际上是一个问题的两种表述方式, 为了与计算机图象处理术语相适应, 标准采用图象分辨力。以上三项质量指标的水平与GB3323 - 87,JB4730- 94 和BS7009 等标准的底片质量或图象质量水平是等同或等效的, 因此, 标准的图象质量是能够得到保证的; 同样, 焊缝缺陷的检出结果也是能够得到有效控制的。另外, 图象不会产生类似胶片易产生的那些伪缺陷, 这也是实时成象的明显优点。
3. 8 成象技术
X 射线实时成象与胶片照相之间的区别表现在成象技术上, 实时成象所得的图象是放大的。
(1) 图象放大的必然性 由于被探工件不可能紧贴在图象增强器的输入屏的表面上, 从几何投影原理可知, 所得图象必然是放大的。
(2) 图象放大的必要性 由于实时成象法与胶片照相法的载体不同, 为了提高图象质量, 特别是为了提高图象的清晰度, 图象必须放大。图象放大后,缺陷尺寸也被放大, 有利于细小缺陷的识别。所以图象放大对于图象总体质量是有利的。图象放大也有一个适度问题。理论推导和试验表明, 放大倍数过大, 反而会降低灵敏度, 这是因为随着放大倍数的增大, 几何不清晰度也随之增大, 会使影象的边界变得模糊。另外, 放大倍数过大也会使图象实际检测长度减小, 这是不经济的。因此, 标准引进了最佳放大倍数的公式, 同时也引进了最小缺陷检出尺寸公式, 这两个公式是通过不清晰度公式与焦点及放大倍数的关系推导而得出的[ 2 ]。
3. 9 透照方式
与胶片照相方法一样, 实时成象有纵缝透照、环缝外照、环缝内照及双壁单影透照方式。采用双壁单影透照时, 图象放大倍数M ≤2, 宜以靠近图象增强器一侧焊缝为检测焊缝; 图象放大倍数M > 2, 宜以靠近射线源一侧的焊缝为检测焊缝。但不论何种透照方式, 工件表面与图象增强器输入屏表面之间应保持一定的距离, 以保护图象增强器不致损坏。
3. 10 象质计的放置
按胶片照相方法的规定, 每张底片应放置线型象质计, 但对于实时成象来说就较难做到。考虑到实时成象检测方法的连续性, 即检测一条焊缝可连续进行, 中间不切断高压, 另外考虑到工艺的一致性,即检测同一条焊缝时工艺参数不会改变, 因此, 标准规定一条焊缝上应放置不少于一个象质计。
3. 11 工艺试验与工艺评定
由于X 射线实时成象是一项新技术, 其检测工艺与胶片照相工艺有所不同, 只有经过工艺试验才能找到较佳工艺方案, 确定各工艺因素之间的相互关系。工艺因素主要有X 射线机管电压、管电流、成象距离(物距和象距)、放大倍数、散射线屏蔽和低能射线过滤等。由于需要试验的工艺因素较多, 正交试验是一种较有效的试验方法。工艺评定是在工件探伤前对各工艺因素的有效性进行评价, 以能否达到图象质量指标为主要依据。检测条件改变之后, 应重新进行工艺评定。
3. 12 检测长度
图象的检测长度与设备和工艺有关。一幅图象内的实际检测长度由图象评定软件提供的“尺”测得。为了不漏检, 相邻两幅图象之间应有一定的重叠, 重叠长度一般为5～ 10mm。
3. 13 图象的显示
由于使用计算机技术, 图象可以正象或负象显示, 但应等效, 这样可适应观察人员的不同习惯。
3. 14 计算机辅助评定
根据计算机的技术水平, 用计算机进行图象自动评定是能够实现的。但是, 考虑到我国无损检测的现行体制, 焊缝缺陷性质的定性应以取得相应资格的无损检测人员的评定为准; 同时, 标准规定对检测结果可实行计算机辅助评定, 做法是充分利用计算机的先进手段对焊缝缺陷进行定性、定量、定位和定级的辅助评定, 这样可大大提高检测结果评定的速度和准确性, 评定报告可由计算机打印, 检测数据可实现计算机数据库管理。
3. 15 图象保存
检测图象由光盘刻录机刻录到光盘上, 可反复调用, 保存50a (年) 不会变质。
4 标准的评价与应用
标准是在总结了国内气瓶行业应用X 射线实时成象检测技术成功经验和参考了国外同类标准的基础上制订的, 并留有一定的技术余量, 因此在3～5a 内不会落后。由于目前国际上尚未有一套较完整的有关标准体系, 故标准没有等效采用国外某一标准, 而是结合我国的国情, 充分体现我国现有的射线检测标准体系, 力求与国外类似的先进标准接轨。标准已在国内六家液化石油气钢瓶制造厂试行, 反映良好, 认为具有较强的可操作性和指导性。国内一家不锈钢焊管厂在对焊缝进行X 射线实时成象检测时, 因无本行业标准, 参照采用该检测标准也取得了良好的效果。标准是国内关于X 射线实时成象检测的第一个专业标准, 随着标准的正式发布和实施, 相信会有更多的单位应用X 射线实时成象检测新技术, 因此, 制订一个适用范围更广泛的X 射线实时成象检测国家标准已提到议事日程。
参考文献
1 BS7009- 1988 焊缝射线实时成象检验应用导则
2 美国无损检测学会编,《美国无损检测手册》译审委员会译. 美国无损检测手册·射线卷. 上海: 世界图书出版公司, 1992.
