（机械制造及其自动化专业论文）在役管道x射线检测图像内外物质分类方法应用研究.pdf

at h e s i si nm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n s t u d yo n m a t e r i a lc l a s s i f i c a t i o na b o u ti n s i d e a n do u t s i d eo fi n s e r v ep i p e l i n e ，si m a g e s d e t e c t e db y x - - r a y b yg u a np e n g s h u s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o ry u a np e i x i n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 、 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 二巴 思。 学位论文作者签名：翼戳谚违缘 日期：弼、7 2 - 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 两年 学位论一虢糯戊朱聊虢乃镌 签字日期：吵弼、7 1 签字目期：k 砀、7l ， j r 在役管道x 射线检测图像内外物质分类方法应用研究 摘要 管道是现行的五大运输工具之一，随着管道运营时间的延长，管道老化问题日益突 出，管道安全运行问题越来越受到人们的重视。如果能在j 下常的运行状态下，不拆除保 温层而完成对管道的内外物质分离而最终得到管壁厚度工作，是科技工作者们一直在寻 求的较为理想的检测方法，这样既能减少由于停产拆除、恢复保温层造成的经济损失， 减少无效重复劳动、降低生产成本，又可以科学地评价在役管道的剩余寿命，进而保证 管道安全可靠运行。 本文的目的就是利用在役管道不去除保温层的检测方法，在管道内部有介质、外部 有包装( 防腐保温层) 的情况下，对物质进行分类剔除，目的是检测管道的剩余厚度， 以便于管道的失效分析、管道剩余强度评价、剩余寿命预测、可靠性分析和风险管理及 管道的质量状况等适用性评价。所研究的主要内容如下： 首先，了解在役管道x 射线检测系统各部分组成，分析系统性能评价指标，包括分 辨率、动态范围等，对在役管道进行结构解剖，重点了解管道材料及保温层的材料组成 和结构性质。 其次，依据按有效原子序数将物质分类的原理，通过一定的计算，找到物质分类识 别的边界物质，制定相应的实验方案，采集数据并进行曲线拟合。得到物质分类识别的 边界曲线和数学模型。 本课题需要解决的关键技术是对管道的内外进行物资分类剔除，通过实验建立正确 的数学模型来解决x 射线穿过不同厚度的被检测管道成像并从图像的灰度级的变化和 数学模型来确定管道壁厚，从而达到在役安检的目的。 ，关键词：在役管道；x 射线检测；物质分类；有效原子序数；数学模型 - i ， ， s t u d yo n m a t e r i a lc l a s s i f i c a t i o na b o u ti n s i d e a n do u t s i d eo fi n s e r v ep i p e l i n e ，si m a g e s d e t e c t e db y x - r a y a b s t r a c t t h ep i p e l i n ei so n eo ft h ep r e s e n tf i v eb i gm a j o rc a r r i e r s a st h ep i p e l i n es e r v i c et i m e g e t sl o n g e ra n dt h ep i p e l i n eg e t so l d e r , p i p e l i n es e c u r i t yi s s u e sr u n n i n gm o r ea n dm o r e p e o p l e sa t t e n t i o n t h es c i e n t i f i ca n dt e c h n i c a lw o r k e r sc o n t i n u o u s l yh a v eb e e ns e e k i n ga b e t t e rd e t e c t i o nm e t h o d si fi ti sp o s s i b l et oc o m p l e t ep i