(1.沈陽(yáng)市自然資源保護(hù)行政執(zhí)法支隊(duì)，沈陽(yáng) 110031；2.丹東華日理學(xué)電氣有限公司，丹東 118001；3.丹東市陽(yáng)光儀器有限公司， 丹東 118001)

近年來(lái),隨著國(guó)內(nèi)外油氣等管路鋪設(shè)項(xiàng)目的大量增加,淺海管路鋪設(shè)項(xiàng)目增長(zhǎng)迅速，但惡劣的工作條件限制了鋪設(shè)鋼管對(duì)接焊縫缺陷的X射線檢測(cè)。傳統(tǒng)的X射線檢測(cè)方法存在效率低，膠片損耗資源大等缺點(diǎn)。X射線數(shù)字實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，解決了各種實(shí)際問(wèn)題，筆者從環(huán)形機(jī)械移動(dòng)平臺(tái)入手，結(jié)合X射線實(shí)時(shí)成像原理，介紹了海上鋼管對(duì)接焊縫的高效率X射線實(shí)時(shí)數(shù)字成像檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成及其具體的應(yīng)用過(guò)程。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高，提高工作效率及節(jié)約膠片等優(yōu)點(diǎn)。

1 淺海鋪設(shè)鋼管焊縫的X射線數(shù)字成像檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)由X射線檢測(cè)單元、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、專用軟件與控制系統(tǒng)、輻射防護(hù)系統(tǒng)等組成，檢測(cè)系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 X射線數(shù)字實(shí)時(shí)成像檢測(cè)系統(tǒng)組成框圖

X射線檢測(cè)單元包括X射線管及數(shù)字成像板，成像板的成像原理是： X射線管發(fā)射出的X射線穿透被檢測(cè)鋼管，照在數(shù)字成像板上。數(shù)字成像板將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，再將信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)顯示器上，進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像缺陷檢查。由于是雙臂透照鋼管，為了避免前后兩條焊縫重疊，將射線管與成像板偏移微小角度，檢測(cè)靠近成像板一端的焊縫即可，X射線數(shù)字實(shí)時(shí)成像原理如圖2所示[1-2]。

圖2 X射線數(shù)字實(shí)時(shí)成像原理示意

機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)包括外部鋼管輸送輥道、防護(hù)鉛房和環(huán)繞式機(jī)械移動(dòng)平臺(tái)，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。外部鋼管輸送輥道是根據(jù)適用鋼管制成的V行傳送輥道，將其固定在船舶上可對(duì)鋼管進(jìn)行輸送。兩根鋼管對(duì)接焊接后，送入檢測(cè)防護(hù)鉛房中進(jìn)行X射線檢測(cè)，合格后將鋼管一直輸送到終端。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)防護(hù)鉛房可對(duì)X射線等進(jìn)行屏蔽，從而保證人員安全。環(huán)繞式機(jī)械移動(dòng)平臺(tái)為裝置的核心，其通過(guò)移動(dòng)定位來(lái)完成對(duì)接焊縫的X射線檢測(cè)。

圖3 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

專用軟件與控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器、伺服電機(jī)及控制驅(qū)動(dòng)器、位置編碼器及相關(guān)電氣元件等組成。通過(guò)接收發(fā)送各種控制信號(hào)，控制驅(qū)動(dòng)各個(gè)機(jī)構(gòu)按照預(yù)定程序完成相應(yīng)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)X射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)的過(guò)程。

