数字射线透照技术精确检测材料的缺陷及厚度的装置的制造方法
【专利摘要】数字射线透照技术精确检测材料的缺陷及厚度的装置属于无损检测领域。把带固定斜率的试块，放置于被检测材料上，当由上向下的射线场同时穿过被检工件和带有固定斜率的试块时，由数字射线接收平板接收到衰减后的射线，由数据显示处理单元转换成二维图像；对于平板焊缝检测，带固定斜率的试块放置在被检工件旁边；该试块为截面是直角梯形的试块，其中直角边水平放置和工件在一个水平面上；对于小径管检测，用截面为半圆环形的带斜率试块，该试块轴向方向的截面为半圆环形，周向方向的截面为直角梯形；截面为半圆环形的带斜率试块的内径等于小径管的外径，试块紧密包裹在被检工件外，且放置在焊缝旁边。此装置能精确测量缺陷的高度、焊缝余高等，不会出现误判。
【专利说明】
数字射线透照技术精确检测材料的缺陷及厚度的装置
技术领域
[0001] 本实用新型公开了数字射线透照技术精确检测材料的缺陷及厚度的装置，属于无 损检测领域。
【背景技术】
[0002] 1、工业射线透照技术
[0003] 射线检验属于无损检测的一种，有X射线检验、丫射线检验、高能射线检验和中子 射线检验等方法。对于工业射线检验来说，一般使用的是X射线检验和丫射线检验。其原理 是：当强度均匀的射线束透照射物体时，如果物体局部区域存在缺陷或结构存在差异，它将 改变物体对射线的衰减，使得不同部位透射射线强度不同，运样，采用一定的检测器(例如， 射线照相中采用胶片)检测透射射线强度，就可W判断物体内部的缺陷和物质分布等，从而 完成对被检测对象的检验。
[0004] 随着电子及计算机技术的发展，采用平板探测器(通过转换将穿透的X射线转换成 数字信号传输到电脑显示，省去了 了胶片及洗片的过程)x射线直接成像检测(DR)系统已经 开始广泛应用于工业、安全、研究、医疗等领域。数字式X射线DR技术具有检测速度快、灵敏 度高、分析方法丰富、福射低、无耗材等显著优点。
[0005] 2、工业无损X射线检验的相关标准及试块检测方法介绍
[0006] 2013年6月，国家主席习近平颁布的第四号主席令，《中华人民共和国特种设备安 全法》自2014年1月1日正式实施，特种设备包括锅炉、压力容器、压力管道、电梯、起重机械、 客运索道、大型游乐设施、场（厂）内专用机动车辆等。运些设备一般具有在高压、高溫、高 空、高速条件下运行的特点，易燃、易爆、易发生高空坠落等，对人身和财产安全有较大危险 性。特种设备生产、经营、使用、检验、检测应当遵守有关特种设备安全技术规范及相关标 准。
[0007] 作为五大常规无损检测方法之一的射线检测(radiology),在工业无损检测上有 着非常广泛的应用。航空航天、电力、国防、电力等行业对于检测都有相关的行业检测标准 和规程。《中华人民共和国行业标准JB/4730》和《在用工业管道定期检验规程》，规定了射线 检测的要求、工艺方法、检测质量评定分级、缺陷的定义、测量方法等。摘取如下：
[000引 JB/T 4730《承压设备无损检测》表6
[0009]各级管道所所允许的单个焊接接头中未烙合自身高度的最大者
[0010]
[0013] 从W上标准和条款中分析，对于制造过程和在用检测，对于管道的"未焊透'未烙 合深度都需要精确测定，测定方法按4730标准规定，采用对比试块进行。
[0014] 小径管专用对比试块(I型）的尺寸见下表(单位mm)
[0015]
[0016] 标准还规定，管径大于100mm的一般对比试块采用条形试块，其缺陷尺寸见下表 (摘取JB4730国家标准）。
[0017] 表H.2 -般对比试块(Π 型）的尺寸mm [001 引
[0019] 通过上述的摘取标准内容和论述，我们知道：目前管道焊接缺陷（未焊透、未融合、 咬边等）的评级是通过阶梯试块对比缺陷位置的黑度，再按缺陷的大小除W管道的公称厚 度，进行评级评定的。
