数字射线检测参数对管母线群孔成像质量的影响

冯云国，李圣争，陈 聪

（山东电力工业锅炉压力容器检验中心有限公司，山东 济南 250003）

0 引言

管母线主要应用在电力建设工程中电网输电导线与变电站变压器之间的导体连接、输电线路中的跳线、电力设备中的连接导体，是电力输变电系统中关键的设备之一，对输变电系统及电力设备的安全、可靠运行起着至关重要的作用。

管母线空心管形结构，表面光泽，尺寸均匀。外径尺寸大多在D60 mm～D300 mm 之间，材质多以铝和铝合金为主。管母线主要焊接而成，在焊接缺陷中，龙会国等研究气孔占据了相当大的比例［1］。本文以含有气孔缺陷的500 kV 变电站管母线为检测对象，使用数字射线检测设备，通过射线机管电压、管电流以及数字射线积分帧数大小这3 个参数调整来研究检测设备和检测对象一定条件下，数字射线检测参数对成像质量的影响，并从检测试验中验证数字成像相比于传统胶片显像在检测参数设定和组合上存在的优势［2-3］。

1 方法论述

1.1 图像质量影响因素

DR 图像的质量与平板探测器、射线源、成像参数和被检工件等多方面有关，但关键因素仍是探测器的性能。对于给定的X 射线源和检测对象，电脑显示器最终图像质量优劣主要取决于平板探测器的材料和制作工艺，如成像矩阵大小、像素尺寸、闪烁体材料及A/D 位数等。即便如此，X 射线数字成像检测参数的设置也在一定程度上影响着图像质量，现主要分析射线机管电压、管电流和积分帧数对数字射线图像对比度、信噪比等方面带来的影响。

1.2 设备与检测对象

DR 检测系统主要由CP160 射线机和14×17 WGB 非晶硅平板探测器为核心组件。CP160 射线机主要性能参数见表1。14×17 WGB 非晶硅平板探测器主要性能参数见表2。

表1 CP160 主要性能参数

表2 14×17 WGB 主要技术参数

检测对象为500 kV 变电站硬管母线样管，规格为D200／184 mm、材质是6063G。外管为焊接管，焊接接头为检验对象，管壁厚度为8 mm，焊缝余高小于2 mm；内管为支撑管，厚度为8 mm。样管焊接接头经过纵向取样4 次，截面结构宏观清晰可见。

1.3 实验过程

检测对象经取样验证和前期X 射线DR 检测确定存在气孔缺陷，缺陷为焊接过程中自然形成缺陷，这也是铝镁合金材质6063G 管母线常见缺陷［4］。透照工艺采用椭圆双壁单影成像，透照厚度比K＜1.1，根据NB／T 47013.11—2015 《承压设备无损检测第11 部分：X 射线数字成像检测》 要求，B 级射线数字成像检测技术：射线机至被检焊缝表面距离f 应满足式（1）要求。

式中：d 为有效焦点尺寸；b 为被检工件表面到探测器距离。

本射线机d 为0.8 mm；b 值确定如下，因管母线外径D=200 mm，焊缝余高取2 mm，所以b=204 mm。由式（1）算出f 为416 mm，实际选取f 为600 mm，符合B 级检测技术等级要求。本文以相同的透照工艺，对同一检测对象、同一位置进行DR 检测，通过改变射线机管电压、管电流以及积分帧数对得到的数字射线图像，在同样的亮度、对比度、放大比例等条件下分析原始图像的对比度、分辨率、信噪比等方面差异。

图1（a）为存在缺陷的管母线原始图像，圈内部分存在群孔，图1（b）为放大后的群孔图像，由上至下依次分为A、B、C 3 个区域，每个区域含有3 个不同直径的气孔。

图2 中，管电流为0.5 mA、积分帧数为4，管电压分别为70 kV、90 kV、110 kV、130 kV 的图像；之后，固定管电压110 kV、同样设定积分帧数为4，管电流分别为0.1 mA、0.2 mA、0.3 mA、0.4 mA，依次透照，成像对应图3；最后，设置射线机管电流0.5 mA，管电压110 kV，改变积分帧数单帧、2 帧、8 帧、16帧，分别透照得到图4。