p e l i n e si n s i d ea n do u t s i d em a t e r i a l s e p a r a t i o n ，a n do b t a i nt h ep i p ew a l lt h i c k n e s su n d e rt h en o r m a lo p e r a t i o no fs t a t e ，w i t h o u t d e m o l i s h i n gt h et h e r m a li n s u l a t i o nl a y e r t h i sm e t h o d c a nn o to n l yr e s u m et h ee c o n o m i cl o s s w h i c hi sc a u s e db yt h ep r o d u c t i o ns u s p e n s i o nd e m o l i t i o na n dt h et h e r m a li n s u l a t i o nl a y e r c r e a t i o n ，r e d u c e st h ei n v a l i dr e d u n d a n tw o r ka n dt h ep r o d u c t i o nc o s t s ，b u ta l s om a ye v a l u a t e t h ep i p e l i n ei nt h es e r v i c ep i p e l i n e sr e m a i n i n gl i f es c i e n t i f i c a l l y ，t h e ng u a r a n t e et h ep i p e l i n e s a f er e l i a b i l i t ys e r v i c e t h ep u r p o s eo ft h i sa r t i c l ei st ou s et h ei n s p e c t i o nm e t h o dw h i c hn e e dn o tr e m o v et h e t h e r m a li n s u l a t i o nl a y e rt oc a r r ym a t e r i a lo n eb yo n et ot h ep i p e l i n e ，t h ei n t e r n a lm e d i u m ，t h e e x t e r i o rp a c k i n g ( t h e r m a li n s u l a t i o n ，a n t i c o r r o s i o nl e v e l ) o nt h ec l a s s i f i e dr e j e c t i o n ，a i m i n ga t t e s t i n gt h ep i p e l i n er e m a i n i n gt h i c k n e s s i ti sa d v a n t a g e o u sf o rp i p e l i n e sp i p e l i n et h ef a i l u r e a n a l y s i s ，p i p e l i n er e s i d u a ls t r e n g t ha p p r a i s a l ，r e m a i n i n gl i f ep r e d i c t ，f a i l s a f ea n a l y s i sa n dr i s k m a n a g e m e n ta n dp i p e l i n e ss e r v i c e a b l ea p p r a i s a l sa n ds oo nq u a l i t yc o n d i t i o n t h i sp a p e r m a i n l yd e a l sw i t ht h ef o l l o w i n gp a r t s ： f i r s to fa l l ，i ti st ou n d e r s t a n dc o m p o n e n t so ft h es e r v i c ep i p e l i n ex r a yd e t e c t i o ns y s t e m c o m p o n e n t s ，t oa n a l y s i ss y s t e mp e r f o r m a n c ea n de v