[0020] 其他标准，如电力标准《DL/T821-2002》、石油、国军标等均采用类似的定义和测量 方法:采用梯度对比试块进行直接黑度比对。
[0021] 由上面的介绍可W总结:现有的缺陷测深和评级，都是W条状或槽型的阶梯对比 试块的影像黑度和缺陷的影形黑度对比实现的。而运些方法存在的缺点论述如下：
[0022] 1、传统射线照相检测(测量胶片黑度)存在的问题：
[0023] 1)、读数精度误差:胶片的有效黑度范围约为1.5-4.0,人眼的识别能力是0.006- 0.008,约500个级别，黑度计在测量胶片黑度中，标准规定误差级别约为0.05,胶片黑度计 的测量级别为0.05级，每0.05黑度为一个级别，在有效黑度范围，1.5-4.0内，（4.0-1.5)/ 0.05 = 50级，级别较低，现慢精确度受到限制。采用数字射线时黑度(也叫灰度)为14、或16 位，响应的灰度范围16000或65000，精度要高于胶片。
[0024] 2)、测量误差:工件中一般需要测定深度的缺陷是细线型的，其在胶片上显示的特 征是细的黑线，如未焊透，未烙合，咬边等，此类缺陷的宽度一般在0.5MMW下甚至更小，而 槽型对比试块的槽宽度为2MM，对于测量用的黑度计，其打点的针头为毫米级，当用于测定 槽型试块槽的黑度时，能够找准其位置，当测定缺陷处黑度时，往往难W找准其位置，一是 缺陷宽度远小于针头宽度，二是底片在自然光线下是黑色的，人眼不易辨别其缺陷精确位 置，所W测量误差较大。同样，胶片的处理(溫度、药水、显影时间、胶片保持环境等)差异也 会导致测量结果的差异。另外，操作人员的视力影响、技能水平也会影响测量结果。
[0025] 2、对于数字数字射线来说：
[0026] 目前无区别于胶片的专用试块，相关标准规定（JB/4730.11，近期已经改为 NB47013,7月开始宣贯)可W参考如上所述的（胶片)标准执行，但没有具体实施的方法、步 骤、要求。目前标准试块用于数字射线(DR)时，虽然可W去除胶片检测的某些缺点，但数字 射线检测有其区别于常规胶片的特点，而运些独有的特点给判定带来了麻烦。目前的比对 试块还存在如下问题：
[0027] 1 )、之前采用黑度计对比观测，胶片黑度范围一般最大为1.5-4.0.范围小，数字射 线的灰度范围大1.6万或6.5万个灰度级，图像灰度感官上起伏很大。不容易选取基准点进 行比对。见下图1，均匀管壁上选取的一段直线其灰度线(坐标框内的曲线)起伏很大：
[0028] 2)、阶梯试块每个阶梯都是直角，对于感光灵敏度更高(相比胶片高1-2个数量级） 的数字射线来说，散射影响从感官上来讲更大。如图2为数字射线拍摄的带阶梯试块(槽型） 的管道界面显示，其中线性图显示了直角凹槽的边缘部分的图像，见标注画圈的位置，理论 上应该为直角，由于散射的作用其为带有抖动的过渡数值灰度。运种情况在现实检测时会 导致用户无法确认比对的精确位置。
[0029] 3、更重要的一点是，上述的两种方法均存在误判(不准确)的可能性：
[0030] 目前实施的标准和方法，只测量缺陷位置的绝对灰度、再和梯度试块上人工缺陷 的灰度进行对比，W此来判定缺陷的高度是否超过试块上的人工缺陷。但是，此方法没有 充分考虑焊缝余高变化对灰度带来的影响(灰度取决于真实穿透的厚度）。比如GB50235《工 业金属管道施工规范》要求对接焊缝的余高^ 1+0.化(b为焊缝坡口宽度)并且不大于3mm， 所W实际焊接时余高在一定范围内均能够满足施工标准。但现场检测时，高度固定的未融 合缺陷，出现在余高2mm和1mm的余高中时，其最终灰度一定会有差别，和试块对比时可能会 导致评级结果会有所不同。
