γ射线数字成像在核电厂应用的可行性探讨

刘 顺，罗 杰，陈 衡，魏绍明，华雄飞

（中广核检测技术有限公司，苏州 215021）

数字射线成像系统（Digital Radiography，DR）利用数字探测器实现射线信号的探测与转换[1]，运用图像处理技术实现射线图像数字化，检测速度快、灵敏度高、宽容度大，是应用在工业无损检测中最广泛的数字射线检测方法[2]。然而由于数字射线成像系统中探测器的CsI 闪烁体对软射线有更好的能量响应，其在X射线下量子吸收和转换效率均较高[3]，因此，为了获得更优秀的DR图像质量，宽能谱的X射线是DR系统中理想的射线。

受限于核电现场复杂的工况环境，现场工件及焊缝的数字射线检查只能以γ射线为主。目前，国内外对γ射线数字射线的研究仍较少，其工艺还不成熟，无法适用X 射线数字成像的检验工艺[4]。而数字射线检测独有的优势可以极大地提高核电厂射线检查效率和检验质量，为了推广该类技术在核电领域的应用[5]。本文基于RCCM 标准，并通过比较传统胶片照相与γ射线数字射线成像系统在核电现场的应用结果以及数字射线特有的优势，分析γ射线数字成像在核电厂应用的可行性。

1 试验方法

1.1 试验对象与设备

本试验针对某核电厂一次大修所有辅助管道焊缝、BOSS 焊缝及一些需及时反馈的部件等。其中，辅助管道焊缝清单见表1。

试验所用γ射线强35Ci，尺寸φ3×2 mm，如图1所示。

数字射线成像系统中，探测器像元尺寸为154 μm，极限分辨率为3.24 Lp/mm，采用16 位AD 转换器采样，如图2 所示。采集软件满足检验标准要求，可以实现单丝像质计目测观察和双丝像质计的计算测量。

1.2 检验工艺

数字射线的检验和验收标准在国内仍不完整。因此，本试验采用核电RCCM 标准[6]，设计检验工艺和相关参数，根据检验对象的不同，选择双壁双影或者双壁单影透照方式，其布置如图3所示。

表1 CPR1000机组辅助管道焊缝检验对象Table 1 Test object of auxiliary pipe welds of CPR1000 unit

图1 880DELTA射线机Fig.1 880DELTA radiographic machine

图2 数字射线平板探测器Fig.2 Detector for digital radiographic testing

图3 试验曝光布置Fig.3 Exposure arrangement

根据标准要求，其透照焦距可以满足：

式中，f——焦距；

d——焦点尺寸；

b——公称厚度。

试验不采用放大技术，探测器尽可能贴近工件。

2 可行性分析

2.1 DR系统分辨率

系统分辨率主要依赖探测器系统的基本空间分辨率，这也是影响检测图像不清晰度的主要因素[7]。DR 系统中，图像不清晰度与空间频率线对值互为倒数关系，通常采用双丝像质计进行测定，关系可以表示为R=1/2d1，其中，R为空间频率线对值；d1为不能区分丝对的最大丝直径，可以用像元尺寸表示。本检测系统选择的探测器像元尺寸为154 μm，即R=3.24 Lp/mm，根据标准要求，双丝像质计应能分辨D8，即空间分辨率应为D9。对本检测系统空间分辨率的测试结果如图4所示。

图4 DR系统空间分辨率测量结果Fig.4 Spatial resolution measurement results of DR system

检测中以双丝像质计表征DR系统空间分辨率，计算分析结果表明，本DR检测系统满足空间分辨率要求，可以适应核电管道穿透厚度检验要求。

2.2 管道焊缝对比试验结果

本次试验为了分析一次大修辅助管道焊缝DR 技术应用的可行性，基于RCCM 标准对像质计灵敏度要求，对比了胶片照相与DR技术的检验结果，结果如图5所示。

图5 核电辅助管道DR技术与胶片结果对比Fig.5 Comparison results between DR technology and film of the auxiliary pipeline welds

图5 中，红色曲线是DR 测试结果；蓝色曲线为胶片测试结果；柱状图是RCCM 标准要求的像质计灵敏度值。可以看出，管道焊缝的DR数字射线像质计显示与胶片照相底片像质计显示接近，仅个别小径管像质计显示级别略低于胶片，主要原因是γ射线能量高，散射线对图像影响较大，而小径管散射线防护相对较难。从图中也可看出，部分工件的测试结果显示，DR的像质计灵敏度还要高于传统胶片，从像质计灵敏度而言，DR 技术和传统胶片技术基本上持平，两种技术均能满足RCCM 标准的要求，且远高于现有的数字射线检验标准要求。

DR 数字射线成像最大的优点是成像速度快，曝光时间短，能实现检验结果的实时反馈，能明显降低检验人员的接受剂量，从这方面来讲，DR 数字射线技术非常适合核电厂的射线检验方法。与胶片照相技术相比，DR 数字射线技术在曝光时间上具有非常明显的优势，特别是对大管径大壁厚管道焊缝，DR 数字射线成像技术在时间上的优势更加明显，如测试中φ812×46 mm、φ273×25.58 mm、φ406×21.4 mm等规格的管道的胶片成像的曝光时间远远高于DR技术成像时间。分析认为，DR 成像技术在穿透厚度大于36 mm 的管道焊缝检验过程中在曝光时间上对比胶片成像有明显的时间优势，穿透厚度为20～36 mm 时，在曝光时间上优势不太明显，当穿透厚度小于20 mm 后，DR 成像在曝光时间上比胶片成像曝光时间短，比较节省时间。