a l u a t i o ni n d i c a t o r si n c l u d i n gr e s o l u t i o n ， d y n a m i cr a n g ea n ds oo n ，t h e nt oc a r r yo nt h es t r u c t u r ed i s s e c t i o ni nt h es e r v i c ep i p e l i n e ，t o u n d e r s t a n dm a t e r i a lc o m p o s i t i o na n dt h ec o n s t i t u t i v ep r o p e r t yo fi t sp i p e l i n em a t e r i a la n dt h e h e a ti n s u l a t i n gl a y e r s e c o n d l y ，c l a s s i f yt h em a t e r i a l si n t oo r g a n i c 、i n o r g a n i ca n dm i x t u r eb ye f f e c t i v ea t o m i c n u m b e r a f t e rs o m ea l g o r i t h m ，f i n dt w ob o u n d a r ym a t e r i a l sf o ro b j e c tc l a s s i f i c a t i o n d r a w t e s t s s c e n a r i o ，c o l l e c t i n gd a t aa n dm o d e l i n gt h ec u r v e i i i t h ek e yt e c h n o l o g i e st h a tn e e dt os o l v ei sh o wt oc a r r yo nt h ec l a s s i f i e dr e j e c t i o nw h i c h i sf r o mt h ei n s i d ea n do u t s i d eo fp i p e l i n e e s t a b l i s h i n gt h ec o r r e c tm a t h e m a t i c a lm o d e l t h r o u g ht h ee x p e r i m e n tt os o l v et h ex - r a yp a s s i n gt h r o u g ht h ep i p e l i n ei m a g ef o r m a t i o ni n d i f f e r e n tt h i c k n e s s ，t h e n d e f i n i t i n gp i p e l i n ew a l l t h i c k n e s sf r o mt h e c h a n g e so fi m a g e g r a d a t i o nl e v e la n dm a t h e m a t i c a lm o d e l ，s ot h a ta c h i e v i n gs e c u r i t yc h e c k i n gg o a li n t h e s e r v i c ep i p e l i n e k e yw o r d s ：i n - s e r v ep i p e l i n e ；x - r a yd e t e c t i n g ； m a t h e m a t i c a lm o d e l m a t e r i a lc l a s s i f i c a t i o n ；e f f e c ta t o m i cn u m b e r ； 1 i v ， 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 在役管道无损检测的意义。1 1 2 无损检测的主要理论方法。1 1 3x 射线检测系统的组成与性能评价4 1 4x 射线实时成像的国内外发展状况5 1 5 本文研究的主要内容6 1 6 本章小结6 第2 章x 射线成像的理论原理及工作方法7 2 1x 射线的产生及特点7 2 1 1x 射线的产生7 2 1 2x 射线的性质8 2 2x 射线与物质的相互作用9 2 2 1x 射线与物质相互作用的主要形式9 2 2 2 各种相互作用发生的相对条件和几率。