[0031] 而2015年4月颁布的最新标准NB/T47013(替代JB/4730的最新版本，9月1日实施） 要求考虑余高差异，并根据余高高度(试块的厚度等于余高高度)来制做试块，但仍然采用 阶梯试块灰度对比的方式。可是，实际现场的焊接环境、人员差异等决定了余高的范围很 大，并且同一条焊缝的余高起伏也比较大，试块高度难W确定;比如，焊缝起伏较大时，如何 制作参考试块并没有说明。
【发明内容】
[0032] 本实用新型能够解决上述的所有问题。具体论述如下：
[0033] 基本原理依据：同等透照条件下，射线穿过等厚度的同材质的工件后其灰度相等； 同样，透照条件相同时，相同灰度的位置穿透的材料厚度也相等。
[0034] 1，数字射线透照技术精确检测材料的缺陷及厚度的装置，其特征在于：
[0035] 包括带固定斜率的试块，被检工件，数字射线接收平板和数据显示处理单元；由数 字射线接收平板接收到衰减后的射线，由数据显示处理单元转换成二维图像；
[0036] 带固定斜率的试块放置在被检工件旁边;该试块为截面是直角梯形的试块，其中 直角边水平放置和被检工件在一个水平面上；
[0037] 2,数字射线透照技术精确检测材料的缺陷及厚度的装置，其特征在于：
[0038] 包括带固定斜率的试块，被检工件，数字射线接收平板和数据显示处理单元；由数 字射线接收平板接收到衰减后的射线，由数据显示处理单元转换成二维图像；
[0039] 该试块用截面为半圆环形的带斜率试块，该试块轴向方向的截面为半圆环形，周 向方向的截面为直角梯形;截面为半圆环形的带斜率试块的内径等于小径管的外径，试块 紧密包裹在被检工件外，且放置在焊缝旁边。
[0040] 当平板焊缝检测时，带有固定斜率的试块放置在被检工件旁边;该试块为截面是 直角梯形的试块，其中直角边水平放置和工件在一个水平面上；
[0041] 对于小径管检测，用截面为半圆环形的带斜率试块，该试块轴向方向的截面为半 圆环形，周向方向的截面为直角梯形;截面为半圆环形的带斜率试块的内径等于小径管的 外径，试块紧密包裹在被检工件外，且放置在焊缝旁边；
[0042] 平板对接焊缝（图3中黑色被检工件）中间有气孔(余高内部白色区域），右侧与之 紧贴放置放置的是带斜率的试块（白色部分），当由上向下的射线场穿过被检工件和带有固 定斜率的试块时，由数字射线接收平板接收到衰减后的射线，由数据显示处理单元（电脑） 转换成二维图像。
[0043] 具体实现的方法是:把已知带固定斜率的试块(斜面的长度和高度固定)放置于被 检测材料上，使用数字射线DR进行检测，利用图像可实现数字化处理的特点，可W通过同灰 度查询，找到和缺陷位置灰度相等斜率试块的位置，从而根据试块的斜率计算出该点的厚 度。W平板焊缝检测为例，W图3示意：
[0044] 平板对接焊缝（图3中黑色被检工件）中间有气孔(余高内部白色区域），右侧与之 紧贴放置放置的是带斜率的试块，该试块为截面是直角梯形的试块，其中直角边水平放置 和工件在一个水平面上（白色部分），当由上向下的射线场穿过被检工件和带有固定斜率的 试块时，由数字射线接收平板接收到衰减后的射线，由数据显示处理单元（电脑)转换成二 维图像。
[0045] 在生产的二维图像上，贯穿斜率试块和缺陷位置划过一条直线时，计算机会显示 出运条线的灰度变化图，见下图4示意。焊缝余高位置(射线能量损失较大)灰度最小，穿过 缺陷位置时（能量损失较小）灰度最大，穿透斜率试块部分的X射线能量损失随着厚度的变 化而变化，所W灰度近似是一条斜线。
[0046] 图4中，由于L是试块的投影长度(实际试块的长度为L0,见图5)。通过计算机找到 斜率试块上和焊缝余高处(灰度最小)灰度相等的位置(虚线所示），通过其在长度坐标的 投影计算出L1的长度。同样，找到斜率试块上和焊缝缺陷(灰度最大)灰度相等的位置，通过 投影计算出L2的长度。
[0047] 试块的物理参数是已知的，参照试块侧视截面图：
[004引 L0:试块的长度，已知量
