面阵列探测器成像检验的基本方法

面阵列探测器成像检验系统，在金属板材和管材的熔化焊焊接接头质量检测方面使用较多，特别是在压力管道、锅炉、压力容器的筒体焊接纵缝、环缝质量检测更适用此种方法。

1.成像系统组成

系统主要由射线机系统、机械工装系统、面阵列探测器、电器控制系统、现场监视系统、图像处理系统和操作控制中心组成。在野外射线成像还有采集控制系统、远端控制计算机系统等。

（1）射线机系统

根据被检工件的质量要求、透照厚度、检验场地，射线能量、焦点尺寸和成像器类型等可选X射线机、γ射线机、加速器。

1）X射线机采用恒压（直流）式双焦点X射线机，可连续工作，保证检验效率；

2）冷却系统，用水冷却或油冷却靶面并进行温度监控及保护控制。

（2）系统软件

1）系统软件应完成图像采集、图像处理、缺陷几何尺寸测量、缺陷标注、图像存储、辅助评定和检测报告打印功能，保证检测的准确性和安全性；

2）图像处理包含叠加降噪和对比度增强等基本数字图像处理功能；

3）具有缺陷标记、尺寸测量和尺寸标定功能；

4）具备采集图像的相关信息的游览和查找功能，并能根据评定结果生成检测报告；

5）存储原始图像、观察、评定时允许相关处理；

6）双丝像质计软件评定功能；

7）原始图像检测参数记录功能。

（3）机械工装系统

根据被检部件的外形尺寸、重量、成像厚度、面阵列探测器类型，选择检测工装的承载能力和机械自由度，保证运转精度和稳定性，并与探测器的数据采集同步。有关成像夹持、固定工具可参照图3-21或自制专用工具。

（4）电气控制系统

由计算机系统、可编程序控制器、伺服电动机等构成数控设备。

（5）现场监视系统

采用彩色图像信号输入，监视成像室内成像部位、运动状态及安全情况。

（6）图像处理和操作控制中心

整个成像检测系统的控制中心。完成数字图像扫描采集、动态降噪、实时显示、动态存储和机械装置自动控制等任务。为人工评定焊缝质量提供工具：尺寸测量、亮度/对比度调节和图像变换等。检测图像刻录光盘存储。

对于野外射线成像，面阵列探测器盒、采集控制系统、远端控制计算机安装和连接等，按使用程序进行。

2.成像准备

1）用附录A程序测试系统空间分辨率，计算出系统固有不清晰度；

2）查看被检件图样、技术条件；

3）选用所需像质计，用于工件编号、定位、标记的铅字；

4）监测作业人员应佩戴个人剂量计，并携带剂量报警仪；

5）从事射线数字成像检测人员，上岗前应进行辐射安全知识培训，并取得《放射工作人员证》。

6）人员资格：按本标准进行射线数字成像检测人员，应按相关标准进行相应工业门类及级别的培训、考核，并持有相应考核机构颁发的资格证书。

7）表面准备和成像时机：在成像检测前，对被检部件表面应经外观检查并合格。工件表面不规则状态或覆层可能给辨认缺陷图像造成困难时，应对工件表面进行适当的处理。

除非另有规定外，射线成像应在焊后进行。对有延迟裂纹倾向的材料，至少应在焊接完成24h以后进行射线成像检测。

8）射线成像检测技术等级选择：射线成像检测技术等级选择应符合制造、安装、在用等有关标准及设计图样的规定。承压设备对接焊接接头制造的射线成像检测，一般采用AB级技术进行成像检测。对重要设备、结构、特殊材料和特殊焊接工艺制作的对接焊接接头，可采用B级技术进行检测，其他可用A级技术检测。

3.数字成像检测程序

（1）成像检测透照方式（布置）

对接焊缝射线成像常用的成像布置约有十几种，这些成像方式分别适用不同场合，一般根据被检工件结构特点和技术条件要求选择适宜的成像方式。首先应选择单壁成像方式，在单壁成像不能实施时才允许采用双壁成像方式。

1）射线成像透照布置，相关标准中有具体规定。现以参考文献[28]中规定为例，说明对部件成像透照方式选取的一般原则，见附录B.1～B.7的规定。

对外径D_e大于100mm，公称厚度t大于8mm和焊缝宽度大于D_e/4的管对接焊缝时，不适用于图B-10所示的椭圆透照法（双壁双像）。当外径D_e小于等于100mm，公称厚度t小于等于8mm的管对接焊缝，若t/D_e小于图B-10所示，可采用椭圆透照，相隔90°透照二次，其椭圆图像最大间距约为一个焊缝宽度；若t/D_e大于等于图B-10或需要检测根部平面型缺陷及采用椭圆法有困难时，可按附录B中B.5，用图B-10作垂直透照，相隔120°或60°透照三次。