1 2 2 3x 射线探伤的工作原理1 3 、2 3 1 窄束、单色射线的强度衰减规律。1 4 2 3 2 宽束、多色射线的强度衰减舰律1 7 2 3 3 射线探伤的原理1 9 2 4 本章小结2 0 第3 章工业在役管道x 射线检测成像系统2 1 3 1x 射线实时成像2 1 3 2x 射线源的选择2 3 3 2 1x 射线机的基本结构与类型2 4 v 3 2 2 射线能量的确定2 5 3 2 3 焦距及焦点的选择2 7 3 2 4 射线源的技术参数。2 9 3 3x 射线探测器单元3 1 3 4 射线实时成像检验的基本技术3 4 3 4 1 射线实时成像检验技术的一般要求3 4 3 4 2 常用图像处理技术。3 5 3 4 3 射线实时成像检验的技术控制3 5 3 5 实时成像系统性能的评价方法3 6 3 5 1 检测灵敏度一3 6 3 5 2 空间分辨率3 6 3 6 本章小结3 7 第4 章管道内外物质分类识别方法研究3 8 4 1 工业在役管道结构解剖分析3 8 4 1 1 常见工业管道材质的分析3 8 4 1 2 常用防腐层分析3 8 4 1 3 常用保温层材料分析3 9 4 1 4 常见管道壁厚减薄的原因。3 9 4 2 物质分类识别方法研究4 0 4 2 1 有效原子序数4 0 4 2 2 边界物质的确定4 2 4 2 3 线扫描实验4 2 广 4 2 4 曲线拟合4 3 4 2 5 实验验证4 5 4 3 提取r 值的方法4 8 4 3 1 单能量穿透技术4 8 4 3 2 双能量穿透技术4 9 4 3 3r 值的提取5 0 4 4 本章小结5 2 v i 第5 章基于管道的实验研究及数学模型的建立5 3 5 1 应用实验研究5 3 5 1 1 确定扫描方式5 3 5 1 2 射线透照几何关系5 4 5 1 3 剔除防腐保温层及介质。5 6 5 2 管道厚度对应灰度级的数学模型5 8 5 2 1 不同厚度管道灰度值的提取：5 8 5 2 2 数学模型的建立6 0 5 3 数学模型验证6 3 5 4 本章小结6 3 第6 章结论6 4 参考文献6 5 致谢6 8 v i i 壅i 垦盘堂亟生垡途塞笙! 童缱迨 第1 章绪论 1 1 在役管道无损检测的意义 管道是现行的五大运输工具之一，其在运送液体、气体、浆液等方面具有特殊的优 势，尤其在石油化工及天然气等产业中具有不可替代的作用。同时，和我们日常生活密 切相关的城市供水系统、煤气系统更是极为庞大的管道网络。据有关资料报道，目前全 球有长达数千万公里的各类在役管道，随着管道运营时间的延长，管道老化问题日益突 出，管道安全运行问题越来越受到人们的重视。根据国内外管道事故统计资料分析，管 道投入运行的早期和后期是事故的高发期，特别是后期，管道因腐蚀破坏而造成的穿孔 泄漏事故时有发生，管道事故发生的可能性是随着管道运行时间的增加而急剧增加的。 随着我国西部大开发战略的实施、东南沿海油田的开发以及城市成品油、供水、煤 气等供给系统的扩展，我国的管道运输业还将得到蓬勃发展。但是随着管线的增多、管 龄的增长，以及不可避免的腐蚀、磨损等自然或人为损坏等原因，管道泄漏事故频频发 生，给人们的生命财产和生存环境造成巨大的威胁【1 j 。 实现一种综合各种检测方法优点的更高水平的无损管道在线检验装置，是工程实际 应用中最有效的解决方案，也是我们一直寻求的理想检测方法。经过调查研究，我们确 定开发一种工业管道在线检测装置，利用目前国内外比较先进的x 射线扫描成像技术， 对各类管道进行在线检测。用于解决目前长期困扰我们的管道建设中的质量监督，核查 检验隐蔽工程质量影响建设工期，停产破坏性检验与连续生产的矛盾。这种检测方法最 显著的特点是在管道运行状态下，不拆除保温层，实现快速、准确缺陷判定。对于新建 和在役管道降低安装制作成本，减少停运损失，保证管道主要使用功能质量符合要求， 结构安全，运行可靠性都具有明显的效果和积极的意义。 1 2 无损检测的主要理论方法 目前已有近5 0 种方法被列入无损检测的范畴。但目前管道无损检测方法采用的只有 几种，即通常所称的“常规无损检测方法”。主要是射线检测法、超声波检测法、磁粉 检测法、涡流检测法、渗透检测法。下面对这5 种常规无损检测方法的原理和应用进行 简单介绍【2 1 。 ( 1 ) 射线检测法 射线检测是利用射线( 是指x 射线、y 射线等) 穿透物体过程中具有一定的衰减规律， 1 根据通过工件各部位衰减后射线强度检测工件内部缺陷的一种方法。不同物体其衰减程 度不同，衰减的程度由物体的厚度、物体的材料品种以及射线的种类而定。 目前，射线检测技术大致可分为3 种，即射线照相、实时成像和射线层析。医院里 的透视、x 光底片、c t 及海关安全检查等都是这些技术的应用，工业用射线检测装置的 射线能量比医用c t 高得多。