Online monitoring system for pipeline wall thickness based on ultrasonic testing
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摘要:
以超声检测技术为基础的油气管道壁厚在线监测技术,对降低人力监测成本,提高油气管道减薄及失效的早期预警能力有重要意义。基于超声反射法设计了一套具有多通道的高精度超声管道壁厚在线监测系统,并在不同的试验温度下进行多壁厚在线监测试验,最后对结果进行分析校正,得到修正方程和修正模型。试验结果表明,采用所提数据拟合修正方法,管道壁厚超声检测的绝对误差在±0.04 mm内,相对误差在1%内,实现了油气管道壁厚的高精度监测。
Abstract:The online monitoring technology of oil and gas pipeline wall thickness based on ultrasonic testing technology is of great significance in reducing human monitoring costs and improving the early warning ability of oil and gas pipeline thinning and failure. A high-precision ultrasonic pipeline wall thickness online monitoring system with multiple channels was designed based on the ultrasonic reflection method. Multiple wall thickness online monitoring experiments were conducted at different test temperatures, and the results were analyzed and corrected to obtain the correction equation and model. The experimental results showed that the proposed data fitting correction scheme achieved an absolute error of ±0.04 mm and a relative error of 1% for ultrasonic thickness measurement of pipeline wall thickness, achieving high-precision monitoring of oil and gas pipeline wall thickness.
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数字射线检测技术（DDA）因成像速度快,信噪比与灵敏度高,图片存储及调用容易等优点,近十几年来广泛应用于工业射线检测领域。随着DDA技术的推广,人们对该技术的成像质量有了更高的要求,在有关标准中也对平板探测器的性能指标和长期稳定性提出了要求,在NB/T 47013.11—2015 《承压设备无损检测 第11部分：X射线数字成像检测》 中对系统各项性能指标作出了规定,以此保证整个检测系统的性能,获得达到标准的图像质量。
评价数字射线检测图像质量的3个基本指标是灵敏度、分辨率和信噪比,此3个指标存在一定的关系[1]：分辨率满足要求的前提是灵敏度达到一定值；灵敏度满足要求的前提是信噪比达到一定值。射线数字成像中的信噪比是指图像选定区域(无缺陷处)的灰度平均值与灰度标准差之比,信噪比高的系统,缺陷检测的灵敏度会提高,信噪比低的系统,即使透照参数达到最优,其缺陷检测的灵敏度也无法与信噪比高的系统相比。因此,信噪比是保证图像质量和体现检测系统性能的关键指标。
文章通过试验,找出检测工艺参数对图像信噪比的影响及规律,为数字射线检测工艺参数的制定提供参考。
1. 试验工件
试验工件为含裂纹缺陷的SUS304不锈钢对接焊板,尺寸（长×宽×高）均为200 mm×200 mm×10 mm。
2. DDA系统及其组成
DDA成像检测系统主要由射线机、射线接收转换装置（探测器）、计算机系统（图像采集与处理软件、图像显示单元以及图像存储单元）、机械固定（定位）装置等组成,其实物如图1所示。