2 環(huán)繞式機(jī)械移動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和功能

環(huán)繞式機(jī)械移動(dòng)平臺(tái)作為裝置的核心，由平移傳動(dòng)導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)、環(huán)形導(dǎo)軌移動(dòng)架機(jī)構(gòu)、環(huán)形移動(dòng)軌道小車機(jī)構(gòu)、環(huán)形齒輪小車驅(qū)動(dòng)機(jī)和自動(dòng)噴標(biāo)裝置等組成。其中，平移傳動(dòng)導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)由導(dǎo)向平移直線導(dǎo)軌、傳動(dòng)部件和傳動(dòng)電機(jī)減速機(jī)等組成。該平臺(tái)的功能是將整體平臺(tái)沿橫向向左移動(dòng)一定距離。當(dāng)鋼管焊縫有缺陷時(shí)，向一側(cè)移動(dòng)一定空間，方便進(jìn)行焊縫的修補(bǔ)工作。環(huán)形導(dǎo)軌移動(dòng)架是在整體的支撐架體上面鑲嵌的環(huán)形導(dǎo)向?qū)к?，其功能是支撐固定整體結(jié)構(gòu)，環(huán)形導(dǎo)向定位。環(huán)形移動(dòng)軌道小車由射線管移動(dòng)固定小車、成像板移動(dòng)固定小車和環(huán)形固定拉板等組成，用于固定射線管和成像板等元器件，其利用車體的行走輪在環(huán)形支撐導(dǎo)軌上滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)射線管與成像板等的同步環(huán)繞運(yùn)動(dòng)。環(huán)形齒輪小車驅(qū)動(dòng)裝置由圓環(huán)齒輪、電機(jī)減速機(jī)及驅(qū)動(dòng)齒輪等組成。圓環(huán)齒輪固定在環(huán)形導(dǎo)軌移動(dòng)架上，電機(jī)減速機(jī)及驅(qū)動(dòng)齒輪固定在成像板移動(dòng)固定小車上。系統(tǒng)控制咬合傳動(dòng)，帶動(dòng)環(huán)形移動(dòng)軌道小車運(yùn)動(dòng)。自動(dòng)噴標(biāo)裝置為電控自動(dòng)噴涂液體漆液的小型噴標(biāo)裝置，固定于成像板移動(dòng)固定小車上，當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷后系統(tǒng)自動(dòng)將噴嘴瞄準(zhǔn)缺陷位置，自動(dòng)噴標(biāo)，標(biāo)記缺陷位置。環(huán)繞式機(jī)械移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

3 電氣控制處理流程及原理

圖4 環(huán)繞式機(jī)械移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意

電氣控制中心采用計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，利用面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言Delphi進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)并采集移動(dòng)的數(shù)據(jù)，得到移動(dòng)位置數(shù)據(jù)，以用于計(jì)算。上位機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的操作界面，完成數(shù)據(jù)分析、報(bào)告、處理以及對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制等任務(wù)。運(yùn)動(dòng)控制器作為控制核心，完成發(fā)送及接收控制脈沖信號(hào)。伺服電機(jī)接收控制器發(fā)送的脈沖驅(qū)動(dòng)移動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)，同時(shí)伺服電機(jī)編碼器將信號(hào)反饋給運(yùn)動(dòng)控制器。電氣控制中心的硬件控制結(jié)構(gòu)示意如圖5所示，上位機(jī)連接裝有運(yùn)動(dòng)控制卡、操作面板、X射線數(shù)字成像系統(tǒng)控制器、傳感器接收控制元件、報(bào)警提示元件等部件。運(yùn)動(dòng)控制卡通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器分別控制環(huán)形齒輪小車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)A、平移傳動(dòng)導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)B、外部鋼管輸送輥道伺服電機(jī)C，從而實(shí)現(xiàn)整套裝置的機(jī)械行程動(dòng)作，操作面板安裝一體觸摸屏來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互控制，傳感器接收控制元件由信號(hào)采集反饋芯片及位置編碼器等元器件構(gòu)成，報(bào)警提示元件由傳感器反饋芯片及報(bào)警急停接觸器等器件組成。