[00例 L1、L2:计算机已测出
[0050] Η:试块的（带斜率部分)高度，已知量
[0051] 所W，焊缝余高位置灰度的相对高度化通过公式可W计算：
[0052] 化二化/L0)*L1*(L0/L)得出焊缝余高的高度(相对高度，仅对应斜率部分）
[0053] (注:此数值+斜率试块的最小高度+管道的公称壁厚=余高位置的总厚度）
[0054] 同样的方法可W计算焊缝缺陷处灰度的相对高度肥：
[0055] 肥二化/LO) *L2* (LO/L)(相对高度，仅对应斜率部分）
[0056] 两者相减得到缺陷位置的高度:缺陷高度=化-肥。
[0057] 此方法能精确测量缺陷的高度，还可W测量焊缝余高、工件的减薄(试块厚度范围 适合即可)等，试块的形状不同时，还可W测量管状、板状等被检物体材料厚度和焊缝位置 的厚度W及缺陷高度。
[005引总结操作工作流程如图6所示。
[0059] 对于小径管，用截面为半圆环形的带斜率试块。具体做法可W是空屯、圆台，空屯、的 形状为圆柱，然后沿着轴线切开成相同的两半，在轴向方向上的截面为直角梯形。
[0060] 具体原理是：当射线机发射的X射线穿透小径管时，不同位置的X射线实际穿透的 材料厚度是不相同的，见图9示意，A、B、C点穿透材料的厚度相差很大（中间射线穿透厚度最 小，两边变大;直径较大的管道则差异很小，管径越大差异越小）。假如，试块做成条形并放 置于管道中间（B点对应的管道位置)进行透照而测量的是管道边缘位置时，则由于管道中 屯、线两侧的射线穿透的实际厚度逐渐变大(见图9，A和C的穿透厚度大于B)，则会引起灰度 逐渐变小;存在运样的灰度变化时，就无法用B点位置的斜率试块测量A和C点的厚度和缺 陷高度。
[0061] 如果试块做成截面为半圆环形紧密包裹在被检工件外及焊缝旁边(焊缝右边，见 图10)，则可W保证整个焊缝范围（投影)的测量位置沿y轴方向均有与管道轴向平行的试块 斜率灰度进行对比，避免了厚度变化引起的灰度误差。
[0062] 当射线从图片中的上方向下照射时，数字射线平板接收器生成二维图像。在图像 上，贯穿斜率试块和缺陷位置平行管道轴向方向划一条直线时，计算机会显示出运条线的 灰度连续变化曲线，见下图示意（该图和之前的平板焊接检测图片完全一样）；由于试块为 截面为半圆环形，所W该灰度曲线避免了（同步补偿了）射线穿透小径管时的管道中屯、和边 缘厚度差异较大带来的影响。接下来的检测步骤和计算方法和之前论述的完全相同。
[0063] 本实用新型的技术关键点和欲保护点是什么
[0064] 1、采用带固定斜率试块用于数字射线DR检测技术(不含CT)对厚度检测使用的保 护，包括管道、平板、焊缝厚度检测和材料内部缺陷高度检测在内的无损伤检测。
[0065] 2、应用同等透照条件下，灰度相同的点的厚度相等的原理，通过固定斜率试块计 算材料相对厚度、缺陷高度的方法。
【附图说明】
[0066] 图1是均匀管壁上选取的一段直线其灰度线。
[0067] 图2是为数字射线拍摄的带阶梯试块(槽型）的管道界面显示。
[0068] 图3是本实用新型装置示意图。
[0069] 图4是计算机成像后从左到右方向灰度及检测示意图。
[0070] 图5是参照试块截面图。
[0071] 图6是工作流程图。
[0072] 图7是试块侧视图截面图。
[0073] 图8是试块立体图。
[0074] 图9是小管径射线穿透示意图。
[0075] 图10试块布置图。
[0076] 图11试块示意图。
[0077] 图12灰度及检测示意图。
【具体实施方式】
[007引时间：2015年7月15日
[0079] 工件情况:钢板+带斜率试块+梯度阶梯试块
[0080] 检测目的:验证使用带固定斜率试块测量带有(钢板)本底的梯度试块两个缺陷的 深度差(模拟焊缝内部的缺陷高度）
[0081] 使用的设备介绍：