采用图B-10、图B-12和图B-15成像布置，射线入射角度应尽可能的小一些，但要防止两侧焊缝影像重叠。在满足射线源至工件距离的前提下，采用双壁单影时，射线源-工件距离f应尽可能小一些。像质计放在探测器侧时，应紧贴像质计放置铅质识别标记“F”，并在成像报告中注明。

由于工件几何形状或材料厚度等原因，经过合同双方商定，也可以采用其他的数字射线透照技术（如B.1.9实例）（见图B-18）。

对接环焊缝进行100%数字射线成像时，所需最少曝光次数应符合附录C的规定。成像板应靠近工件放置。

如果易弯曲和硬性暗盒或平面阵列不适用，可使用数字探测器平面阵列，如图B-1b、图B-7b和图B-13b所示，探测器距离从壁厚的上面记起，厚度t和距探测器最大距离b与焦距大小，用式（5-2）～式（5-4）计算。

射线源到工件最小距离f_min，可按图5-11的诺模图确定。

图5-11 确定焦距最小距离的诺模图

从图上确定焦距最小值方法如下：

a）在d和b线上分别找到使用射线源的有效焦点尺寸d和被检工件表面到探测器的距离b对应点；

b）用直尺连接这两个点，直线与f线相交的点对应值，即为所确定的A级AB级或B级最小距离f_min值。

2）纵缝单壁成像法：图5-12为纵缝单壁成像示意图，选用X射线源至工件表面距离f应满足式（5-2）～式（5-4）要求。

图5-12 纵缝单壁成像布置

S—射源 D—探测器 b—被检工件表面到探测器距离 t—工件厚度

3）其他的焊缝成像布置见附录B.1～B.7的规定。

（2）焊缝定位

（3）射线能量和曝光量的选择

1）在选择射线能量时，首先考虑到数字探测器承受的射线能量范围，否则数字探测器要受到射线损伤而失去功能。

2）1MV以下的X射线设备为获得良好的成像灵敏度，应选用尽可能低的管电压。X射线穿透不同材料和不同厚度时，允许使用的最高管电压应符合图5-10中规定。

3）γ射线和高能X射线装置：

γ射线和1MeV以上的X射线所允许的穿透厚度范围见表5-4。

经合同双方协商同意，采用Ir192源时，最小穿透厚度可降至10mm；采用Se75源时，最小透照厚度可降至5mm。

对于较薄的工件，Se75、Ir192、Co60等γ射线成像的缺陷检测灵敏度不如X射线，但在使用X射线机有困难时，可在表5-4给出的穿透厚度范围内使用γ射线。

在某些特定的使用场合，只要能获得足够高的图像质量，也允许将穿透厚度范围放宽。用γ射线成像时，射线源到位的往返传输时间应不超过总曝光时间的10%。

4）曝光量：

①曝光量等于曝光时间和管电流乘积，用mA·s表示；

②可通过增加曝光量达到降低噪声、提高图像质量的目的；

③在满足图像质量、检测速度和检测效率要求前提下，可选择较低的曝光量；

④在检测时，按照检测速度、检测设备和检测质量要求，通过协调影响曝光量的参数来选择合适的曝光量；

⑤面阵列探测器可通过合理选择采集帧频、图像叠加幅数和管电流来控制曝光量。

（4）焦距和放大倍数选择

1）焦距对射线成像灵敏度影响主要表现在几何不清晰度上。从式U_g=d_fL₂/（F-L₂）可知，增大焦距F值，在减小U_g值，使图像越清晰。从公式中还可以看出，选择较小的射线源尺寸d_f，可得到与增大焦距F同样的效果。

为了保证射线成像图像的清晰度，标准中限制了成像距离的最小值。在JB/T 4730标准中，根据照相焦距F=f+b（或L₁+L₂），焦点尺寸d_f和照相厚度b（L₂）三者关系推导出式（5-2）～式（5-4），此式是使用中选择f值的依据；焦距的最小值可由诺模图图5-11中查出。