工业c t 装置用于重要领域的材料、工件的无损检测。 射线检测具有准确、可靠和直观的特点，可检测材料和工件内部缺陷，并且可用于 缺陷的分析和作为质量凭证存档，但这种方法也存在着设备较复杂，成本较高，同时只 有与裂纹方向平行的x 射线照射时才能够检查出来，同裂纹面几乎垂直的射线照射时， 就很难查出，并应注意对射线的防护的缺点。 ( 2 ) 超声波检测法 超声波检测法是利用压电换能器( 由电磁振荡转变为机械振动的一种变换器) 在被 检测材料表面激发声脉冲信号，该声束导入材料后被缺陷反射回换能器。通过测定信号 返回时间间隔来确定缺陷部位，测量回波信号幅度与换能器位置可得知材料或制件内部 ( 或表面) 缺陷尺寸与部位。根据超声振动的不同调制方法可划分为连续波和脉冲波；根 据不同的振动和传播方式超声振动又可分为纵波、横波、表面波和兰姆波4 种形式；根 据声的发射和接收条件的不同，又可分为单探头法和双探头法，这些方法都可用于检测 缺陷。 由于超声波检测具有成本低、可应用范围广的特点，近些年在国内外得到普遍重视 和迅速发展。由于其成本低、可进行非接触测量、对被测介质无影响、环境适应能力强 等。所以应用非常广泛，超出其他检测方法。但其对缺陷的定量或定性分析尚存在一定 困难，在近表面存在死区等缺点。 ( 3 ) 磁粉检测法 磁粉检测是利用基于铁磁性材料在磁场中被磁化后，材料或制品的不连续处( 缺陷 处) 产生漏磁场吸附磁铁粉而被显现的原理，检出材料缺陷处磁场的不连续所建立的空 间磁场，发现缺陷。所以此法只能应用于铁磁性材料或制品的表面或近表面缺陷检测。 磁粉探伤不能用来检查工件内部缺陷，因为磁力线虽然在缺陷处会发生畸变，却不 会选出工件表面，不能形成漏磁场，缺陷就检测不出来，由此可知。磁粉探伤是检查铁 磁材料表面和近表面缺陷的方法，它的局限性是显而易见的。 ( 4 ) 渗透检测法 渗透检测是一种以毛细现象为基础，检查表面丌口缺陷的无损检测方法。它包括荧 光、着色两种方法。荧光检测的原理是将被检制品浸入荧光液中。因毛细管现象，在缺 陷内吸满了荧光液。除掉表面液体，由于光致效应荧光液在紫外线的照射下，发出可见 光面显现缺陷；着色检测的原理与荧光检测相似，它不需专门设备，只是用显像粉将吸 附在缺陷内的着色液吸出零件表面而显现缺陷。 渗透检测可检缺陷包括裂纹、折叠、气孔和疏松等。渗透检测由于缺陷易于被观察 、到，肉眼就可以确定这种迹象的位置，并且设备简单，操作方便，也得到了广泛的应用。 ( 5 ) 涡流检测法 - 涡流检测的原理是利用通有射频电流的线圈在被测材料表面激发电流( 涡流) ，当该 金属材料表面存在缺陷时( 如裂缝、气孔、夹渣) ，会阻碍电流通过，该处的比电阻便因 缺陷的存在而增大，与其相关的涡电流便相应地减小，通过测量涡流的变化量。来进行 试件的探伤、材质的检测和形状尺寸的测试等。 磁粉、涡流及渗透检测常用于检测表面及近表面缺陷。其中磁粉检测主要用于检测 焊件的裂纹、熔化不全、咬边及未焊透等缺陷，在操作上比射线检测简单，在细密裂纹 与表面缺陷的检测方面优于射线和超声波检测。磁粉检测对焊件表面有较高的要求，表 面过于粗糙将影响检测结果的准确性，磁粉检测的最大不足是仅限于检测磁性材料。涡 流法可检测焊件表面的缺陷、裂纹、气孔和晶间腐蚀，速度快、灵敏度高、操作简单。 目前，涡流检测已成功用于判断焊缝是否有缺陷及缺陷位置，但在缺陷特征( 形状、大 小等) 识别方面尚有一定难度。 射线和超声检测是焊缝质量检测中广泛采用的重要无损检测技术。射线检测能有效 检测焊缝的气孔、裂纹、咬边、未焊透、沙眼和夹渣等内部缺陷。该方法是利用x 射线 穿透金属时产生的射线图来检测金属内部结构的，通过胶片和数字化成像可以留下永久 性的检测记录。不仅能够定性地显示焊缝缺陷，还可测出缺陷尺寸。射线检测速度快， 可进行灵活的实时检测。但是，射线对人体有害，检测时须采取有效的安全防护措施。 超声检测是利用焊件中的缺陷对超声波的反射进行缺陷检测的，检测灵敏度高、速度快、 、成本低、设备简单，可用于检测各种材料的缺陷，并能确定缺陷的深度【3 1 。 以上几种常用无损检测方法，各有优缺点。比如射线检测显现缺陷直观准确，对于 _ 内部体积型缺陷有较高灵敏度，而对于线型( 如裂纹) 缺陷却不易发现；超声检测对内部 缺陷较迅速灵敏，但对缺陷的定量或定性分析尚存在一定困难。而且也受工件的形状和 表面状况及晶粒尺寸等限制。在选择无损检测方法时，必须根据具体情况，充分运用各 种方法的主要优点，采取综合性无损检测是十分必要的。 