试验DDA系统采用的射线机型号为GULMAY CF320,其最高管电压为320 kV,焦点尺寸有1.0,0.4 mm,测试时选取1.0 mm；平板探测器型号为XRD 0822 AP14,其中闪烁体材料为GOS,单元尺寸(边长)为200 μm×200 μm,成像矩阵为1 024×1 024,A/D转换位数为16位。
3. 试验及结果分析
3.1 管电流对信噪比的影响
对厚度为10 mm的不锈钢对接焊板进行DDA透照试验,改变透照的管电流,依次调节管电流为 1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0 mA,保持其他透照参数不变,其中,管电压设为200 kV,积分次数为15,增益参数为1,单帧曝光时间为200 ms,焦距为760 mm。
测得的数据如表1所示,依据表1,绘制实际管电流与平均信噪比的变化曲线如图2所示。
Table 1. 10 mm厚不锈钢对接焊板的管电流透照试验数据积分次数 增益参数 管电压/kV 单帧曝光时间 /ms 管电流/mA 测量信噪比1 测量信噪比2 测量信噪比3 测量信噪比4 平均信噪比 15 1 200 200 1.0 247.3 229.5 259.0 236.9 243.1 15 1 200 200 1.5 279.1 236.9 306.6 245.2 266.9 15 1 200 200 2.0 294.0 254.7 329.5 267.3 286.3 15 1 200 200 2.5 318.0 271.7 334.4 296.9 305.2 15 1 200 200 3.0 314.1 278.5 383.0 300.3 318.9 15 1 200 200 3.5 339.8 265.9 393.3 312.2 327.8 15 1 200 200 4.0 345.7 278.8 392.8 324.9 335.5 15 1 200 200 4.5 343.8 273.6 404.3 306.4 332.0 15 1 200 200 5.0 345.1 277.0 400.9 318.4 335.3 由图2可知,DDA图像的信噪比随管电流的增大而增大,即随曝光量的增加而增大。这是由于曝光量增加,到达探测器每一成像单元的X射线光子数也大大增加,像素单元中光电二极管（或电极）向电荷存储电容输送的电荷也越多[2],灰度值将增加,在提高信号强度的同时抑制了影响数字图像质量的电子噪声,因此在一定范围内电流与图像信噪比呈正相关,在电流较大时,图像的灰度值接近饱和,此时信噪比趋于稳定。
3.2 管电压对信噪比的影响
对厚度为10 mm的不锈钢对接焊板进行透照试验,改变透照的管电压,依次调节管电压为150,160,170,180,190,200,210,220 kV,保持其他透照参数不变,其中,管电流设为5 mA,积分次数为15,增益参数为1,单帧曝光时间为200 ms,焦距为760 mm。测得的数据如表2所示,依据表2,绘制实际电压改变与平均性噪比的变化曲线如图3所示。
Table 2. 10 mm厚不锈钢对接焊板的管电压透照试验数据积分次数 增益参数 管电压/kV 单帧曝光时间 /ms 管电流/mA 测量信噪比1 测量信噪比2 测量信噪比3 测量信噪比4 平均信噪比 15 1 150 200 5 275.7 293.8 154.1 248.2 242.9 15 1 160 200 5 279.5 333.4 170.4 270.0 263.3 15 1 170 200 5 290.2 367.0 181.5 290.2 282.2 15 1 180 200 5 306.6 372.8 197.5 315.7 298.1 15 1 190 200 5 327.1 410.2 204.2 320.6 315.5 15 1 200 200 5 367.6 430.2 210.4 352.4 340.1 15 1 210 200 5 370.6 444.4 215.6 365.0 348.9 15 1 220 200 5 395.0 443.5 224.7 373.5 359.1 由图3可知,管电压增加,图像的信噪比在一定范围内增加,相比于射线能量提高导致的图像对比度降低(线衰减系数μ减小),更高能量的光子提高了穿过工件后的射线强度,从而增加了图像的信噪比。因此DDA技术中,适当提高管电压,可以提高信噪比。
3.3 单帧曝光时间对信噪比的影响
对厚度为10 mm 的不锈钢对接焊板进行透照试验,改变透照的单帧曝光时间,依次调节单帧曝光时间为 40,50,100,200 ms,保持其他透照参数不变,其中,管电压为220 kV,管电流设为5 mA,积分次数为15,增益参数为1,焦距为760 mm。测得的数据如表3所示,依据表3,绘制实际单帧曝光时间与平均性噪比的变化曲线如图4所示。