[0082] 设备:采用美国瓦里安2520平板探测器
[0083] 采用比利时ICM公司CP160射线机
[0084] 工件及试块描述：
[0085] l、7mm厚钢板，做为本底(模拟管道或平板的厚度）。
[00化]2、3.5mm厚带有5个阶梯槽试块(见上面表Η. 2Π 型对比试块，深度分别为0.5、1.0、 1.5、2.0、2.5 )，我们仅使用第一个缺陷(深度0.5mm，试块实际剩余厚度3mm)、和第二个缺陷 (深度1mm，试块实际剩余厚度2.5mm)的深度差来模拟焊缝余高中的缺陷高度。
[0087] 3、厚度2-3.5mm固定斜率试块、有效长度11.5mm，如图7所示：
[0088] 注:试块制造的考虑：
[0089] A、带固定斜率:本实验为，1.5:11.5
[0090] B、与被检材料同材质、同条件，（同材质钢）
[0091] C、保证被测位置的灰度能够在斜率试块灰度范围内找到相等的点。
[0092] 检测方法：
[0093] 在7mm钢板表面用塑料胶带把带斜率的试块和带阶梯槽的试块牢固粘贴。使用电 压120KV、电流0.3mA、透照时间1秒、采用10帖图像叠加的方式，获取图像、经处理如下：
[0094] 计算过程：
[00巧]通过之前的说明可W得到，斜率试块的高度H = 3.5-2 = 1.5mm，长度L0 = 11.5;长 度投影长度L=11.51;
[0096] 找到缺陷1的位置的灰度对应的HI位置，经公式测量HI = ( 1.5/11.5)*7.84* (11.5/11.51 ) = 1.02(四舍五入)mm;
[0097] 同样办法找到缺陷2的位置灰度对应的Η 2位置，经公式测量Η 2 =( 1.5 /11.5) * 4.26*( 11.5/11.51)=0.56mm(四舍五入）；
[009引缺陷1和缺陷2的差值为:H1 -肥=1.02mm-0.56mm = 0.46mm
[0099] 由于阶梯试块(按照国家标准制作并有计量证书）的每个槽的梯度是0.5毫米（已 知），所W本次试验误差为：
[0100] (0.5-0.46)/0.5 = 0.08
[0101] 本实用新型效果
[0102] 1、能够较精确的测量任意位置的相对厚度、缺陷位置的厚度，相减后得到缺陷的 精确高度。
[0103] 2、由于本方法是采用比较测量绝对值的方法，所w本方法适用于异型结构的检 巧。。比如飞机叶片，由于结构复杂，其制造过程中出现的微小气孔使用之前的方法不太容易 进行检测(厚度差异大、形状复杂、缺陷又很小，导致试块不易制造），如果采用本方法，仅考 虑叶片的总穿透厚度和缺陷定义即可制作试块，测量缺陷高度的问题则可W解决。
[0104] 3、除了条状试块(本次试验用)外，该试块可W做成半环形用于检测小径管的焊缝 余高厚度和余高内的缺陷高度。JB4730.2标准(射线检测)规定，管外径等于小于100mm的管 道为小径管，小径管的阶梯对比试块需要采用半圆形试块进行检测(见前面小径管I型对比 试块要求）；本次发明方法同样适用于该原则。采用半圆形(带斜率)试块原因是：当射线机 发射的X射线穿透小径管时，不同位置的X射线实际穿透的材料厚度是不相同的，见下图示 意，A、B、C点穿透材料的厚度相差很大（中间射线穿透厚度最小，两边变大;直径较大的管道 则差异很小，管径越大差异越小）。假如，试块做成条形并放置于管道中间（B点对应的管道 位置)进行透照而测量的是管道边缘位置时，则由于管道中屯、线两侧的射线穿透的实际厚 度逐渐变大(见图9，A和C的穿透厚度大于B)，则会引起灰度逐渐变小;存在运样的灰度变化 时，就无法用B点位置的斜率试块测量A和C点的厚度和缺陷高度。
[0105] 如果试块做成半圆形紧密包裹在被检工件焊缝旁边(焊缝右边，见下图），则可W 保证整个焊缝范围（投影)的测量位置沿y轴方向均有与管道轴向平行的试块斜率灰度进行 对比，避免了厚度变化引起的灰度误差。