1 3x 射线检测系统的组成与性能评价 x 射线实时成像检测系统主要由x 射线源( x 射线机) 、x 射线接收转换装置、图像 处理和分析系统等组成，计算机通过串行口向x 射线线阵探测器发送控制命令，通过并 行口控制步进电机使携带射线源和线阵探测器的检测机构做机械扫描运动。 ， ( 1 ) x 射线机 x 射线机的质量直接影响系统的成像效果。图像的分辨率、灵敏度、清晰度主要由 射线源焦点的大小决定。x 射线实时成像要求采用直流、恒电压、恒功率的x 射线机。 而y 射线源由于其尺寸不可能做得很小、射线剂量不恒定、单位剂量较弱等原因，所以 y 射线不宜用于实时成像。 ( 2 ) x 射线接受转换装置 x 射线接收转换装置又称为图像成像系统，将不可见x 光转换为可见光。它按照成 像技术水平现可分为两种：一种是以图像增强器为主的传统成像器系统；另一种则是基 于线阵扫描探测器( l d a 1 i n e a ro x i d ea r r a y s ) 成像系统。按扫描方式分为线扫描线阵列和 面扫描阵列。面阵列探测器价格昂贵，目前多采用线阵列探测器。线阵扫描探测器l d a 成像系统按照结合方式分为两种： l d a 成像系统直接与图像采集卡相结合，l d a 成像系统采集的模拟图像送到采集 卡进行a d 转换，再经计算机图像处理，工作原理虽与图像增强器基本相同，但是其分 辨率比起图像增强器成像系统的分辨率则有了较大的提高。 l d a 成像系统与c m o s ( c o m p l e m e n t a r y m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o rt r a n s i s t o r ) 传感器 相结合，一步完成射线光电转换和数字采集全过程，称为l d a c m o s 数字直接成像系 统【4 】o o ) 图像的处理与分析系统 通过一系列算法，将图像的各项指标量化，这样检测后的分析客观性强，易于进行 自动化评估。数字实时成像技术对采集的二维图像信息进行数字加工，这是胶片成像方 法所无法比拟的。这些后处理技术主要包括边缘锐化、图像灰度反转、灰度增强与变换、 伪彩色技术、模式识别、密度分辨等。一个基本的图像处理和分析系统可由图1 1 表示。 圈 图1 1 图像处理和分析系统 f i g 1 1i m a g ep r o c e s s i n ga n da n a l y s i ss y s t e m 4 图像的处理和分析主要工作是运算，主要设备是计算机，必要时可借助专用硬件。 图像处理着重在图像之间进行变换，主要指加工图像以改善图像的视觉效果并为自 动识别打基础，或对图像进行压缩编码，减少存储空间或传输时间、传输通路的要求。 图像分析是一个从图像到数据的过程，主要是对图像中感兴趣的目标进行检测和测 量，以获得它们的客观信息从而建立对图像的描述。 图像处理是比较低层次的操作，主要在图像像素级上进行处理，处理的数据量非常 大。图像分析则进入中层，经分割和特征提取，把原来以像素描述的图像转变成非图形 式的描述。而图像理解作为最高层操作，基本上是对描述抽象出来的符号进行运算，其 处理过程和方法是与人类的思维推理类似。图像增强、恢复和重建、编码是图像处理的 研究内容：图像分割，目标表达、描述、数学形态学是图像分析研究的内容。 1 4x 射线实时成像的国内外发展状况 2 0 世纪7 0 年代初，国际上首台医用x r a yc t 在英国研制成功，并用于头部检查。其 后，工业c t 的发展大体上经历了从实验装置、低能x r a y i x - l k c t q h l l 7 r a v 工业c t 到高能 x r a y i 业c t 的过程。各种c t 系统迅速投入市场以满足各方用户无损探伤和无损质量评 价的需求，国际上研究、生产工业c t 的国家主要有美国、日本、法国、以色列、德国和 俄罗斯等国。 近年来，国内外进行全面的理论研究工作，建立起较为系统完整的理论。理论研究 的重点是提高检测灵敏度，保证缺陷( 特别是裂纹) 有足够高的检出率，在探伤工艺上， 对透照条件、透照工艺提出较高的要求。 在2 0 0 1 年罗马召开的第十五届国际无损检测技术会议上，对传统的胶片成像x 射线 检测技术有不少讨论，认为传统的胶片显像技术在x 射线检测中仍具有重要作用，指出 在检测微小缺陷时，胶片图像质量要远优于实时成像和数字射线检测图像质量，其提高 灵敏度和缺陷检出率为目的的数字射线检测系统是重点研究课题。 2 0 0 4 年第4 季度，美国e n v i s i o n 公司完成了航天飞机翅膀的数字x 射线断层成像 系统的安装和调试工作，通过在多个角度获得的x 射线图像，采用视差的方法合成3 d 图像。用户可以对图像进行处理和编辑。该3 d 系统小到桌面大到5 英尺( 1 5 米) 。