数字化射线检测技术在船舶领域的应用

梁世蒙，高海良，赵广波，李韶伟，井 亮,蒋梦浩

(1.渤海造船厂集团有限公司, 葫芦岛125004;武警江西省总队，南昌 330025)

随着工业技术与现代化造船模式的不断发展，船舶领域正向高效、高精度及高可靠性的建造方向发展。胶片射线检测技术作为船体结构与系统管路焊缝内部质量检测的主要手段，已经形成了较为完整的技术体系，技术成熟度较高；但胶片射线检测技术的局限性(如成本高、效率低、底片难以长久保存、存在环境污染等)已经成为制约其广泛应用的关键因素。

近年来，数字化射线检测技术得到了高速发展，与传统胶片检测技术相比，其图像灵敏度高、检测速度快、动态范围大、可实现检测数据的电子存储，省略了洗片过程，且不会造成环境污染，目前已经应用于民用核电、特种设备、电力及汽车等领域，但在船舶领域的应用还不普遍。笔者针对目前行业内普遍采用的计算机射线照相(CR)与数字成像检测(DR)技术开展相关试验，研究了数字化射线检测技术在船舶行业应用的适用性。

1 计算机射线照相(CR)

1.1 CR检测技术与胶片检测技术等价性评价

CR检测技术是一种用可重复使用的IP板代替胶片的X射线照相技术。要大规模应用CR检测技术，首先要分析影响其成像质量的各种因素，获得CR检测技术与胶片检测技术在不同厚度下的对应性，最终与胶片技术的检测结果和现行质量等级要求相比较，确定CR检测技术的能力。

射线底片影像的质量由射线照相影像的对比度、不清晰度、颗粒度决定。对比度是影像与背景的黑度差，不清晰度是影像边界扩展的宽度，颗粒度是影像黑度的不均匀性程度。影像的对比度决定了在射线透照方向上可识别的细节尺寸，影像的不清晰度决定了在垂直于射线透照方向上可识别的细节尺寸，影像的颗粒度决定了影像可显示的细节最小尺寸[1]。为了使CR检测技术与胶片检测技术具有同等能力，仅仅考查像质计灵敏度是不够的，还必须保证CR检测技术所获得的图像满足以下两方面的指标：① 像质计灵敏度达到同级别胶片的检测技术水平；② 不清晰度达到同级别胶片检测技术水平。

所采用的试验设备为：GE公司的IPS型IP板，CR 50P型信息扫描仪，ISOVOLT HS型450 kV X射线机，系统最佳像素尺寸为50 μm(8 lp·mm-1)。

1.1.1 像质计灵敏度分析试验

试验采用近圆柱形孔人工缺陷模拟钢板对接焊缝中常见的气孔、夹渣等体积缺陷，通过与相同试样的胶片检测结果相比较，来确定CR检测技术的实际检测能力。为此，设计的钢板人工缺陷试件尺寸如图1所示，首先加工出两块尺寸(长×宽×厚)为120 mm×50 mm×3 mm的钢板，表面抛光，然后在下板上以10 mm间隔依次加工出直径分别为0.1，0.2，0.4，0.5，0.8，1.0，1.5 mm的7个孔，深度分别为0.1，0.2，0.4，0.5，0.8，1.0，1.5 mm。用销钉将上、下两块板紧固住，形成近圆柱形孔人工缺陷。

图1 钢板人工缺陷试件尺寸示意

试验中使用厚度分别为6，10，14，20，30，40 mm的6个试件。除6 mm厚的试件外，其他厚度的试件用6 mm试件+垫板的方式实现，带有缺陷的6 mm试件放在垫板上方，以模拟射线检测中最难发现的上表面缺陷。试验得到的检测图像如图2，3所示，检测数据如表1所示。

图2 不同厚度试件的胶片检测图像

图3 不同厚度试件的CR检测图像

表1 不同厚度试件的胶片射线和CR射线检测数据

通过试验数据对比可知:当透照厚度≤20 mm时，CR射线检测的图像质量与相对灵敏度优于胶片射线检测的，当透照厚度>20 mm时，胶片射线检测的图像质量与相对灵敏度优于CR射线检测的，但两者都能达到B级检测技术等级，最小可识别孔径为0.4～1.0 mm；另外，CR检测图像中可以看到很多零星的白点和短线，在后继试验结果中也都能发现类似痕迹,这是由IP板读取装置设计不合理，在读取过程中不断产生划痕而造成的伪缺陷。

