谷明亮，劉艷萍，竇云朋，李俊林

（內(nèi)蒙古京能康巴什熱電有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

在火電廠中，電能需要利用鍋爐機(jī)組中的煤炭燃燒進(jìn)行燃料化學(xué)和蒸汽熱能之間的轉(zhuǎn)化，鍋爐機(jī)組是發(fā)電過(guò)程最為基礎(chǔ)的能源來(lái)源設(shè)備，同時(shí)也是最容易產(chǎn)生故障的設(shè)備，在火電廠機(jī)組中很多危險(xiǎn)故障都是由鍋爐故障導(dǎo)致的，比較常見的原因是鍋爐機(jī)組中的受熱管路失效，如水冷壁管和煤氣管等，這些管道的失效是導(dǎo)致火電廠鍋爐非計(jì)劃性停機(jī)的主要原因[1]。因此，對(duì)火電廠鍋爐管道金屬內(nèi)壁缺陷檢測(cè)是維護(hù)火電廠鍋爐正常運(yùn)行的重要保障[2]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)鍋爐管道金屬內(nèi)壁缺陷檢測(cè)方法研究已經(jīng)有了很多相關(guān)技術(shù)的文獻(xiàn)和資料，有比較成熟的檢測(cè)技術(shù)投入到實(shí)際應(yīng)用中，取得了不錯(cuò)的成績(jī)[3]。但是隨著國(guó)內(nèi)用電量的不斷增加，以往使用的檢測(cè)方法受到外界溫度的影響，檢測(cè)數(shù)據(jù)的精度不能滿足實(shí)際需求[4]。因此，提出火電廠鍋爐管道金屬內(nèi)壁缺陷檢測(cè)方法，解決上述傳統(tǒng)檢測(cè)方法中存在的問(wèn)題。

1 火電廠鍋爐管道金屬內(nèi)壁缺陷檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 采集管道金屬內(nèi)壁圖像

采用機(jī)器視覺技術(shù)，結(jié)合移動(dòng)臺(tái)模塊和采像相機(jī)采集鍋爐管道金屬內(nèi)壁圖像，從中提取出鍋爐管道金屬內(nèi)部表面特征，檢測(cè)出內(nèi)壁缺陷并標(biāo)注。

使用移動(dòng)臺(tái)為相機(jī)提供運(yùn)動(dòng)動(dòng)力，確保相機(jī)能夠采集到完整的管道金屬內(nèi)壁圖像，針對(duì)待檢測(cè)的鍋爐管道金屬，采用多相機(jī)分布式采集管道各處的圖像，所用相機(jī)的數(shù)量與管道的長(zhǎng)度成正比，借助外力使管道做旋轉(zhuǎn)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，從而采集到管道金屬內(nèi)壁的圖像。

采集過(guò)程中使用的相機(jī)是采集裝置的輸入，其本質(zhì)是光信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，使用CCD工業(yè)相機(jī)作為采集模塊的核心。在使用中，選用面陣傳感器結(jié)構(gòu)的相機(jī)，通過(guò)光學(xué)接口連接相機(jī)和鏡頭，根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置曝光方式。通過(guò)對(duì)工業(yè)相機(jī)各參數(shù)性能的選擇，結(jié)合實(shí)際檢測(cè)需求，選擇MV-EM510M相機(jī)作為采集管道金屬內(nèi)壁圖像的相機(jī)。光源是決定圖像質(zhì)量的重要因素，對(duì)于火電廠鍋爐管道金屬內(nèi)壁缺陷檢測(cè)的需求，選擇多角度打光模式，突出金屬內(nèi)壁的不平整區(qū)域，根據(jù)反光強(qiáng)度觀察特征，使管道金屬內(nèi)壁缺陷輪廓清晰地展現(xiàn)出來(lái)。在多角度光照下，同色系的光源會(huì)使圖像變亮，反色系的光源會(huì)使圖像變暗，在圖像采集過(guò)程中，選擇互補(bǔ)色光源，最大化觀察內(nèi)壁與背景之間的區(qū)別。選擇的光源確?，F(xiàn)場(chǎng)中的光是均勻的并且稍大于現(xiàn)場(chǎng)的尺寸，確保圖像清晰，圖像表面特征明顯[5]。在圖像采集完成后，提取出管道金屬內(nèi)壁的表面特征，為進(jìn)一步缺陷檢測(cè)做準(zhǔn)備。

1.2 分割缺陷區(qū)域

考慮火電廠鍋爐管道金屬內(nèi)壁檢測(cè)任務(wù)和采集圖像質(zhì)量，提取出待測(cè)區(qū)域。采集的圖像中分為無(wú)光區(qū)和有光區(qū)兩個(gè)部分，無(wú)光區(qū)域圖像特征不明顯，像素值較低；有光區(qū)域圖像特征比較明顯，因此將圖像中有光區(qū)域提取出來(lái)。計(jì)算出管道金屬內(nèi)壁中線，提取中線左右偏移距離內(nèi)的像素作為感興趣區(qū)域，將其展開即為提取的感興趣區(qū)域。