图1 管母线图像

图2 不同管电压群孔图像

图3 不同管电流群孔图像

图4 不同积分帧数群孔图像

2 实验结果

由于计算机软件在X 射线数字图像上的强大处理功能，对不同参数条件下的12 幅图像未做任何处理，为便于观察，对原始图像同一区域放大2 倍后统一存储，通过目视观察A、B、C 3 个区域成像质量来直观对比数字射线参数对图像质量影响。A 和C 位于透照厚度为36 mm 区域；由于焊缝经过纵向取样，B 位于透照厚度为18 mm 区域。

2.1 管电压对图像质量影响

其他DR 检测参数固定条件下，管电压为70 kV、90 kV、110 kV、130 kV 时，所对应图像为图2。从图像上可知图2（a）与图2（b）—图2（d）质量差距明显，图2（c）和图2（d）没有明显差别。对比4 幅图像区域B，可以发现图像分辨率、对比度等基本没有差别，而在对比区域A 和区域C 时，能明显观察到图2（a）的A 区和C 区分辨率和对比度要差，图2（a）区域C 只能观察到2 个气孔，并且两个气孔边界线并不清晰。同时，图2（a）中36 mm 透照厚度区域信噪比明显要低。分析原因，可以认为18 mm 透照厚度区域，70 kV 管电压可以满足透照要求；而对于区域A和区域C 则需要较高管电压，所以管电压≥90 kV时，才能保证这两个区域灵敏度和分辨率达到要求。此外，管电压与图像对比度存在一定关系，将图2（c）与图2（d）比较可以观察到，管电压升高，对比度会有一定程度下降。

2.2 管电流对图像质量影响

其他DR 检测参数固定条件下，管电流为0.1 mA、0.2 mA、0.3 mA、0.4 mA 时，所对应图像为图3。对比图3（a）—图3（c）变化可以看出，随着电流增大，曝光量增大，最终图像的信噪比有所提高，与相关文献一致［5］。当电流到一定值后，信噪比优化带来的图像质量提高程度从宏观上基本观察不到了，对比图3（c）和图3（d），可以发现图像质量没有明显差别。

2.3 积分帧数对图像质量影响

选取射线机管电压110 kV、管电流0.5 mA，积分帧数采集分别为单帧、2 帧、4 帧、16 帧图像，所对应图像为图4。积分帧数带来的影响主要是信噪比的提高，曾亚斌研究图像经过多帧叠加求平均后，低频区域的噪声能量大幅降低，图像中各个方向的随机噪声得到很好的消除，图像的多帧平均对DR 图像信噪比的提高具有积极作用［6］。图4（a）—图4（c）中，从单帧积分图像，到2 帧积分图像，再到8 帧积分图像信噪比宏观可见提高，积分帧数到达一定值后，肉眼已经观察不到信噪比提高带来的图像质量优化，对比图4（c）和图4（d）的8 帧积分图像和16帧积分图像，目视观察不到明显区别。

3 结语

管母线焊接接头成像质量与平板探测器、射线源、成像参数等因素相关，这些因素中，射线源焦点尺寸和平板探测器性能决定了原始输出图像的质量。针对给定的DR 检测系统，由于X 射线数字射线成像原理和胶片成像原理存在着本质上的不同，数字射线检测参数对原始输出图像质量只是一定范围内存在优化作用，超过了一定阈值之后，优化作用不再明显。管电压决定了X 射线穿透力，因此检测对象的材质和规格决定了管电压最低值，在一定范围内，管电压的升高会提升图像质量，超过最佳值后，管电压升高会带来信噪比的提高和对比度的下降；管电流增大，曝光量增大，最终图像的信噪比有所提高，达到一定值后，管电流影响不再明显；积分帧数的增大有助于信噪比提高，多帧叠加求平均后，随机噪声得到了很好的消除，图像质量得以优化，到达一定值后积分帧数影响不再显著，带来的负面作用是成像时间大幅增加。试验证明，在保证图像灵敏度和分辨率的情况下，一定范围内调节管电压均可透照出优质图像，同时管电流和积分帧数在增加到一定数值后对成像质量优化作用显著降低，这3 个数字射线参数在数值设定和组合上具有很大的选择范围。