1.1.2 不清晰度分析试验

在CR检测技术中，目前标准中的质量评价是通过不清晰度来完成的，例如EN 14784-2《NDT-CR X射线金属材料检测》中规定了不同厚度和验收等级下的双丝像质计指数，实际上是直接通过不清晰度来评判检测质量的。在胶片检测技术中，虽然目前并无相关标准对不清晰度作相应规定，但事实上，近年来国内外的许多标准均对射线照相检验技术不同级别的几何不清晰度进行了间接规定。

虽然对于工业射线照相检验而言，产生不清晰度的原因是多方面的，但其中最主要的影响因素是几何不清晰度和胶片固有不清晰度。

Ui=0.001 33V0.790 26

(1)

式中：Ui为固有不清晰度;V为透照电压。

由式(1)可得到与透照电压相对应的胶片固有不清晰度值。结合透照厚度可进一步给出允许的最大几何不清晰度Ug max。而射线照相总的不清晰度则可由最大几何不清晰度Ug max和最大固有不清晰度Ui max通过下式计算得到。

(2)

计算得到的钢板射线照相不清晰度如表2所示。

分别对厚度为16,26,36,46 mm的试件进行CR射线检测，检测数据如表3所示(表中IQI表示双丝像素计灵敏度)。

表3 不同厚度下的CR检测不清晰度

通过表2,3的数据对比可见，两种技术的不清晰度差异明显，CR检测的不清晰度明显好于AB级胶片射线检测的不清晰度，且较为接近B级胶片射线检测的不清晰度。由此可见，CR检测的不清晰度足以满足船舶领域钢板对接焊缝的检测需求，但对于高灵敏度检测需求的焊缝检测，其不清晰度稍显不足。

1.2 CR检测裂纹试验

等价性评价试验中的可识别孔径尺寸并不能完全反应CR检测技术的缺陷识别能力，笔者在试件中部和端部分别加工出中心裂纹和弧坑裂纹，以模拟钢板对接焊缝中常见的裂纹，通过其CR检测结果与相同试件的胶片检测结果的比较，来确定CR检测技术的实际检测能力。

将两块尺寸(长×宽×厚)为150 mm×80 mm×6 mm的钢板沿着长边对焊，分别在焊缝中心位置和端部预埋人工缺陷，然后用热处理的方法获得尖锐的裂纹。试验时使用6个厚度分别为6，10，14，20，30，40 mm的试件进行检测，试件与垫板的摆放与前文相同，得到的检测图像如图4所示，检测数据如表4所示。

图4 不同厚度试件上的裂纹CR检测图像

表4 6～40 mm厚度试件的优化CR工艺参数及相应的图像质量

在试验过程中发现，散射线对成像质量的影响较为明显，在检测中需严格控制各项透照参数，做好散射线防护等措施能够提高照像成像质量。通过试验并与射线底片对比得出结论：当透照厚度≤20 mm时，CR检测的图像质量与缺陷的细节体现与B级胶片检测能力相当；透照厚度>20 mm时，CR检测的图像质量依然可以达到B级胶片的检测能力，但缺陷的细节显示有所下降，与AB级胶片检测能力相当。

2 数字射线成像技术(DR)

2.1 数字射线成像技术(DR)等价性评价

目前DR射线检测技术因检测速度快、所需曝光量少、可实时成像等特点,应用较CR技术更加广泛，与常规胶片射线检测技术相比，其采用辐射探测器代替胶片完成射线信号的探测和转换，采用图像数字化技术获得数字检测图像。由于DR射线检测成像系统与胶片射线检测技术的不同，故从实际工作角度考虑数字射线检测技术对缺陷的检测能力是否能达到胶片射线检测技术水平。

2.1.1 船舶领域DR射线检测的基本数据需求

对于被检工件，需要分析工件的厚度范围、缺陷特点及胶片射线检测的空间分辨率控制要求[2]。针对目前船舶领域射线检测的工件主要厚度范围(2～40 mm)计算的基本数据要求，如表5所示。

2.1.2 常用成像系统的最佳放大倍数与不清晰度

对于DR射线检测技术，可以采用放大透照的方式进行检测，选择合适的最佳放大倍数可以使检测图像的空间分辨率达到最佳。最佳放大倍数由辐射探测器的固有不清晰度和射线源尺寸决定，射线源的焦点尺寸越小，可以选择的放大倍数越大，当射线源尺寸较大时，只能采用放大倍数接近1的方式透照[3]。

检测图像的不清晰度U与放大倍数的关系如式(3)所示。

表5 射线检测技术基本数据要求

(3)

式中：φ为射线机的焦点尺寸；Ui为成像板的固有不清晰度。

最佳放大倍数公式如式(4)所示。

(4)