距离f是适用于附录中图B-1a、图B-7a、图B-12a和图B-13a的曝光图例，在可行的情况下，选择这个距离与源尺寸之比f/d，但不能低于下式值：

A级技术

AB级技术

B级技术

式中 b——材料最大的检测厚度（mm）；

t——源侧工件表面与探测器最大距离（mm）。

若须在A级检测出平面形缺陷，则射线源至工件最小距离f_min的选择与B级相同。

对裂纹敏感性大的材料，应选用比B级更敏感的成像技术进行透照。

采用双壁双影椭圆成像技术（见附录B.4）或垂直成像透照技术（见附录B.5）时，式（5-2）～式（5-4）及图B-10中b值取管子外径D_e。

采用双壁单影成像技术（见附录B.6），在确定射线源-被检工件距离时，b值取一个公称厚度t。

射线源置于被检工件内部透照（见附录B.2和B.3），射线源-工件最小距离f_min允许减小，但减小值不应超过20%。

2）放大倍数：射线成像检测中，一般均采用放大成像布置（工件与探测器有距离），从图像放大原理上讲是属于投影式放大成像，如图5-4所示。数学表达式为

式中 d_f——焦点尺寸；

U_g——几何不清晰度；

F——焦距（或f+b）；

L₁——焦点至源侧工件表面距离；

L₂——源侧工件表面至探测器距离。

在F和d_f定值时，图像随着L₁减小而扩大，即在探测器上影像被放大，图像放大的主要作用是提高图像分辨率（提高图像细节的分辨能力）。在4.2.2节的影响图像因素中指出：随着放大倍数增加，会导致几何不清度的增大，使整个图像不清晰度增大，但在放大图像的同时，缺陷图像尺寸也随之增大，有利对细小缺陷的识别，因此确定图像放大最佳放大倍数的原则是使部件成像总不清晰度为最小值。具体讲，放大倍数计算必须满足几何不清晰度要求的前提下，调节射线源至检测工件表面距离L₁，成像平面和工件表面距离L₂两个参量，为此推导出成像最佳放大倍数公式（4-20）。

工业X射线成像检验系统，一般放大倍数为3～4倍，采用微焦点可达到10倍放大倍数。

（5）透照方向（射线束校准）

透照时射线束应指向被检部位的中心，并在该点与被检区平面或曲面的切面垂直。但若采用其他透照角度有利于检出某些缺陷时，也可从其他方向进行透照。当采用双壁透照法时，一般应使射线偏离焊缝轴线所在的平面进行斜透照，以免两侧焊缝影像重叠。

对于其他数字射线成像方式，可经双方协商决定。

（6）补偿原则

在使用探测器系统和曝光条件下，图像灵敏度（IQI单丝或阶梯孔）和图像空间分辨率没达到附录表B.1～表B.14最小图像质量值，那么增加IQI单丝可见性或阶梯孔可见度来补偿超出的不清晰度值。例如，对某一检测系统，检测厚度为10mm的试件，要求达到AB级像质，如图像质量不能同时达到W12和D9，那么认为达到W13和D10就满足相同的检测图像质量。补偿的单丝最大不能超过1个丝号，双丝也不能低于1个丝号。

对于一个检测系统，若给定几何条件和管电压，可通过增加曝光量提高图像灵敏度。

（7）成像单一曝光最大范围(https://www.xing528.com)

平板纵向焊缝成像（见图5-1和附录图B-16）和射线源位于偏心位置成像曲面焊缝（见附录中图B-3～图B-5和图B-9～图B-17）时，保证100%成像其曝光次数应按技术要求确定。

按ISO 17636-2：2013标准规定：射线透过均匀厚度被检区外端的斜向穿透厚度与射线束中心的穿透厚度之比（透照厚度比），A级不大于1.2，B级不大于1.1。

在JB/T 4730标准中，以透照厚度比K值来控制一次透照长度L₃。具体规定：纵焊缝A级和AB级，K值不大于1.03；B级，K值不大于1.01。环焊缝，A级和AB级，K值不大于1.1；B级，K值不大于1.06。

K值与横向裂纹检出角θ有关，而θ角又与L₃有关，所以L₃的大小要按规定通过计算求出，又因透照方式不同，L₃的计算公式也不同^[2]。

灰度值和信噪比值的变化值产生透照厚度不应低于标准规定。

工件被检区域应包括焊缝和热影响区，通常焊缝两侧应评定至少约10mm的母材区域。

对接环焊缝100%成像时，其曝光次数的最小值应满足附录C或JB/T4730.2—2005附录D规定值。

（8）像质计放置原则

线型像质计一般放置在工件的射线源侧被检焊缝区长度一端，并在长度的1/4左右位置，金属丝横跨焊缝，细丝向外侧。当一幅图像上同时透照多条焊缝时，像质计应放置在透照区最边缘的焊缝处。若像质计放置在探测器侧，应在像质计上适当位置放置铅字“F”作为标记，并与像质计同时出现在图像上，且应在检测报告中注明。