2.3 核电应用的优势

2.3.1 窗宽-窗位

窗宽-窗位工具是数字射线采集软件中特有的功能，它可以通过局部调整看到更多的DR图像的信息。本试验采用的探测器可以获得16 位动态范围的图像，相当于65536灰度级的图像信息，而普通的显示屏仅能显示256 图像灰度级。因此，利用窗宽-窗位工具调整可以在8 位的显示屏上看到16位的图像，观察到更多的细节。

BOSS 焊缝是核电现场常见的不等厚部件，在相关系统中起到至关重要的作用，图6 为对BOSS焊缝的DR技术应用结果。

图6 BOSS焊缝DR处理结果Fig.6 Results of BOSS welds by DR technology

结果显示，DR 图像可以达到胶片水平，其边界清晰，结构完整。特别是对DR图像局部窗宽-窗位调整，可以看到更多的细节，像质计也清晰可见，这是胶片照相无法比拟的。因此，对于该类厚度差大的工件，DR 技术有优势，是替代胶片照相的理想方法。

2.3.2 锐化

锐化工具是DR技术中常用的图像处理算法，γ射线周向曝光，且焦点尺寸较大，会增加DR图像的几何不清晰度，对γ射线DR图像应用这种处理算法，可以最大限度地降低噪声，突出细节。

核电现场常出现螺栓失效的情况，需要采用无损检测手段对其进行检查，以保证螺栓质量和核电系统安全。目前，常用的无损检测方法是超声和涡流的方法，但是其检验结果不够直观，而且螺栓常见的小缺陷容易出现漏检，检测速度较慢，无法及时反馈结果。而传统的胶片照相受边蚀效应的影响，螺栓轮廓易被噪声侵蚀，且对于该类透照厚度比大的工件，胶片对比度很难满足要求。DR 透照宽容大，可实时显示结果，并且可以通过图像处理更好地显示缺陷。图7显示的是核电现场常见的螺栓数字射线检验结果。

图7 螺栓图像锐化处理结果Fig.7 Sharpened results of bolt image

从图中可以看出，DR 图像整体效果与胶片相差不大，但是受边蚀效应影响更小，边缘更加清晰。对于这种透照厚度差较大的工件，DR图像通过后期的图像处理可以极大地提高缺陷检出率，极小的线性显示也清晰可见。因此，宽容度大、可以实时显示的DR成像技术是螺栓理想的无损检测方法，应用在核电现场是可行的。

2.3.3 叠加

均值叠加工具通过将两张或多张图像的每个像素灰度值叠加获得最终检测图像，用户可以设置连续图像的叠加张数，以减少最终图像噪声，从而突出缺陷。本试验分析了叠加次数对核电VVP 管道焊缝标准试块图像质量的影响。结果如图8所示。

图8 叠加次数对图像质量的影响Fig.8 The effect of the number of superpositions on image quality

图8直观地显示了叠加次数对图像质量的影响，即随着图像叠加次数的增加，图像更加均匀和平滑，缺陷显示更加清晰。对叠加图像的像质计灵敏度和信噪比分析如图9所示。

图9 叠加次数对像质计灵敏度和信噪比的影响Fig.9 Effect of the number of superpositions on image sensitivity and signal-to-noise ratio

对比图像像质计灵敏度和信噪比可以看出，随着图像叠加次数的增加，像质计灵敏度和图像信噪比随之增加，在叠加到8次时图像质量提高明显，超过16 次的叠加像质计灵敏度和信噪比变化较少。分析认为，经过16 次叠加的图像在较短的检验时间内最大程度地保证了图像质量，叠加工具的使用将很大程度上改善γ射线数字射线成像系统的图像质量。

3 结论

γ射线数字射线成像系统在核电厂应用的关键问题在于在能谱单一的γ射线能量响应下的数字图像能否达到胶片照相的水平。本试验比较了核电厂辅助管道焊缝数字射线成像与胶片照相结果，发现两种射线检测方法的图像像质计灵敏度比较接近，均能满足RCCM 标准要求，而数字射线成像系统在透照时间和检验效率方面有胶片无法比拟的优势，是应用在核电管道焊缝射线检测中极佳的无损检测方法。本文还通过分析数字射线成像系统独有的优势，在BOSS 焊缝、螺栓等常规胶片照相无法适应的领域分析了DR 应用的可行性，结果表明，DR 数字射线系统可以充分发挥自身优势，实现核电现场一些特殊应用。

总之，作为替代胶片照相的一种无损检测方法，γ射线数字射线成像系统可以发挥数字射线宽容度大、检验效率高的特点，可极大地节省核电厂检修工期和提高检验质量，在核电厂的应用是可行的，也是必要的。

4 展望

根据国家中长期发展规划，我国将成为名副其实的核电大国。随着国内核电建设的推广、发展和核电结构老化检测的迫切需求，射线检测仍是核电结构检测的重要手段。目前采用的胶片照相法由于其自身检测效率低、存储困难、难以远程共享、不利环保等缺点，已不能满足目前工业化生产和竞争日益激烈的环境需要。γ射线数字成像技术的研究及开发将进一步提升核电现场无损检测的自动化和智能化水平，具有直接的经济效益和社会效益。

γ射线数字成像技术在核电应用上仍需要更深入的研究，为了保证该类技术在核电现场顺利、稳定运行，重点可在以下3个方面应对新工艺、新方法带来挑战：（1）通过空间分辨率和信噪比控制最终成像质量的工艺和方法；（2）建立γ射线数字成像技术的核电标准，确定的检验工艺和程序；（3）加强人员技能培训和技术提升。