在役管道CT检测仪.pdf
试验研究 在役管道CT检测仪 顾本立,李 虹 (苏州兰博高科技企业集团,苏州 215021) 摘 要:介绍用CT成象方法检测运行中的管道,用特殊的CT重建算法和对半开合式结构,成 功地测出管道内部腐蚀、 堵塞图象。 关键词:图象处理;管道;射线检验 中图分类号: TG115. 28+2 文献标识码 :A 文章编号: 100026656(2001)0120023202 CT I MAGING FOR THE INSPECTI ON OF INSERVICE PIPEL INES GU Ben-li, L I Hong (Suzhou L abeau H igh Sci . Tech. Group, Suzhou 215021, China) Abstract:CTi maging method for the inspection of inservice pipelines was introduced. U sing special reconstruction method and sem iclosed2type structure, the erosion and inner obstruct of pipelines were detected successfully. Keywords: I mage processing; Pipeline; Radiographic inspection 在石化、 化工和电力等部门,密如蛛网的管道在 运行中受各种因素的腐蚀作用而减薄,或者结垢堵 塞,人们期望能在运行情况下对其进行定量检测,以 求及时排除因腐蚀而导致的危险和因堵塞而引起的 运行效率下降。CT成象法可显示管道内部的剖面 图象,对腐蚀和堵塞不但一目了然,而且还可定量显 示腐蚀后的壁厚和结垢后的堵塞率,是一种较为理 想的检测方法,但是普通的CT成象装置用大电流、 高功率的强X射线源,用几百个检测器组成阵列, 在几百个方向上取投影数据,设备大而笨,无法到现 场运用。 我们采用小而轻的弱射线源,用少量检测 器,采用特殊的CT重建算法,并用对半开合式结构 制作了适用于现场的管道CT检测仪,成功地应用 于现场。 1 图象重建 1. 1 半个扇形束的重建 由于结构上的原因以及为了减轻重量,没有像 普通工业CT一般安排一个扇形的检测器阵列,而 是把检测器安排在半个扇形上(图 1) 。为了减小装 置的外围尺寸,各检测器至源的距离并不相等,越偏 收稿日期: 1999208210 图1 1.检测器阵列 2.被测管道 3.保温层 4.射线源 离中心,就越靠近源,因此检 测器前的准直孔尺寸必需作 相应的调整,使各检测器的对 应束宽能够一致,以利于重 建。 分析源和检测器旋转后所 得数据的正弦图可知,实际上 我们得到的是180° 投影的平 行束投影数据,经过重排和插 值后,可按180° 平行束重建方 法进行图象重建。 我们对带保 温层的实际管道进行扫描,用 卷积滤波反投影法进行重建, 所用卷积核为改进的S2L (Shepp2Logan)滤波器,得到了清晰的图象。 1. 2 极少投影不完全重建 用上述方法重建所需的数据量大、 扫描时间较 长,我们希望尽量缩短现场扫描时间,如果将管道的 一些已知参数(如管道材料、 液体、 结垢物的密度或 线性衰减系数,以及管道外周基本为圆形等条件)预 先输入作为重建的先验知识,那么就可减少投影数, 用不完全重建方法进行重建。 模拟实验证实1,用四 个投影即可重建出管道图象。 在投影方向缺少不是太多时,可在卷积滤波反 ·32· 第23卷第1期 2 0 0 1年1月 无损检测 NDT Vol . 23 No. 1 Jan. 2 0 0 1 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 投影法的基础上,用G2P迭代来实现不完全重建。 这是一种在空间域和频域之间来回迭代,充分利用 两个域上的先验知识的方法,但模拟试验表明这种 方法对极少投影管道成象效果不佳。代数重建迭代 方法对先验知识的利用非常直接,各种改进算法和 辅助算法2使该方法效果更为改善,适用于极少投 影管道成象的情况。 我们的实验证明,用改进的代数 重建迭代算法可得到较好效果。 一般的不完全重建是利用n个扇形束来重建, 在本系统中因为是半扇形,若用四个投影就要在八 个方向上作插值运动,而从机械上来说作旋转运动 比插值运动更为方便。 另一方面,对管道这个特殊对 象,角度小的射线通过的管道层较薄,而靠近管道切 线处,通过的管道层相当厚,应用扇束投影时,在切 线附近的数据精度相当差(在相同的源和检测时间 下,粒子计数大大减少,量子噪声急剧上升)。 但不完 全重建时数据量是少了,而对数据的精度要求却甚 高。因此这种方式可能导致较大的误差。考虑上述 情况,我们试图改用较小角度的射线旋转360° 作为 一个投影数据(或称一个旋转投影 ), 利用先验知识 和四个旋转投影数据重建出了管道内部腐蚀或堵塞 的图象,实践证明该法是可行的。 1. 3 图象处理和校准方法 用卷积滤波反投影法得到的是256灰度级图 象,放大后,其边缘是模糊的,要知道管道腐蚀减薄 后的确切厚度,必须进行图象分割,把铁、 液体和结 垢物的边界确切地划分开来,然后计算厚度和堵塞 率。由于石化工业中许多情况下并不知道液体和堵 塞物的密度和衰减系数,所以要进行极少投影成象 也必须先将完全重建出的图象划清边界后,从图象 尺寸上反推出液体和堵塞物的衰减系数,这实际上 即为一个校准过程。 2 用于现场的CT装置 要将装置用于现场管道进行扫描运动,必需将 装置做成U字形或对半开合型。