焊缝静态成像时每幅图像上都应有线型像质计影像；采用动态成像时，至少在一次检测的焊缝长度上等间隔地放置三个线型像质计。小径管焊缝透照可选通用型像质计或专用型像质计（等径金属丝），金属丝应横跨焊缝放置。

（9）标记

1）成像部位的标记由识别和定位标记组成。识别标记一般包括：产品编号、焊接接头编号、部位编号和成像日期等。返修后的透照应有返修标记，扩大检测比例透照有扩大检测标记。定位标记一般包括：中心标记、搭接标记↑。中心标记指示成像部位区段中心位置和分段编号方向。搭接标记是成像分段标记。当铅质标记用数字或字母表示时，可省去中心标记。

2）对于连续成像检测，在检测的起始位置做定位标记、其中→指向检测方向，可利用数字或字母表示分段标记。对环焊缝检测可按顺时针方向用记号笔进行标识；对直焊缝可按左到右方式进行标识，并应与图像标记匹配。

3）标记一般应放置在距焊缝边缘至少5mm以外部位，搭接标记放置的部位还应符合JB/T 4730.2—2005的规定。所有标记影像不应重叠，且不应干扰有效评定区范围内的影像。

（10）散射线控制

1）过滤器和准直器（滤光板和铅光阑）

为了减少散射线的影响，应利用铅光阑等将一次射线尽量限制在被检区段内。

采用Ir192和Co60射线源或产生边缘散射时，可将铅箔或薄铅板插在工件与成像板之间，作为低能射线的滤光板。按照透照厚度不同，滤光板的厚度应选择在0.5～2mm之间。

2）背散射的屏蔽

射线成像存在背散射线，为测试背散射的影响，当用新的成像布置时，应在每个暗盒或DDA后背贴上铅字母B（高度为10mm和厚度最小为1.5mm）。如果B字符号较清淡图像记录在数字图像上（负像），应判断不合格。它的标志是深色或不可见的数字图像是可以接受的，表明散射线屏蔽良好，如果有必要探测器后面将用至少有1mm铅板屏蔽背散射，或用锡板至少有1.5mm防止散射线的影响。对于附加屏蔽是用钢或铜（约0.5mm）置于铅板和探测器之间降低铅X射线荧光辐射。没有铅板屏蔽，接触探测器背面应在80keV以上射线能量。

4.图像质量及评定

（1）图像质量

1）图像质量是通过图像灵敏度和图像空间分辨率的两个指标反映出来的，图像灵敏度是采用线型像质计进行测定；图像空间分辨率是用双丝型像质计进行测定，并符合标准规定数值。

2）线型像质计一般应放置在射线源侧的焊接接头表面的一端，在被检测区长度的1/4左右位置，金属丝横跨焊缝，细丝指向外侧。当一幅图像上同时透照多条焊缝时，线型像质计应放置在透照区最边缘的焊缝处；线型像质计放置在探测器侧时，应在像质计上适当位置放置铅字“F”作标记，且在检测报告中注明。

3）双丝型像质计。应置于被检工件源侧的表面上，应尽可能靠近射线束中心线，并与探测器的行或列成大约2°～5°（见附录图E-1）；置放在探测器侧时，应当放置铅字“F”作为标记。

4）线型像质计识别应在灰度均匀部位（一般是邻近焊缝的母材金属区）能够清晰地看到长度不小于10mm的连续的金属丝影像时，则该丝认为是可识别的；双丝型像质计的识别方法见附录图A-2。

（2）最低图像质量值

附录中表D-1～表D-14给出金属材料射线成像时，应达到最低的像质计数值。对其他金属材料要求的最低像质计数值，可由合同当事人商定。此外，双丝像质计用于确定所有射线照相的图像分辨率（或图像不清晰度）、曝光几何放大倍数，并按要求在附录中表D-13或表D-14内选择正确的数字。

采用符合要求的射线成像方法，取决于检测材料、材料厚度、射线能量、滤波器、屏蔽和常用的探测器。

1）补偿原则：如果图像质量（图像灵敏度和图像分辨率）达不到标准规定的像质计灵敏度和双丝型空间分辨率要求值，可通过增加图像灵敏度补偿图像分辨率。例如，对一个检测系统，检测厚度为10mm的部件，B级它必须达到识别丝号W14和双丝号D11，若无法达到，可从双丝号D11降低到D9两个丝号，但要从丝号W14增加上升到W16两个丝号来补偿；对AB级上升到W13和D10就能满足相同的检测图像质量。