圖5 硬件控制結(jié)構(gòu)示意

圖6 多線程任務(wù)處理方式示意

計(jì)算機(jī)軟件的具體實(shí)現(xiàn)采用多線程任務(wù)處理方式(見(jiàn)圖6)， 檢測(cè)開(kāi)始進(jìn)行系統(tǒng)初始化，即檢測(cè)裝置回原點(diǎn)坐標(biāo)原始定位。啟動(dòng)線程Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，同步開(kāi)啟線程Ⅰ(用戶界面交互)、線程Ⅱ(反饋?zhàn)鴺?biāo)讀取)和I/O口控制、線程Ⅲ(綜合計(jì)算處理)。線程Ⅰ負(fù)責(zé)和用戶的交互，接收用戶設(shè)置的一些檢測(cè)參數(shù),如速度、焦距、物距等任務(wù)；線程Ⅱ負(fù)責(zé)將反饋位置信息形成數(shù)字坐標(biāo)讀取，并通過(guò)I/O口進(jìn)行控制；線程Ⅲ負(fù)責(zé)將用戶交互信息及位置坐標(biāo)信息等進(jìn)行綜合計(jì)算處理。從環(huán)形移動(dòng)軌道檢測(cè)工件開(kāi)始直到檢測(cè)結(jié)束,系統(tǒng)軟件對(duì)掃描圖像進(jìn)行分析，在顯示屏上對(duì)缺陷部位進(jìn)行標(biāo)記確定，計(jì)算出具體的實(shí)物缺陷位置及需要運(yùn)行的軌跡路程，然后驅(qū)動(dòng)環(huán)形齒輪小車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，承載自動(dòng)噴標(biāo)裝置移動(dòng)到實(shí)際缺陷點(diǎn)的上方，并進(jìn)行缺陷標(biāo)記。標(biāo)記后驅(qū)動(dòng)外部鋼管輸送輥道，將鋼管移動(dòng)出檢測(cè)鉛房后立刻進(jìn)行修補(bǔ)，并重新檢測(cè)。

4 角度測(cè)量缺陷定位方法

由于整套系統(tǒng)均采用數(shù)字成像和數(shù)字控制環(huán)形移動(dòng)定位，射線管與成像板的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)掃描均能用數(shù)字化標(biāo)示出其移動(dòng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，包括旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)角度，以射線管與成像板的中心線為基準(zhǔn)線。當(dāng)在檢測(cè)圖像上發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，在屏幕上標(biāo)記缺陷位置，軟件處理系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算測(cè)定缺陷位置相對(duì)于基準(zhǔn)線的角度α。由于基準(zhǔn)線與自動(dòng)噴標(biāo)裝置的噴嘴角度β固定，所以此時(shí)噴嘴距離缺陷點(diǎn)位置的角度為β-α=γ，即此時(shí)自動(dòng)噴標(biāo)裝置的噴嘴再移動(dòng)γ角度后即可到達(dá)缺陷點(diǎn)的位置。系統(tǒng)將γ數(shù)值反饋給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，將自動(dòng)噴標(biāo)裝置的噴嘴移動(dòng)到缺陷位置后，自動(dòng)噴標(biāo)完成缺陷的自動(dòng)標(biāo)識(shí)。角度測(cè)量缺陷定位示意如圖7所示。

圖7 角度測(cè)量缺陷定位示意

5 X射線數(shù)字實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)在淺海鋼管鋪設(shè)中的應(yīng)用

淺海鋪設(shè)鋼管焊縫的X射線數(shù)字實(shí)時(shí)成像檢測(cè)流程控制框圖如圖8所示，系統(tǒng)的檢測(cè)使用方法如下所述。

圖8 淺海鋪設(shè)鋼管焊縫的X射線數(shù)字實(shí)時(shí)成像檢測(cè)流程控制框圖

(1) 電氣控制中心控制驅(qū)動(dòng)外部鋼管輸送輥道，在兩根鋼管對(duì)接焊接后，將其送入檢測(cè)防護(hù)鉛房，到達(dá)射線管與成像板中心檢測(cè)區(qū)后停止。

(2) 電氣控制中心發(fā)出控制指令控制驅(qū)動(dòng)環(huán)繞式機(jī)械移動(dòng)平臺(tái)中的環(huán)形齒輪小車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),帶動(dòng)環(huán)形移動(dòng)軌道小車沿環(huán)形導(dǎo)軌移動(dòng)架上的環(huán)形導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)小車上固定的射線管和成像板同步沿環(huán)形軌道正向檢測(cè)移動(dòng)。

(3) 電氣控制中心發(fā)出控制指令，啟動(dòng)數(shù)字平板X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)工作，開(kāi)始同步檢測(cè)。

(4) 射線管和成像板環(huán)繞鋼管對(duì)接焊縫正向均勻順次移動(dòng)，并將同時(shí)生成的焊縫透照?qǐng)D像呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)顯示器上，進(jìn)行缺陷的實(shí)時(shí)評(píng)定。