该系 统目前是世界上最大的高精度5 轴3 d 数字化x 射线断层扫描系统，其精度比非晶硅或 非晶硒板高3 0 。 我国无损检测技术开始是2 0 世纪5 0 年代随苏联援建项目带进来，2 0 世纪7 0 年代 后特别是改革丌放后取得突飞猛进的发展。二十世纪9 0 年代仞，重庆大学、清华大学 以及中科院等单位在国内率先开展理论及应用研究。目前，从工业c t 总体技术水平、 主要技术指标( 空间分辨率、密度分辨率、密度测量精度、被测工件尺寸、重建图像速 度、重建图像的均匀性、清晰度、对比度等) 、产品种类和成熟度、应用领域等方面综 合评价，我国工业c t 技术及相关技术的研究和开发整体上处于国际先进水平【5 1 。 1 5 本文研究的主要内容 ， 本文的目的就是利用在役管道不去除保温层的检测方法，对管道、内部介质、外部 包装( 保温层、防腐层) 逐个物质进行分类剔除，目的是检测管道的剩余厚度，以便于 管道的管道失效分析、管道剩余强度评价、剩余寿命预测、可靠性分析和风险管理及管 道的质量状况等适用性评价。 所研究的主要内容如下： ( 1 ) 了解在役管道x 射线检测系统各部分组成，分析系统性能评价指标，包括分辨 率、动态范围等； ( 2 ) 对在役管道进行结构解剖，重点了解其管道材料及保温层的材料组成和结构性 质。参考国内外x 射线实时成像发展状况，选定射线源和探测器的技术参数： ( 3 ) 按有效原子序数将物质分成有机物、无机物、混合物，采集数据并进行曲线拟 合，得到物质分类识别的边界曲线和数学模型，并通过管道内外物质进行实验验证数学 模型的准确性； ( 4 ) 对于实验采集到的灰度图像进行了分析计算，得到了灰度曲线，选择一定范围 的数据拟合，建立管道厚度与灰度值关系的数学模型，根据数学模型计算得到管壁的厚 度并验证模型的准确性。 本课题需要解决的关键技术是对管道的内外进行物质分类剔除，通过实验建立正确 的数学模型来解决x 射线穿过不同厚度的被检测管道成像并从图像灰度级的变化和数 学模型来确定管道壁厚，从而达到在役安检的目的。 1 6 本章小结 本章首先阐述了在役管道无损检测在生产生活中的重要意义和无损检测的主要 论方法，然后针对与本课题相关的x 射线检测系统的组成及性能评价进行了简要的 绍；分析了国内外x 射线实时成像的现状及未来发展趋势提出了本课题的研究内容。 第2 章x 射线成像的理论原理及工作方法 2 1x 射线的产生及特点 2 1 1x 射线的产生 工业检测中普遍使用的射线有x 射线和，射线，是波长在1 0 一1 0 。1 3 m 之间的电磁 辐射。x 射线和) ，射线本质相同，同样既是波长很短的电磁波，又是能量很高的光子流。 它们的本质和性质没有区别，区别仅在于产生方式的不同。y 射线是放射性物质的原子 核在天然衰变的过程中放射出来的，其能量和强度无法控制和调节，而x 射线能量和强 度是可以控制和调节的，因而，在工业射线成像检测中广泛使用x 射线。 研究表明，当一束高速运动的电子轰击物质时，小质量的电子迅速减速，电子动能 一部分被转换为辐射能产生轫致辐射和k s h e l l 辐射【6 1 ，所谓轫致辐射，就是根据电 动力学学说，电子加速时会向外辐射电磁波。当等离子体内的电子与离子发生碰撞时电 子将被加速( 注意：无论加速还是减速都有辐射，我们都称为加速，而减速就是负加速) ， 从而产生辐射，这种辐射我们称为轫致辐射。韧，即“受力作用，受阻 。部分能量在 击出电子的同时，与物质的原子核相互作用，并逐渐停止下来，辐射出不同波长的射线。 电子的运动速度不同，撞击物质后，导致不同能级的电子跃迁，因而，所产生的x 射线 的波长也不同。由普朗克( p l a n k ) 的量子理论可知，每个量子的电磁辐射产生的光子能量 可表示为 e ；h ，；坐 ( 2 1 ) a 其中，e 为每个量子的能量，h = 6 6 2 6 x 1 0 。3 4 - ，j 为普朗克常数， ，是辐射频率，a 为 辐射波长，c = 2 9 9 8 x 1 0 8 m s 为光速。 当质量为m 的光子( r a = 9 1 1 x 1 0 也g ) 速度加速到 ，撞击x 射线管的靶面时，产生 的动能转换为势能，即 二删2 ；e v x l 0 7 ( 2 2 ) 2 其中，e = 1 6 2 0 1 x 1 0 。9 c 为电子所带的电荷，v 是x 线管的阴极与靶之间的电位差， 单位伏特。运动电子的动能部分地转换为光量子辐射，其最短波长为 k 。；譬：了1 2 3 9 5 ( n m ) ( 2 3 )n2 万2 1 厂 j l 厶习 由式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 3 ) 可见，由于运动粒子的动能不同，产生的x 光的波长不同。 