电力设备材料工业CT无损检测系统研究

李正利;冯云国;刘文;陈聪;尹奎龙

【摘 要】为满足电力设备无损检测的需求,研究开发了电力设备工业CT无损检测系统.系统采用9MeV射线对被检测工件进行透照,通过X射线在工件中的衰减规律及分布情况,获得工件内部信息数据,由计算机进行数据处理和图像重建,最终以图像形式显示出来.该系统具有CT扫描、DR扫描、三维成像等功能,检测结果便于存储、传输和分析.通过实际应用识别了大量电力设备材料内部材质替换和内部缺陷等问题,提高了电力设备物资检测能力,促进了入网设备的质量提升. 【期刊名称】《山东电力技术》 【年(卷),期】2017(044)007 【总页数】4页(P39-42)

【关键词】电力设备;工业CT;无损检测 【作 者】李正利;冯云国;刘文;陈聪;尹奎龙

【作者单位】国网山东省电力公司电力科学研究院,山东 济南 250003;国网山东省电力公司电力科学研究院,山东 济南 250003;国网山东省电力公司电力科学研究院,山东 济南 250003;国网山东省电力公司电力科学研究院,山东 济南 250003;国网山东省电力公司物资公司,山东 济南 250001 【正文语种】中 文 【中图分类】TG115.28

工业CT是通过测量多视角对物体特定区域的射线透照率，经数据重建获取该区域内部结构图像的无损检测方法。其被誉为21世纪最佳无损检测技术之一。随着科学技术的飞速发展，工业CT检测技术已在航空、航天、铁路、石油、国防军工等先进制造技术行业得到广泛应用［1］，工业CT也从一种定性的无损探伤技术发展为一种定量测量手段。

电力设备材料工业CT无损检测系统是为了解决变压器线圈材质检测以及内部缺陷早期发现而研究开发的，也是工业CT技术首次应用于我国电力行业无损检测。电力行业设备材料品种繁多，缺陷表现各异，如铁塔焊接缺陷、电缆断裂、连接件缺陷、零配件缺失、组装缺陷、弹簧断裂等，传统无损检测方法难以完全满足检测要求。利用电力设备材料工业CT无损检测系统，可观察被检工件的断层扫描图像，了解缺陷细节，材质差异，通过数据分析，实现对所检工件的精准检测。 电力设备材料工业CT无损检测系统利用电子直线加速器产生的X射线穿过被测物体，通过获取不同方向X射线穿过被测物体前后射线强度的变化数据，以雷当变换和逆变换为基础由投影数据重建出该物体的二维断层图像，图像的像素位置与物体被扫描端面或区域位置对应，各像素点灰度值与工件上该点物质对应X射线的衰减值（或者密度）成一定对应关系，从而通过数字图像反映被测物体内部的几何细节、材质差别及缺陷状况，实现对被测物体内部结构的定性和定量检测与分析。电力设备材料工业CT无损检测系统采用立式结构布局，采用大底板（基础平台）作为整机安装基础，双立柱分别为电子直线加速器和探测器提供支撑及运动平台，电力设备材料工业CT无损检测系统结构如图1所示。

整个系统由射线源系统、数据采集传输系统、机械系统、自动控制系统、图像系统、摄像监控系统等组成。电力设备材料工业CT无损检测系统核心部分是射线源系统、数据采集传输器系统和图像系统。 1.1 射线源系统

射线源系统主体是9MeV电子直线加速器，用于产生重复频率的高能脉冲X射线，为无损检测系统提供高能、高强度、稳定的X射线。射线源系统主要由9MeV电子直线加速器、调制器、控制器、水冷系统、射线防护与报警系统等组成。自动控制系统根据扫描时间和空间位置对电子直线加速器进行控制，实现加速器、数据采集传输系统的时空同步协调控制。电子直线加速器系统能产生9MeV能量的X射线，焦点不大于 1.5mm，剂量率不低于3000cGy／（min·m），同步脉冲频率为50~250Hz。 1.2 数据采集传输系统

数据采集传输系统采用线阵列探测器，线阵列探测器由128个探测器单元组成，每个探测器单元由闪烁晶体、光电二极管和独立放大电路构成［2］。作为CT系统重要组成部分，数据采集传输系统的性能直接影响整个CT设备的图像指标。数据采集传输系统结构如图2所示，主要包括线性探测器阵列（LDA）、信号调理与转换单元、数据采集控制单元、数据传输控制单元、高精度稳压电源、射线与电磁屏蔽箱等。其A／D转换位数为20 bit，有效动态范围不低于10 000∶1，传输速率不低于 4 Mbit／s。 1.3 图像系统

图像系统由高性能计算机、显示器及图像处理软件组成，主要功能是对数据采集传输系统获得的扫描数据进行整理、校正和处理，显示DR图像、重建CT图像或三维图像及进行文件管理，并通过各种定性和定量分析测量工具，帮助工作人员对被检工件的检测结果进行分析和判断。

图像系统配备丰富多样的处理单元，方便后期数字图像的处理和使用，主要处理单元包括数据校正、图像重建、二维图像处理与显示、三维图像处理与显示、逆向设计等［3］。

电力设备材料工业CT无损检测系统具有DR扫描、CT扫描、三维成像功能。

DR扫描功能。在自动控制系统的协调下，数据采集传输系统、电子直线加速器相对于放置于转台上的被检工件同步上下移动，对工件进行射线扫描，射线穿过被检测工件的信号数据被探测器采集传输，经图像系统进行处理后输出被检工件投影图像。DR扫描可实现对高度为1 500mm工件的检测。配电变压器DR检测如图3所示。