(5) 環(huán)繞一周后，停止移動(dòng)，關(guān)閉射線系統(tǒng),結(jié)束檢測(cè)。

(6) 若檢測(cè)過(guò)程中，在顯示器上發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，則操作控制停止移動(dòng)和檢測(cè)，并用鼠標(biāo)在屏幕上標(biāo)記缺陷點(diǎn)的位置。然后操作控制繼續(xù)移動(dòng)和檢測(cè)，完成剩余檢測(cè)。

(7) 在完成剩余檢測(cè)的過(guò)程中，系統(tǒng)根據(jù)其測(cè)量缺陷定位方法，計(jì)算出自動(dòng)噴標(biāo)裝置中的噴嘴距離缺陷點(diǎn)的位置，當(dāng)噴嘴同步移動(dòng)到達(dá)缺陷點(diǎn)上方時(shí)，控制系統(tǒng)控制自動(dòng)噴標(biāo)裝置動(dòng)作，噴射液體漆液附著在焊縫缺陷位置。完成缺陷標(biāo)記直到當(dāng)次檢測(cè)結(jié)束。

(8) 缺陷標(biāo)記檢測(cè)結(jié)束后，電氣控制中心發(fā)出控制指令，控制驅(qū)動(dòng)環(huán)繞式機(jī)械移動(dòng)平臺(tái)中的平移傳動(dòng)導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)上的傳動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)整體平臺(tái)沿橫向向左移動(dòng)一定距離。

(9) 在平臺(tái)移出的空間里，對(duì)標(biāo)記的缺陷點(diǎn)進(jìn)行焊縫的修補(bǔ)工作。

(10) 在完成修補(bǔ)后,操作控制驅(qū)動(dòng)環(huán)繞式機(jī)械移動(dòng)平臺(tái)中的平移傳動(dòng)導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)上的傳動(dòng)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)整體平臺(tái)沿橫向向右移回原先的檢測(cè)位,重新進(jìn)行焊縫檢測(cè),直到整體焊縫無(wú)缺陷，檢測(cè)結(jié)束。

(11) 重新回到第(1)步,將下一道焊縫輸送到檢測(cè)位檢測(cè)。重復(fù)步驟(2)，但驅(qū)動(dòng)環(huán)形移動(dòng)軌道小車上固定的射線管和成像板同步沿環(huán)形軌道反向檢測(cè)移動(dòng)。其余步驟順次不變。

6 檢測(cè)工藝試驗(yàn)與結(jié)果分析

檢測(cè)工藝試驗(yàn)參數(shù)：管道直徑為1 020 mm，管道厚度為21 mm，雙壁透照厚度為42 mm,管長(zhǎng)為12 m,焦距為1 140 mm，透照方式為雙壁透照，輸出電壓為200 kV，輸出電流為3 mA。合格品與不合格品的檢測(cè)影像如圖9所示。檢測(cè)工藝標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

圖9(a)的檢測(cè)圖像中，沒(méi)有明顯的缺陷點(diǎn)，檢測(cè)合格；根據(jù)圖9(b)的檢測(cè)圖像可知，檢測(cè)出多處缺陷，檢測(cè)出的氣孔直徑為2.4 mm，檢測(cè)出的裂紋面積為242.52 mm2，檢測(cè)結(jié)果為不合格。

圖9 合格品與不合格品的檢測(cè)影像

表1 檢測(cè)工藝標(biāo)準(zhǔn)

7 結(jié)語(yǔ)

該檢測(cè)系統(tǒng)能夠在淺海復(fù)雜的工況條件下，對(duì)鋼管的對(duì)接焊縫進(jìn)行高效率地X射線數(shù)字實(shí)時(shí)成像檢測(cè)，具有自動(dòng)化程度高，節(jié)約時(shí)間及提高工作效率等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，由于裝置采用了計(jì)算機(jī)圖像存儲(chǔ)，節(jié)約了膠片等耗材，可廣泛推廣應(yīng)用于X射線檢測(cè)領(lǐng)域。