7 实验表明，x 射线谱是波长以九；。为下限的连续谱。而连续x 射线的强度分布与波长九、 电压u 、电流i 之间的关系十分复杂，很多人都对此做了研究，克拉迈尔对波长小于 0 5 n m 的连续x 射线提出了以下近似公式【7 1 ： m 卜曩去一刳1 仁4 ， 其中，c 代表光速，z 为靶原子序数。史蒂芬森等人对波长为0 8 - 1 4 n m 的波段提 出了以下近似公式： m ，= 等 刳1 5 ， 目前，对a 卫 埘 疆 ：3 量 滔 一一 f - 钔 一一 。 咱目 ，一 一 一，一 _ _ 一一兹一 ， 一一 一 一， 一一 一一 1 翻 。 r l23456789 1 02 03 04 05 0l o o 厚度m m 图3 2 最高透照电压与透照厚度的关系 f i g 3 2t h er e l a t i o no ft h et i p t o pp e n e t r a t i v ev o l t a g ea n dt h ep e n e t r a t i v et h i c k n e s s 在实际的射线照相检验工作中，确定射线能量时，对低能x 射线必须遵守的一项具 体规定是，透照电压不能高于允许的最高透照电压。图3 2 i lj 是一些标准中对部分材料关 于最高允许透照电压与透照厚度关系的规定，表3 2 1 3 】是高能x 射线和部分y 射线源适用 的透照厚度，它们可作为确定射线能量的参考。一般说，y 射线透照检验的灵敏度低于x 射线照相检验的灵敏度，因此，在可能的情况下，应优先选用x 射线照相检验技术。但 在一些特殊情况时，例如球罐焊缝射线照相检验，y 射线全景曝光，在工作效率方面， 显然具有特别的优越性。这时，只可能选用y 射线透照检验技术。 表3 2 对钢、铜、镍基合金y 射线源和能量1 m e v 以上x 射线设备的透照厚度范围 t a b l e3 2t h ep e n e t r a t e dt h i c k n e s sr a n g eo ft h es t e e l & c o p p e r & n i c k e lu n d e rd i f f e r e n te n e r g y 在具体确定射线能量时常还需要考虑其他一些情况，如一次透照厚度的变化范围、 2 6 要求的检验技术级别等，即使在只考虑射线透照灵敏度时，也要与选用的焦距同时考虑。 例如，当一次透照厚度的变化范围较大时，可能选用偏高一些的射线能量，当采用灵敏 度高的技术时，也会选用偏高一些的射线能量等。 3 2 3 焦距及焦点的选择 焦距是射线源与胶片之间的距离，通常以f 记号表示。焦距是射线照相另一个基本 透照参数，确定焦距时必须考虑的剧1 】： ( 1 ) 所选取的焦距必须满足射线照相对几何不清晰度的规定； ( 2 ) 所选取的焦距应给出射线强度比较均匀的适当大小的透照区。 前者限定了焦距的最小值，后者指导如何确定实际使用的焦距值。 在实际的射线照相检验中所使用的射线源，总是具有一定的尺寸，因而必然要产生 一定的几何不清晰度。在讨论影像质量时曾给出几何不清晰度的计算公式： u g = 告 从此式可以得到计算焦距最小值的公式： f m i , m t 旧) 式中只；。焦距最小值； d 射线源焦点尺寸； 丁物体的透照厚度； 【，。几何不清晰度。 焦距直接关系到射线照相的几何不清晰度，并影响其他透照参数的确定，对射线照 相得到的影像质量，也就是对射线照相灵敏度具有重要影响。从此式可以看到，在确定 焦距时应同时考虑物体的透照厚度、射线源的焦点尺寸、限定的几何不清晰度。 近年来我国和国外的许多标准，对钢铁材料焊缝射线照相关于焦距选取，都直接规 定焦距最小值与射线源焦点尺寸和透照厚度之间关系，主要的规定如下： a 级技术厂d 芑7 5 t 2 b 级技术厂d 1 5 t 2 7 3 其中d 为射线源的有效焦点尺寸。这些规定可以转化为对几何不清晰度的规定 2 7 a 级技术 u gs 去丁u 3 b 级技术 u 。s 素丁u 3 可见，这些规定还是限定几何不清晰度，但它对几何不清晰度的具体限定是随着透 照厚度连续改变的，而不是一固定值，也不是按照透照厚度分段规定，这是明显的改进。 在实际的射线照相检验工作中，确定焦距最小值常采用诺模图。诺模图是一种计算 用的列线图，确定焦距最小值的三线诺模图是把计算焦距最小值的一些关系，利用梯形 上底与下底之和等于2 倍中线的几何关系，画出的三线计算图。用这个图可以直接查出 给定条件下的焦距最小值。 g 暑 专 髫 螂 杂 g g g g ： 巅 图3 3 确定焦距最小值的诺模图 f i g 3