成像使用的探测器对比灵敏度，取决于积分时间和管电流（mA），在给定距离和管电压下来采集成像图像，所以提高单丝可见度是通过增加曝光时间和管电流的设置来实现的。

2）图像灰度范围：图像有效评定区域内的灰度值宜控制在：AB级为20%～80%；B级为40%～80%。灰度值也可通过测量图像灰度直方图等方法来确定图像灰度分布范围。

3）图像处理：

①射线探测器里的数字数据是用灰度值来评价的，它是表征在检测时辐射区部分的信噪比和图像质量。优化图像显示对比度和亮度应交互可调。可选择过滤功能，轮廓（外形）图和信噪比工具都应该整合到软件里或图像显示和评价。为关键的图像分析人员，用一个缩放因子1∶1之间来解释图像（意思是1个像素的数字图像给出一个监视器像素）和1∶4（意思是1个像素的数字图像监视器提出了四个像素）。

②进一步方法应用于图像处理的存储原始数据（如高通滤波图像显示），应备有可重复的双方当事人协商证明文件。

（3）数字图像的观察要求

检测的数字图像观察应在黑暗的房间或环境里。监视器是用一个核定的适合的鉴定图像来调整。

显示图像的评估应满足下列最低要求：

1）显示器最小亮度为250cd/m²；

2）显示器显示最小的为256bit（灰度值）；

3）显示器可显示光亮度比为1∶250；

4）显示器显示1000×1000像素，最小的像素尺寸应＜0.25mm。

（4）图像评定

1）图像质量满足规定要求后，方可进行对被检部件质量评定。评定时可通过正像或负像的方式来显示。

2）应在光线柔和的环境下观察图像，显示器屏幕应清洁、无明显的光线反射。在图像有效评定区域内，不应有干扰缺陷图像识别的伪像。

（5）缺陷的评定

1）缺陷的识别可采用人工评定或计算机评定方法，人工评定时，可通过系统软件工具对图像进行线性拉伸来改变图像显示的灰度范围，达到人眼识别的最佳效果。

2）缺陷几何尺寸测量：可用系统软件辅助测量缺陷的几何尺寸为

S=δ×N_S （5-8）

式中 δ——几何尺寸因子；

S——几何尺寸；

N_S——由计算机测量缺陷尺寸得到的像素个数。

在实际检测条件下，应采集带有阶梯试块的X射线图像对几何尺寸进行标定，几何尺寸的因子的计算得

δ=ΔX/N_i （5-9）

式中 δ——几何尺寸因子（mm/像素）；

ΔX——阶梯试块厚度差（5mm≤ΔX≤50mm）；

ΔX′——ΔX成像边缘下降到10%～90%的距离（mm）；

N_i——边缘下降到10%～90%的像素点个数。

几何尺寸标定如图5-13所示。

图5-13 几何尺寸标定图

5.焊接接头焊缝射线成像的检测质量分级

前面介绍的是射线数字成像一般技术要求和成像方法，对于具体金属材料部件的熔化焊接接头焊缝质量分级，可按着被检部件的验收标准规定执行。

在附录E中简单介绍ISO 10893-7：2011（E）射线数字成像检验钢管焊缝缺陷评定供参考。

6.射线成像检测报告及图像保存

（1）射线成像检测报告

射线检测程序完成后，应对数字图像检测结果及有关事项进行详细记录，并填写检测报告。报告主要内容如下：

1）检测单位；

2）产品名称；

3）产品类别；

4）工件编号；

5）材质；

6）规格；

7）焊接方式；

8）热处理状态；

9）焊接接头的坡口形式；

10）公称厚度；

11）检测时机；

12）检测标准，包括验收要求；

13）数字图像技术和等级，像质计和要求达到的像质计数值；

14）透照布置；

15）成像系统标记；

16）探测器位置；

17）射线源种类和焦点尺寸及所选用的设备；

18）探测器、显示器和过滤器；

19）管电压和管电流或γ射线源的活度；

20）曝光时间及射线源——探测器距离；

21）数值图像处理技术：手动/自动；

22）图像质量指标的类型和位置；

23）检测结果：包括在探测器上的灰度值和IQI读数；

24）返修情况和检测日期；

25）成像检测人员签字和资格；

26）成像及检测报告日期。

（2）图像保存

1）图像应保存在硬盘等数字存储介质中，并在只读光盘中存档；

2）检测图像备份两份，相应的原始记录和检测报告也应同时保存；

3）在有效保存期内，图像数据不得丢失和更改；

4）保存环境应防磁、防潮、防灰尘、防挤压、防划伤。