Table 3. 10 mm厚不锈钢对接焊板的单帧曝光时间透照试验数据积分次数 增益参数 管电压/kV 单帧曝光时间/ms 管电流/mA 测量信噪比1 测量信噪比2 测量信噪比3 测量信噪比4 平均信噪比 15 1 220 40 5 255.3 277.0 202.4 300.2 258.7 15 1 220 50 5 254.5 294.0 214.3 330.7 273.3 15 1 220 100 5 323.6 374.0 268.9 418.4 346.2 15 1 220 200 5 402.2 490.8 293.5 488.5 418.7 图像传感器的曝光时间实际上就是像元中光电二极管(或电极)持续向电荷存储电容充电的时间。曝光时间越长,电容存储电荷越多,图像灰度越高,但过度曝光会使电荷溢出[3]；反之,曝光时间越短,电容存储电荷越少,图像灰度越低。因此,增加单帧曝光时间与提高管电流都会增加曝光量,提高图像信噪比。
3.4 积分次数对信噪比的影响
对厚度为10 mm 的不锈钢对接焊板进行透照试验,改变透照的积分次数,依次调节积分次数为5,10,15,20,30,40,保持其他透照参数不变,其中,管电压设为230 kV,管电流为5 mA,增益参数为1,焦距为760 mm。测得的数据如表4所示,依据表4,绘制实际积分次数与平均性噪比的变化曲线如图5所示。
Table 4. 10 mm厚不锈钢对接焊板的积分次数透照试验数据积分次数 增益参数 管电压/kV 单帧曝光时间 /ms 管电流/mA 测量信噪比1 测量信噪比2 测量信噪比3 测量信噪比4 平均信噪比 5 1 230 200 5 280.2 188.6 290.3 280.9 260.0 10 1 230 200 5 339.5 202.0 327.7 343.4 303.1 15 1 230 200 5 353.5 212.3 341.1 372.2 319.7 20 1 230 200 5 365.2 208.4 358.9 374.9 326.8 30 1 230 200 5 367.7 214.3 363.3 391.6 334.2 40 1 230 200 5 376.9 216.9 373.9 411.9 344.9 积分次数即是对同一检测对象不同时刻的图像进行采样叠加。在检测过程中,大量光子照射在DDA探测器上被转换层吸收和转换,最后采集得到数字图像。由于光子照射是随机的,探测器的转换层吸收也是随机的,因此叠加平均可以降低随机噪声的幅度,以达到提高信噪比的目的。由图5可见,N帧图像叠加后得到的图像信噪比符合提高了N倍的规律,并且随着叠加图像帧数的增多,信噪比也随之提高。
3.5 增益参数对信噪比的影响
对厚度为10 mm的不锈钢对接焊板进行透照试验,改变透照的增益参数,依次调节增益参数为0.25,0.5,1,2,保持其他透照参数不变,其中,管电压设为150 kV,管电流为5 mA,单帧曝光时间为200 ms,焦距为760 mm。测得的数据如表5所示,依据表5,绘制实际增益与平均信噪比的变化曲线如图6所示。
Table 5. 10 mm厚不锈钢对接焊板的增益透照试验数据积分次数 增益参数 管电压/kV 单帧曝光时间/ms 管电流/mA 测量信噪比1 测量信噪比2 测量信噪比3 平均信噪比 15 0.25 150 200 5 286.1 241.3 234.7 190.5 15 0.5 150 200 5 272.5 239.2 240.2 187.9 15 1 150 200 5 276.5 241.7 231.3 187.3 15 2 150 200 5 271.3 223.3 241.4 184.0 增益参数是系统输入信号与输出信号之比,其作用是将输入的信号进行线性放大,输入信号包含图像信号及噪声,因此,增益对图像信号及噪声同时进行放大。如图6可知,随着增益参数的增大,信噪比有小幅降低的趋势。其原因为：当通过提高增益参数来使图像灰度值达到某一特定数值时,所需要的曝光量或管电压相对较小,这必然引起信噪比降低；另外,信号与噪声经过同样的放大倍数,信噪比公式中,作为信号的灰度平均值（分子）基本不变,而作为噪声的灰度值均方根（分母）实际上有所放大,也在一定程度上降低了信噪比。
4. 结论
（1）在其他参数保持不变的情况下,管电流的增大与单帧曝光时间的增加即为曝光量的增加,DDA图像在一定范围内的信噪比随曝光量的增加而增大,当曝光量达到饱和时,信噪比几乎不再变化。
（2）在一定的范围内,射线信噪比随着管电压的增大而增大,几乎呈线性关系。
（3）积分次数通过对采集到的图像进行叠加降噪,与信噪比大致呈
的关系。
（4）增益增大会使信噪比小幅降低。
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