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分享：基于DDA检测技术的带包覆层管道壁厚测定

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浏览：- 发布日期：2025-06-04 16:19:59【大中小】

压力管道是特种设备的重要组成部分，压力管道检验一般包括宏观检验、壁厚测定、焊接接头缺欠检测、耐压试验和泄漏性试验等内容[1]。其中，管道的壁厚状况直接影响着流体的输送效率和管道的使用寿命。因此，准确测定带包覆层管道的壁厚具有重要的现实意义与应用价值。

德国AMI公司基于数字射线软件平台AMICA-401系统，提出了基于垂直管壁面积的残余壁厚和缺陷定量分析软件，进而生成管道系统的数字射线分析测厚技术的集成软件流评价[2]。2012年，PICK等[3]综合分析了切线技术及双壁技术在底片图像处理和灰度研究中的应用。2012年至今，美国材料试验协会制定了一系列关于数字射线成像检测技术的标准。相较于国外，我国在带包覆层压力管道测厚方面的研究起步较晚，最先在核电领域展开。大亚湾核电站的陈均等[4]基于核电机组的真实环境，利用射线检测技术对冲蚀减薄的管壁进行精确检测，并提供了检测及计算的方法。国内DDA对包覆层的检测目的主要是腐蚀检查，且现场辐射防护要求高，实施时较为繁复[5-6]。

传统的壁厚测定方法往往受到测量精度、设备复杂性和环境适应性的限制，特别是对于包覆层管道的检测，更是面临着诸多挑战。近年来，DDA技术作为一种新兴的非破坏性检测方法，在管道壁厚测定方面展示出了显著的优势[7]。文章旨在探讨基于DDA检测技术的带包覆层管道壁厚测定的原理、方法以及实际应用。

1. 管道DDA技术测厚理论分析

X射线检测技术是一种广泛应用于工业领域的无损检测技术[8]，是基于X射线穿透物质时，其强度和特性随物质的密度、厚度以及组成的不同而变化的特性来对工件实施检测的。由射线原理可知，射线通过不同类型的吸收物质的辐射强度I可表示为

I ＝ I_{0} e^{- μ t}

(1)

式中：I0为射线透照前辐射强度；μ为线性衰减系数；t为穿透厚度。

在一定条件下，射线辐射强度会随着透照厚度的变化而变化。因而，用射线底片的灰度值来反映射线方向的透照厚度。

X射线切线技术测厚示意如图1所示，当射线与管内壁和外壁相切时，切点为B点和D点。通过已知参照物和BD区域在接收器上的投影几何关系，可得到管道壁厚值。当管外径R已知时，管外壁为射线参照物。

图 1 X射线切线技术测厚示意

当r<X≤R时，射线截距W为

W ＝ 2 \sqrt{R^{2} - X^{2}}

(2)

当0≤X≤r时，射线截距W为

W ＝ 2 （ \sqrt{R^{2} - X^{2}} - \sqrt{r^{2} - X^{2}} ）

(3)

式中：X为射线距圆心距离；r为管道内半径。

射线截距W与射线距圆心距离X的关系曲线如图2所示，当X取内圆半径r时，射线束与内圆相切，截距W取得最大值Wmax，射线衰减最大，探测器接收到的X射线剂量值最小。

图 2 射线截距与射线距圆心距离的关系曲线

中心法是X射线数字成像应用于管道测厚的一种特殊方法。该方法基于管道的几何中心对称性，利用X射线在管道中传播时，中心位置和边缘位置的射线强度存在差异来实现厚度测量。在测量过程中，首先，将X射线发射器置于管道的外侧，确保其对准管道的几何中心；然后，X射线经过管道材料，最终被位于管道另一侧的探测器接收。探测器会记录不同位置的X射线强度，特别是在中心位置和边缘位置的灰度。通过管道DR图像结果，运用数学模型及图像处理技术，结合X射线衰减规律，可以计算出管道的厚度t，其原理示意如图3所示。（图中：图像宽度为m；a为X射线源到临界切点的距离；b为通过临界切点X射线到探测器的距离；θ为通过临界切点X射线与探测器的夹角。）

图 3 中心法X射线数字成像测厚原理示意

结合图3，通过几何放大原理可知，射线通过管壁得到的图像宽度m与厚度t的关系可表示为

t = m \times \frac{a}{b} \sin θ

(4)

偏心法是X射线数字成像测厚中的另一种方法，主要适用于管道等圆柱形结构的测厚，该方法不要求X射线源位于管道几何中心位置。在偏心法中，X射线源固定在管道的一侧，而探测器则偏离管道的中心线进行设置。在此方式下，X射线穿透管道的路径长度会受到管道厚度变化的影响，从而在探测器上形成不同灰度影像。对这些灰度影像进行解析，可以获得管道的厚度信息，其原理示意如图4所示。

图 4 偏心法X射线数字成像测厚原理示意

结合图4，通过几何放大原理可知，射线通过管壁得到的图像宽度m与管道厚度t的关系为

\begin{array}{l} t ＝ m \times \frac{a}{b} \sin θ ＝ \\ \frac{m （ \sin θ ）^{2} \times (\frac{h}{\sin θ} + \frac{D}{2}) \tan θ}{H} \end{array}

(5)

a ＝ (\frac{h}{\sin θ} + \frac{D}{2}) \tan θ

(6)

b ＝ H / \sin θ

(7)

式中：D为管道外径；H为X射线源到探测器的距离。

2. 带包覆层管道的DDA图像采集

文章选用NOVO DR检测系统进行试验，该系统由X射线机、平板探测器、数据采集系统组成。射线机选用XRS-4型X射线机，DR检测系统选用NOVO-15WN型平板探测器，像素尺寸为0.148 μm，成像面积为284 mm×231 mm。仪器实物如图5所示。

图 5 包覆层管道X射线数字成像检测系统实物

对尺寸（直径×壁厚）为?133 mm×11.2 mm的管道进行射线检测，管电压为150 kV，管电流为4 mA，曝光时间为0.5 s，焦距为700 mm，管道垂直射线机中心放置，检测结果如图6所示。

图 6 包覆层管道DDA检测结果

3. 管道DDA图像的分析与处理

对图像横向方向（垂直管径）进行线灰度值测定，结果如图7所示。测得管道DR图像横向灰度值的线分布如图8所示(灰度无量纲，下同)，可知沿管径截面方向灰度值存在极小值，在管内壁位置的灰度值先减小后增大，在射线穿透厚度最大位置处射线衰减最严重，该位置的灰度值最小。当射线束靠近管外径时，穿透厚度逐渐变小，在外径位置射线束穿透厚度为零时，DR图像灰度显示为最大值。对图像横向方向进行面灰度值测定，可知灰度沿横向截面方向存在极小值、极大值。

图 7 管道DDA图像横向灰度测定结果

图 8 管道DR图像横向灰度值的线分布

文章结合X射线数字成像的特点，采用了一阶导数法进行图像边界的提取。对于给定的图像矩阵I，横向一阶导数可以通过简单的前向或后向差分来计算。具体公式为

G_{x} (i ， j) = I (i ， j + 1) - I (i ， j)

(8)

式中：Gx(i,j)为图像在点(i,j)处的横向梯度。

这种一阶差分方法计算简单，但在面对噪声或图像细节时可能不够稳定。其次，Prewitt算子是一种改进的差分方法，利用3×3的卷积核来进行导数计算，得到管道DDA图像横向灰度线一阶导数的分布情况（见图9）。由图9可知，沿管径方向灰度值一阶导数在管内壁位置存在最小值，在管外壁位置灰度发生突变，得到最大值。