以目前行业内较为常用的辐射探测器的像素尺寸为例(分别为127,143,200 μm)，针对以上3种像素尺寸分别计算最佳放大倍数与图像不清晰度，具体数据如表6所示。

表6 不同焦点尺寸、像素尺寸成像系统的最佳放大倍数与不清晰度

比较表5，6可以发现，采用相同透照条件时，成像系统的像素尺寸越小，最佳放大倍数与不清晰度越小，其中最佳放大倍数变化较大，但不清晰度变化较小，当采用微焦点尺寸射线源时，不清晰度变化明显，可以有效提升检测图像的空间分辨率；对于船舶领域来说,以上3种成像系统均可以满足AB级检测需求，且不必为追求不清晰度而刻意选择较小的像素尺寸，其主要原因是随着像素尺寸的减小，射线检测所需的曝光量会大幅度增加，影响检测效率；而在进行成像质量有较高要求的B级检测时，采用最佳放大倍数与1级补偿原则，像素尺寸为127，143 μm的成像系统可以满足3.5～40 mm厚度范围试件的检测需求，但对于母材公称厚度小于3.5 mm的薄板的检测能力尚有不足。

2.2 基于不同种类射线装置的管焊缝DR检测试验

在船舶射线检测领域中采用的辐射探测器质量一般为2～5 kg，其远远大于胶片的质量，且在船舶分段制作、船台合拢等阶段，现场检测环境复杂，登高作业频繁，DR成像系统在某些复杂环境下难以实施，但该系统以检测效率高、厚度宽容度大、可实时成像等特点更加适用于曝光间内的管系焊缝批量检测。目前船舶领域常用的射线装置分别为X射线机和γ射线源，下面基于不同种类射线装置的DR检测成像质量进行分析，验证DR射线技术在船舶管系焊缝检测领域的适用性。

选取现场检测中较为常见的大直径薄壁管(219 mm×7 mm,直径×壁厚)、中等直径厚壁管(114 mm×10 mm,直径×壁厚)及小径管(45 mm×4.5 mm,直径×壁厚)开展DR检测试验，采用的射线装置分别为300 kV X射线机和Se75 γ射线源，辐射探测器选用非晶硅平板探测器，像素尺寸为127 μm，A/D转换器的分辨率为16 bit；试验中采用的图像平均次数为8，可以起到良好的降噪作用。基于不同射线装置的管系焊缝检测图像见图5，检测数据见表7。

由表7可知，对φ114 mm×10 mm和φ219 mm×7 mm管系焊缝检测时，采用X射线装置的像质计灵敏度与信噪比优于γ射线装置的，但均可达到B级检测需求，而对于空间分辨率的比较，两者差别较为明显，相差2～3个丝号；采用X射线检测时，以上两种规格的管系焊缝图像质量均可达到B级，采用γ射线检测时，则可达到AB级(φ114 mm×10 mm规格的管系采用了补偿原则)；而对φ45 mm×4.5 mm规格的管系焊缝检测时，信噪比相对较低，这是管直径较小，射线能量分布不均匀且管焊缝截面厚度变化较大引起的，同时管径较小还无法放置双丝像质计，无法评定图像质量级别，但可以通过同等厚度的对比试件代替被检工件进行空间分辨率测量[4]，对比试件的检测图像如图6所示。

图5 基于不同射线装置的管系焊缝检测图像

表7 基于不同射线装置的管系焊缝数据

图6 管焊缝等厚对比试件检测图像

对图6中的双丝像质计进行测量可知，采用X射线检测时空间分辨率为D10，采用γ射线检测时空间分辨率为D8;结合表7中的相应数据进行综合判定，对于φ45 mm×4.5 mm的小径管采用X射线检测时灵敏度和空间分辨率皆可以达到B级要求，信噪比达到AB级要求，采用γ射线检测时灵敏度和信噪比可以达到AB级要求，但空间分辨率不满足AB级要求。

通过图像及检测数据比对发现，采用X射线装置检测的DR成像效果明显好于γ射线的，对于有较高图像质量需求的工件应采用X射线装置，对于一般图像质量需求的工件可以采用γ射线装置，但应进行工艺验证与优化，保证检测灵敏度、空间分辨率和信噪比满足标准要求。

3 结语

通过对CR与DR数字射线检测技术的等价性评价和试验分析可知，以上两种技术在选择合适的工艺参数时，其检测图像质量可以达到甚至优于B级胶片射线检测质量，其检测能力可以满足船舶射线领域主要应用试件厚度范围的检测需求，已经具备了现场实际应用的技术基础，但由于数字射线检测技术的普及率相对较低，对于复杂作业环境下的适用性还有待考证。