引起火電廠鍋爐管道金屬內(nèi)壁缺陷的因素有很多，比較常見的就是由工作中產(chǎn)生飛灰沖擊和機(jī)械磨損引起的，具體情況如圖1所示。

圖1 管道金屬內(nèi)壁機(jī)械磨損

表1 不同檢測(cè)方法的數(shù)據(jù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)鍋爐管道金屬內(nèi)壁實(shí)際缺陷情況，統(tǒng)計(jì)圖像數(shù)據(jù)集中背景區(qū)域，對(duì)其中的平面缺陷區(qū)域和凹坑類區(qū)域進(jìn)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。選擇要分割的圖像中的灰度值，以使圖像前景和背景之間存在較大的類間差異，并且圖像背景與前景和圖像的平均灰度值之間的差為最大。在完成缺陷區(qū)域分割后，檢測(cè)鍋爐管道金屬內(nèi)壁缺陷。

1.3 缺陷特征提取及檢測(cè)

通過(guò)上述過(guò)程中將圖像分割成小的連通域，計(jì)算圖像各處的梯度信息，統(tǒng)計(jì)各個(gè)連通域內(nèi)的各梯度方向的直方圖，將多個(gè)連通域組成更大的塊區(qū)域，提取出塊區(qū)域向量構(gòu)成圖像的特征。

使用Gamma壓縮圖像，實(shí)現(xiàn)圖像的歸一化，減少環(huán)境光對(duì)圖像的干擾。壓縮完成后，計(jì)算歸一化圖像的梯度信息，將圖像分割成個(gè)單元格，每個(gè)單元格包含若干個(gè)像素點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)單元格內(nèi)各像素的梯度方向，取梯度方向0~180。為直方圖的橫坐標(biāo)，進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)各梯度方向的絕對(duì)值，將其作為單元塊的梯度方向直方圖，記為當(dāng)前單元塊的描述子。將個(gè)單元塊記為一個(gè)塊區(qū)域，統(tǒng)計(jì)塊內(nèi)的各單元格的描述子，將其串聯(lián)成當(dāng)前塊的描述子，由全部的塊的描述子組合成圖像的缺陷特征。

將圖像p(x ,y )離散化處理，在處理過(guò)程中，通過(guò)在垂直方向和水平方向上做差分的方式逼近梯度算子，公式為：

計(jì)算圖像中的每個(gè)像素的?p 值實(shí)現(xiàn)缺陷的檢測(cè)，計(jì)算出絕對(duì)值進(jìn)行閾值操作，梯度算子的計(jì)算公式為：

梯度算子由下面兩個(gè)模板組成：

通過(guò)算子對(duì)圖像進(jìn)行濾波，得到圖像的檢測(cè)結(jié)果。至此，火電廠鍋爐管道金屬內(nèi)壁缺陷檢測(cè)完成。

2 火電廠鍋爐管道金屬內(nèi)壁缺陷檢測(cè)方法實(shí)驗(yàn)研究

在火電廠鍋爐管道金屬內(nèi)壁缺陷檢測(cè)方法中，以某火電廠內(nèi)的鍋爐管道為研究對(duì)象，在實(shí)驗(yàn)前對(duì)完整無(wú)缺陷的管道進(jìn)行初始檢測(cè)，將初始檢測(cè)結(jié)果作為參考基礎(chǔ)。在后續(xù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，以同一根相同位置破損情況的管道為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，使用不同的缺陷檢測(cè)方法對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)，得到反映實(shí)際屈服應(yīng)力狀態(tài)的信號(hào)梯度能量，對(duì)梯度數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定和擬合，根據(jù)標(biāo)定結(jié)果和擬合結(jié)果分析檢測(cè)方法的精度。考慮到火電廠鍋爐的工作環(huán)境，外界的溫度變化可能會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，因此，分別在25℃、35℃ 、45℃、55℃和60℃條件下進(jìn)行檢測(cè)，統(tǒng)計(jì)不同檢測(cè)方法的檢測(cè)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖表1所示。

對(duì)比觀察表中不同缺陷方法的標(biāo)志值和擬合值，從中可以看出，隨著外界溫度的增加，各個(gè)檢測(cè)方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都有不同幅度的增加，其中傳統(tǒng)的兩種缺陷檢測(cè)方法標(biāo)定值隨著溫度的增加呈倍數(shù)增加，擬合值雖然沒有標(biāo)定值變化的大，但是變化也比較明顯，相比之下，提出的缺陷檢測(cè)方法在溫度的作用下，標(biāo)定值和擬合值的變化極小，均未超過(guò)1.0。綜上所述，提出的火電廠鍋爐管道金屬內(nèi)壁缺陷檢測(cè)方法標(biāo)定值和擬合值比較低，說(shuō)明檢測(cè)方法的數(shù)據(jù)精度在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，能夠滿足實(shí)際需求，該檢測(cè)方法優(yōu)于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以火電廠鍋爐管道金屬內(nèi)壁為檢測(cè)對(duì)象，深入了解現(xiàn)有檢測(cè)狀況的基礎(chǔ)上，對(duì)鍋爐管道金屬內(nèi)壁缺陷檢測(cè)進(jìn)行了深入研究和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。在檢測(cè)方法設(shè)計(jì)完成后，設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的檢測(cè)方法具有更高的數(shù)據(jù)精度，能夠滿足實(shí)際檢測(cè)需求。但是研究過(guò)程中還存在一些問(wèn)題，如檢測(cè)安全性的問(wèn)題，需要在未來(lái)繼續(xù)研究。