我们的结构为在对 半开合型的基座上装一个 射线源137Cs,源容器的 扇形开口对准管道另一侧的检测器半扇形阵列。为 了减小装置的尺寸(管道周围经常有其它管道或物 体 ), 检测器采用了BGO(锗酸铋)晶体加侧窗式光 电倍增管,侧窗式光电倍增管的光耦合不容易做好, 用于这种场合可能还是首次。 当然,我们也可以采用 更小而轻的闪烁晶体加硅光电二极管阵列,但它的 灵敏度比光电倍增管低得多,这就要求加强源的强 度,从而导致源容器重量大大增加,现场辐射防护要 求提高,因此不利于现场运用。 从光电倍增管引出的 信号经数据获得系统直接进入计算机,得到每个采 样点上的计数值,在微机中经多探头灵敏度校准、 空 间不均匀校准及数字信号处理后,重建并显示图象。 为机械方便考虑,扫描方式为每次插值运动后 旋转扫描一圈,由微机通过驱动电源带动步进马达 控制扫描运动。整个装置配有一个具有多方向活动 关节的支架,以便在现场可以架到任意方向的管道 上。 方向的变化增加了制造的精度要求,扫描装置水 平放置时,运行最为平稳,当扫描装置竖起来以任意 角度运动时由于旋转扫描中重心和平衡的不断变 化,机械上的任何间隙都将导致扫描曲线的异常变 化,给测试数据带来误差。经过数次反复,机械上达 到了较好的重复精度,经软件校准后达到了重建对 数据的要求。图2为在役管道CT检测仪的示意图。 1.数据获得系统 2.驱动系统 3.微机 4.图象显示 5.检测器阵列 6.被测管道 7.射线源 8.对半开合结构 图2 3 测试结果和图象 图3为测试所得的一组投影曲线,从曲线上可 看到成片的均匀减薄(曲线大的凸起)和腐蚀的小孔 (曲线上小的凸起)等。图4为用半扇形数据完全重 建所得内有堵塞物的夹套管图象,这种夹套管在两 管之间通以高温蒸气,用传统方法(如超声)无法检 测。图5为对一个人工缺陷模型扫描后以极少投影 成象不完全重建方法得到的图象,图6为管道厚度 曲线(沿360° 方向展开)显示出一大片均匀减薄和 图3 ·42· 顾本立等:在役管道CT检测仪 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 中国仪器仪表学会第三届青年学术年会征文通知 中国仪器仪表学会第三届青年学术会议将于 2001年8月在沈阳召开。会议由中国仪器仪表学会 和沈阳市科协主办,沈阳市仪器仪表与自动化学会、 中国仪器仪表学会青年工作委员会和沈阳工业大学 联合承办。 王大珩、 杨家墀、 金国藩、 张钟华、 庄松林、 卢佩章、 王立鼎、 唐九华和黄尚廉等九位院士为大会 顾问。 征文范围 各种测量、 计量、 检测、 监测、 测试、 试验、 实 验(以下统称测量)和控制方法研究。 各类传感 器、 敏感元件,各类仪器仪表,各种测量与控制装置 的新原理、 新技术、 新元件、 新材料、 新工艺。 模式 识别(文字、 图象、 语音识别等)及应用。 故障诊 断。 现场总线技术及应用。 信息融合、 虚拟仪 器、 软 测 量 技 术 及 应 用。 微 电 子 机 械 系 统 (M EM S)。 在网络通讯、 生物医学工程、 材料工 程、 环境监测、 安全工程、 智能建筑、 医学、 能源、 交通 运输及农业等领域涉及的测量与控制新技术。 前 沿综述与技术动态。 工控机、 变频器、PLC和组态 软件等先进控制部件的应用。 其它。 征文要求 论文应具有较高学术或应用价值,未公开发表; 论文第一作者年龄不超过45岁;来稿请用W ord 97 文稿编排,A 4纸打印,一式三份并附软盘;格式参考 仪器仪表学报,提供中英文摘要,全文尽可能控制 在三个版面以内;投稿时请注明文章所属类别(见征 文范围 ); 受各类基金资助的论文,请注明项目名称 及编号;请在论文标题上方注明联系作者的通讯地 址、 邮编、 电话和电子信箱等。版权纠纷,作者自负。 重要信息 本次会议将评选优秀论文,由中国仪器仪表学 会颁发优秀论文证书,并给予奖励。 会议录用论文将 刊登在代表中国仪器仪表领域最高学术水平的唯一 一本学术性刊物 仪器仪表学报2001年第3期增 刊上,并将送往E I, SC I, CA , SA ,日本科技文献速 报及苏联文献杂志等国际六大检索系统。 会议具体时间、 地点等信息请关注 沈阳测控信 息网,网址: http:? ?www. syias . org. cn。 重要日期 论文截稿日期: 2001年3月19日 论文录用通知: 2001年4月9日 投稿地址 沈阳市铁西区南十三路1号29信箱沈阳市仪 器仪表与自动化学会 邮编: 110023 电话: (024)25415320 25681544 传真: (024)25415320 联系人:贾冬娜 电子信箱: syiasonline. ln. cn 中国仪器仪表学会、 沈阳市科学技术协会 图4图5 一个小孔,与实际模型尺寸对照,厚度误差在壁厚的 10%内。 4 结论 现场试验表明,在役管道CT检测仪可在正常 运行情况下检测管道的腐蚀和堵塞情况,半扇形完 全重建方法和极少投影不完全重建算法均可得到清 图6 晰的图象。 有关现场试验结果将另行报道。 参考文献: 1 顾本立,陆 李.极少投影成象J . CT理论与应用研 究, 1994, 3(2): 14- 17. 2 余松煜.由少量投影重建二值截面的新方法J .上海 交通大学学报, 1993, 27(3): 1- 7. ·52· 第23卷第1期 2 0 0 1年1月 无损检测 NDT Vol . 23 No. 1 Jan. 2 0 0 1 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