[0106] 当射线从图片中的上方向下照射时，数字射线平板接收器生成二维图像。在图像 上，贯穿斜率试块和缺陷位置平行管道轴向方向划一条直线时，计算机会显示出运条线的 灰度连续变化曲线，见下图示意（该图和之前的平板焊接检测图片完全一样）；由于试块为 截面为半圆形，所W该灰度曲线避免了（同步补偿了）射线穿透小径管时的管道中屯、和边缘 厚度差异较大带来的影响。接下来的检测步骤和计算方法和之前论述的完全相同。
[0107] 4、对于包裹层内部材料的检测，可W拆除一次包裹层放置试块拍摄，然后用相同 的条件拍摄同条件的包裹层。再把试块图像剪切到实际应检测的图像的响应的缺陷位置， 再使用与上面相同论述的方法进行测量。
[0108] 通过W上的论述、实验得出结论：
[0109] 本实用新型采用无梯度固定斜率(斜率及厚度可根据检测需求制作）、充分利用数 字射线DR的数字化特点，运用对灰度比方法测量材料厚度、缺陷高度绝对值。其优势总结如 下：
[0110] 该方法降低了之前所述检测方式、测量精度带来的误差。
[0111] 避免了现场条件的影响(如，焊缝余高不平整）。
[0112] 减少现场试块的数量(一个试块可W替代多种规格的厚度试块）。
[0113] 测量结果更加准确，避免了误判带来的安全隐患。
[0114] 大大提高了检测效率，举例如下:根据2015年4月最新颁布的NB47013检测标准，现 场管道焊缝检查时，试块的厚度要和焊缝的余高相等;但现场的焊缝的余高与个人焊接习 惯、焊缝环境等存在较大差异。运样的话，每个焊缝的余高均需要测量实际高度，并且制造 相应厚度的试块;如果采用一定的范围的斜率试块，则可W省去运些步骤。
[0115] 该方法能够快速、可行的精确测缺陷高度、材料厚度，解决了使用传统方法和比试 块检测的诸多问题是一种创新的、可行射线检测方法。
[0116] 1、带斜率的试块根据检测形可分为平板类检测条形试块、小管道类半圆形试块 (大管径用平板试块）、异性结构试块(特殊形状、条件时需要模拟缺陷位置的透照条件），根 据检测要求可分为焊缝余高位置检测、母材厚度检测(腐蚀变薄、内部气孔等）。使用该方法 能够较精确的测量任意位置的厚度、缺陷位置的厚度，相减后得到缺陷的高度，解决了 W前 不容易解决的异形结构(不宜做试块、测量精度差）问题，如飞机叶片内部小气孔等。
[0117] 2、该方法充分利用计算机技术，对于包裹层内部材料(如氨制冷管道）的检测，可 W拆除一次包裹层放置试块拍摄，然后用相同的条件拍摄同条件的包裹层。再把试块图像 剪切到实际应检测的图像的响应的缺陷位置，再使用与上面相同论述的方法进行测量。
【主权项】
1. 数字射线透照技术精确检测材料的缺陷及厚度的装置，其特征在于： 包括带固定斜率的试块，被检工件，数字射线接收平板和数据显示处理单元；由数字射 线接收平板接收到衰减后的射线，由数据显示处理单元转换成二维图像； 带固定斜率的试块放置在被检工件旁边;该试块为截面是直角梯形的试块，其中直角 边水平放置和被检工件在一个水平面上。2. 数字射线透照技术精确检测材料的缺陷及厚度的装置，其特征在于： 包括带固定斜率的试块，被检工件，数字射线接收平板和数据显示处理单元；由数字射 线接收平板接收到衰减后的射线，由数据显示处理单元转换成二维图像； 该试块用截面为半圆环形的带斜率试块，该试块轴向方向的截面为半圆环形，周向方 向的截面为直角梯形;截面为半圆环形的带斜率试块的内径等于小径管的外径，试块紧密 包裹在被检工件外，且放置在焊缝旁边。
【文档编号】G01B15/02GK205449833SQ201520573137
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年8月3日
【发明人】赵建江
【申请人】赵建江