CT扫描功能。放置于转台上的工件随转台旋转，数据采集传输系统、电子直线加速器相对于被检工件在水平位置相对固定，对工件的某一个断面进行全方位扫描，该断面的透照信息经过图像系统的处理后输出该工件的断面图像。其原理如图4所示，根据不同工件的检测细节要求，CT检测断面厚度可在0.5~3mm范围内调整，实现对直径为650mm工件的III代扫描及直径为1 500mm工件的II代扫描。 三维成像功能。对工件某一部位或全部体积依次进行CT扫描，对所得数据通过图像系统进行处理，得到由多层CT图像叠加组合而形成的立体图像。可通过立体图像观察工件几何结构，获取工件缺陷形状、位置及尺寸等信息。结合密度分析技术来确定缺陷性质，进行空间定位、深度定量。

电力设备材料工业CT无损检测系统具有图像清晰、检测精度高等特点。参照GB／T29069—2012《无损检测 工业计算机层析成像（CT）系统性能测试方法》，其主要性能指标空间分辨率达到2.5LP／mm，相对密度分辨率为0.3％，DR灵敏度为0.8％，几何尺寸测量精度达到0.05mm。 3.1 配电变压器线圈材质检测

对某公司配变设备的抽样检测中，发现一些质量问题，如直阻不合格、损耗超标、温升超标等。通过配变解体发现少数供应商为降低生产成本，将招标文件中明确要求的配电变压器铜线绕组以铝线代替。采用拆解方式对配电变压器进行检验，成本高，效率低，无法形成一种常规的检测方法辨别绕组材质。由于铝、铜及硅钢芯柱材质密度不同，铜与硅钢密度相仿，铝密度明显低于铜与硅钢，密度不同物质对射

线吸收系数不同，射线照相后得到的图像灰度不同。通过基于高能量射线CT检测装置对配电变压器的DR检测图像，可观察绕组图像灰度变化判断其材质。如图5（a）所示，低压绕组灰度明显低于高压绕组及硅钢芯柱灰度，可判断低压绕组材质为铝，高压绕组材质为铜；如图5（b）所示，低压绕组与高压绕组图像灰度明显低于硅钢芯柱灰度，并且可以看到变压器背部导线影像，由此可以判断高、低压绕组皆为铝材制造。采用电力设备材料工业CT无损检测系统DR检测模块，在不破坏变压器的情况下，对144台配电变压器进行检测，发现绕组材质以铝代铜变压器10台。通过检测有效地避免了违规配变产品在电力生产中的应用。 3.2 发电设备管道焊缝内部缺陷分析

随着发电机组装机容量的不断增大，机组参数不断提高，超临界、超超临界锅炉成为现今发电设备热源提供的主力，锅炉管道采用新型高强耐热钢厚壁管制造，焊接缺陷严重威胁着发电机组的安全运行，对焊接工艺研究提出了更高的要求。通过对焊缝内部缺陷类型的准确判断，可以分析焊接缺陷的形成原因，优化焊接工艺。而对于厚壁设备的密集型焊接缺陷，尤其一些细小的密集型缺陷，采用常规的无损检测手段无法对其进行准确检测。采用工业CT无损检测系统，可以较清楚地观测焊缝内部缺陷形状，分析缺陷类型。图6为某电厂P92材质的锅炉管道取样检测焊层缺陷CT图像（管道壁厚为106mm），可以清楚地观察到焊缝内部夹渣及细小裂纹，经过测量，此断面检测出尺寸2~4mm的夹渣及裂纹多处。通过对焊接缺陷的精确检测，可为焊接工艺制定及焊接过程质量控制提供有力的数据支持。 3.3 盆式绝缘子检测

盆式绝缘子是GIS中的重要部件，主要起到固定母线和母线的插接式触头、母线对地和相间（共箱式结构）的绝缘及密封作用。盆式绝缘子采用环氧树脂及其他添加材料，在高真空下浇铸而成，内部不能有气泡和裂纹等缺陷。多采用射线工业电视检测方法进行检测，但无法确定缺陷的准确浇铸位置。通过电力设备材料工业

CT无损检测系统，可采用三维成像技术，对GIS绝缘子内部缺陷进行无损检测，并实现了对GIS绝缘子内部气孔、缝隙的定位与尺寸测量。图7、图8为GIS绝缘子15层1mm断层厚度CT数据建立的三维图像，图中可观察人工孔状缺陷位置及形状，由图7可测量出孔径Ф5mm缺陷径向长度为15mm，由图8可测量出此缺陷轴向长度为14mm。

电力设备材料工业CT检测系统是国内第一台应用于电力设备材料的无损检测设备，该系统设计性能指标高，检测能力强，技术手段先进。通过现场实际运用，发现了多种设备缺陷，提高了电力部门物资检测水平，促进了行业产品质量提升。但电力设备材料具有多样性，检测要求千差万别，如何利用工业CT检测设备，达到对不同电力设备材料的检测要求，还需要不断总结，在实践中探索最佳的检测工艺，以达到理想的检测效果，服务于电力生产。

【相关文献】

［1］ 张朝宗，郭志平，张朋，等.工业 CT技术和原理［M］.北京：科学出版社，2009. ［2］ 王珏，谭辉，黄亮，等.工业CT用数据采集与传输系统设计及实现［J］.仪器仪表学报，2009，30（4）：722-727.

［3］ 段黎明，刘元宝，吴志芳，等.基于工业计算机断层成像技术的三维 CAD 模型重构方法［J］.计算机集成制造系统，2009，15（3）：479-486.

［4］ 全国无损检测标准化技术委员会.无损检测 工业计算机层析成像（CT）系统性能测试方法：GB／T29069—2012［S］.北京：中国标准出版社，2013：2-20.