火电厂锅炉管道金属内壁缺陷检测方法研究

2021-01-05谷明亮刘艳萍窦云朋李俊林

中国金属通报 2020年17期

谷明亮，刘艳萍，窦云朋，李俊林

（内蒙古京能康巴什热电有限公司，内蒙古鄂尔多斯 017000）

在火电厂中，电能需要利用锅炉机组中的煤炭燃烧进行燃料化学和蒸汽热能之间的转化，锅炉机组是发电过程最为基础的能源来源设备，同时也是最容易产生故障的设备，在火电厂机组中很多危险故障都是由锅炉故障导致的，比较常见的原因是锅炉机组中的受热管路失效，如水冷壁管和煤气管等，这些管道的失效是导致火电厂锅炉非计划性停机的主要原因[1]。因此，对火电厂锅炉管道金属内壁缺陷检测是维护火电厂锅炉正常运行的重要保障[2]。

目前国内外对锅炉管道金属内壁缺陷检测方法研究已经有了很多相关技术的文献和资料，有比较成熟的检测技术投入到实际应用中，取得了不错的成绩[3]。但是随着国内用电量的不断增加，以往使用的检测方法受到外界温度的影响，检测数据的精度不能满足实际需求[4]。因此，提出火电厂锅炉管道金属内壁缺陷检测方法，解决上述传统检测方法中存在的问题。

1 火电厂锅炉管道金属内壁缺陷检测方法设计

1.1 采集管道金属内壁图像

采用机器视觉技术，结合移动台模块和采像相机采集锅炉管道金属内壁图像，从中提取出锅炉管道金属内部表面特征，检测出内壁缺陷并标注。

使用移动台为相机提供运动动力，确保相机能够采集到完整的管道金属内壁图像，针对待检测的锅炉管道金属，采用多相机分布式采集管道各处的图像，所用相机的数量与管道的长度成正比，借助外力使管道做旋转前进运动，从而采集到管道金属内壁的图像。

采集过程中使用的相机是采集装置的输入，其本质是光信号向电信号的转换，使用CCD工业相机作为采集模块的核心。在使用中，选用面阵传感器结构的相机，通过光学接口连接相机和镜头，根据实际需求设置曝光方式。通过对工业相机各参数性能的选择，结合实际检测需求，选择MV-EM510M相机作为采集管道金属内壁图像的相机。光源是决定图像质量的重要因素，对于火电厂锅炉管道金属内壁缺陷检测的需求，选择多角度打光模式，突出金属内壁的不平整区域，根据反光强度观察特征，使管道金属内壁缺陷轮廓清晰地展现出来。在多角度光照下，同色系的光源会使图像变亮，反色系的光源会使图像变暗，在图像采集过程中，选择互补色光源，最大化观察内壁与背景之间的区别。选择的光源确保现场中的光是均匀的并且稍大于现场的尺寸，确保图像清晰，图像表面特征明显[5]。在图像采集完成后，提取出管道金属内壁的表面特征，为进一步缺陷检测做准备。

1.2 分割缺陷区域

考虑火电厂锅炉管道金属内壁检测任务和采集图像质量，提取出待测区域。采集的图像中分为无光区和有光区两个部分，无光区域图像特征不明显，像素值较低；有光区域图像特征比较明显，因此将图像中有光区域提取出来。计算出管道金属内壁中线，提取中线左右偏移距离内的像素作为感兴趣区域，将其展开即为提取的感兴趣区域。

引起火电厂锅炉管道金属内壁缺陷的因素有很多，比较常见的就是由工作中产生飞灰冲击和机械磨损引起的，具体情况如图1所示。

图1 管道金属内壁机械磨损

表1 不同检测方法的数据标定实验结果

根据锅炉管道金属内壁实际缺陷情况，统计图像数据集中背景区域，对其中的平面缺陷区域和凹坑类区域进行分割[6]。其中，平面缺陷的像素值低于背景像素值，凹坑缺陷的像素值高于背景像素值，平面外的像素值低于背景像素值。选择要分割的图像中的灰度值，以使图像前景和背景之间存在较大的类间差异，并且图像背景与前景和图像的平均灰度值之间的差为最大。在完成缺陷区域分割后，检测锅炉管道金属内壁缺陷。

1.3 缺陷特征提取及检测

通过上述过程中将图像分割成小的连通域，计算图像各处的梯度信息，统计各个连通域内的各梯度方向的直方图，将多个连通域组成更大的块区域，提取出块区域向量构成图像的特征。

使用Gamma压缩图像，实现图像的归一化，减少环境光对图像的干扰。压缩完成后，计算归一化图像的梯度信息，将图像分割成个单元格，每个单元格包含若干个像素点，统计单元格内各像素的梯度方向，取梯度方向0~180。为直方图的横坐标，进一步统计各梯度方向的绝对值，将其作为单元块的梯度方向直方图，记为当前单元块的描述子。将个单元块记为一个块区域，统计块内的各单元格的描述子，将其串联成当前块的描述子，由全部的块的描述子组合成图像的缺陷特征。

将图像p(x ,y )离散化处理，在处理过程中，通过在垂直方向和水平方向上做差分的方式逼近梯度算子，公式为：

计算图像中的每个像素的∇p 值实现缺陷的检测，计算出绝对值进行阈值操作，梯度算子的计算公式为：

梯度算子由下面两个模板组成：

通过算子对图像进行滤波，得到图像的检测结果。至此，火电厂锅炉管道金属内壁缺陷检测完成。

2 火电厂锅炉管道金属内壁缺陷检测方法实验研究

在火电厂锅炉管道金属内壁缺陷检测方法中，以某火电厂内的锅炉管道为研究对象，在实验前对完整无缺陷的管道进行初始检测，将初始检测结果作为参考基础。在后续对比实验中，以同一根相同位置破损情况的管道为实验目标，使用不同的缺陷检测方法对管道进行检测，得到反映实际屈服应力状态的信号梯度能量，对梯度数据进行标定和拟合，根据标定结果和拟合结果分析检测方法的精度。考虑到火电厂锅炉的工作环境，外界的温度变化可能会对实验结果产生影响，因此，分别在25℃、35℃ 、45℃、55℃和60℃条件下进行检测，统计不同检测方法的检测结果。实验结果图表1所示。

对比观察表中不同缺陷方法的标志值和拟合值，从中可以看出，随着外界温度的增加，各个检测方法的实验结果都有不同幅度的增加，其中传统的两种缺陷检测方法标定值随着温度的增加呈倍数增加，拟合值虽然没有标定值变化的大，但是变化也比较明显，相比之下，提出的缺陷检测方法在温度的作用下，标定值和拟合值的变化极小，均未超过1.0。综上所述，提出的火电厂锅炉管道金属内壁缺陷检测方法标定值和拟合值比较低，说明检测方法的数据精度在标准范围内，能够满足实际需求，该检测方法优于传统的检测方法。