锅炉压力容器压力管道检验中的裂纹问题分析.pdf

山东工业技术2 0 2 3年第4期（总第312 期）锅炉压力容器压力管道检验中的裂纹问题分析赵长龙，孔鹏（山东省特种设备检验研究院集团有限公司，山东济南2 5 0 10 1）【摘要】在锅炉压力容器压力管道检验过程中，主要应用超声波技术进行裂纹检测，但极易出现检测盲区，使得裂纹检测结果F1分数较低。本文建立一种新型锅炉压力容器压力管道裂纹检验方法，并提出裂纹预防方案。依托于X射线检测原理，全方位采集压力管道图像，作为裂纹检测的基础。运用多重小波分解原理，将X射线图像分解为高频子图和低频子图，并融合非局部均值滤波算法处理图像噪声信息。经过二值图像分析和缺陷特征分析标注出裂纹缺陷，得出压力管道裂纹检验结果。同时，从材料质量、运行安全管理、操作水平三方面入手，建立锅炉压力容器压力管道裂纹预防方案。实验结果表明：所提方法应用后得出的裂纹检验结果F1分数为0.97，更好地满足压力管道裂纹检验要求。【关键词锅炉；压力容器；压力管道；裂纹；检测；预防中图分类号】TG115.28+1【文献标识码】AD0I:10.16640/ki.37-1222/t.2023.04.015文章编号】10 0 6-7 5 2 3（2 0 2 3）0 4-0 0 8 7-0 4现有的方法在检验管道裂纹时，难以得到准引言确的检测结果。文中提出应用X射线检测技术，工业生产过程中，锅炉是确保生产效率的关键设备。由于锅炉工作环境复杂，且锅炉压力容器压力管道传送的大多是腐蚀性液体，压力管道很容易会受到外界环境和操作方法的影响叫，出现各种缺陷，其中最为常见的就是裂纹。压力管道长期承受压力后，表面会出现横向、纵向的裂纹 2)，而考虑到裂纹产生位置差异,将所有裂纹划分为内腐蚀、外腐蚀两类。裂纹出现后，锅炉压力容器压力管道的强度、韧性等力学性能均得到改变，若管道裂纹长期未能被发现，极有可能造成管道内部压力扩大，甚至引发管道断裂、管道爆炸问题 3。想要保证压力管道的安全稳定运行，需要设计一种无损检测技术，准确检验出锅炉压力容器压力管道的裂纹问题，作为后续裂纹治理的基础。实时采集压力管道图像，并以此为基础得到高精度的裂纹检验结果。此外，本研究还从锅炉压力容器压力管道的工作模式人手，针对材料质量、运行安全管理、操作水平三方面，分别提出裂纹预防方案。结合新型裂纹检验方法和裂纹预防方案，提升了压力管道运行的安全性。一、设计锅炉压力容器压力管道裂纹检验方法1.获取压力管道X射线检测图像依托于波粒二象性物理原理，构建X射线检测方案，向锅炉压力容器压力管道发射高能量的光子束流 4，获取压力管道图像，具体的检测模收稿日期】2 0 2 3-0 3-0 9【作者简介】赵长龙（1990 一），男，硕士，山东省特种设备检验研究院集团有限公司，工程师；孔鹏（198 9一），男，硕士，山东省特种设备检验研究院集团有限公司，工程师。-87-锅炉压力容器压力管道检验中的裂纹问题分析型如图1所示。压力管道X射线图像小波分解低频部分阴极阳极小波分解高频部分小波分解低频部分小波分解高顿部分X射线压力管道小波分解低频部分胶片图2 X射线检测图像多重分解模式用像素块的中值、均值、灰度值计算欧几里得距离，底片再应用该计算结果，优化原始滤波算法。图1X射线检测模型d=o(i)+0()n(i)n(i)+?如图1所示，实际操作过程中，连接阴极灯丝公式中，d表示欧几里得距离，i讠j表示和真空二极电子管通电后向真空介质释放热电子，两个像素块，表示像素块中值，表示像素块此时阳极靶与阴极灯丝之间的管电压出现变化，阴的均值，表示像素值的灰度差。极电子也移动至阳极，撞上阳极靶后产生X射线。对于包含噪声的图像，在确定其高度、宽度、固定强度的X射线透过压力管道后，不同状态的灰度差后，通过公式（3)计算出图像噪声的标准差。管道射线吸收情况不同，X射线衰减情况为：o=WHg(i.)IPO8I=(1)E公式中，表示穿透管道后X射线的强度，I表示穿透管道前X射线的强度，P表示裂纹应力的叠加分布，表示衰减系数，E表示压力管道的壁厚度。正常状态和出现缺陷的压力管道，面对X射线时吸收强度不同，这也是后续裂纹检验的依据。如图1所示，穿透压力管道的X射线会直接照射到胶片内，在胶片上产生管道图像，再进行显影、停显等处理，生成压力管道X射线检测图像底片。2.设计裂纹检测图像处理方法考虑到直接获取的X射线检测图像可能存在很多噪声信息，影响压力管道裂纹检验结果，本文采用多重小波分解理念，构建图2 所示的图像分解模式。裂纹检测图像处理时，利用添加指数函数的改进灰度相似度因子，分析低频子图像和高频子图像的灰度变化情况,再运用非局部均值滤波算法5,去除分解后子图中包含的噪声信息。考虑到非局部均值滤波应用后，部分细节信息容易丢失，本研究应-88-小波分解高频部分公式中，表示图像噪声的标准差，W表示X射线检测图像的宽度，H表示X射线检测图像的高度，g表示灰度值，表示灰度差。通过上述计算得出图像噪声标准差，运用添加余弦函数的搜索窗，找出包含噪声信息，进行图像灰度均衡化处理，进一步去除图像噪声。再应用反向小波分解模式，得到重构处理后的压力管道X射线检测图像。3.生成管道裂纹缺陷检验结果考虑到焊接边缘附近的管道裂纹检验时，会受到边缘环境的影响。为了生产高精度的管道裂纹缺陷检验结果，文中采用非对称小尺寸结构元，建立压力管道腐蚀图像，并使得腐蚀结果不断偏移，摸出裂纹与焊接边缘之间的细小连通，避免管道裂纹缺陷检验结果出现偏差。而后，为了保证裂纹缺陷检验结果的直观性，应用二值图像分析方法进行裂纹标记。针对小波分解处理的图像，寻找每个裂纹像素点，标注为白色像素，将所有白色像素连通起来形成被标识的块，则该标记出的连通区域就是管道裂纹缺陷检验结果。在管道裂纹缺陷标注过程中，为了保证标注（2）(3）山东工业技术2 0 2 3年第4期（总第312 期）的准确性，需要先提取X射线检测图像中可能存表1X射线检测模型技术参数在缺陷的部分，按照上述处理方式标注连通区域，指标提取连接区域特征信息。并与管道裂纹体现出的靶材射线波长标准几何特征进行对比，判断当前缺陷检测结果，分辨力是否属于管道裂纹问题。调节电压调节电流二、锅炉压力容器压力管道裂纹预最大功率防方案为了更好地体现本文研究管道裂纹检测方法考虑到锅炉压力容器压力管道出现裂纹后可的有效性，本次实验过程中，选用了基于小波分能会引发一系列安全事故。本研究在设计裂纹检析的裂纹检验方法、基于李生差分的裂纹检验方验方法外，还从材料质量、运行安全管理、操作法，作为实验对照组。针对作为实验对象的锅炉水平三方面入手，建立了管道裂纹预防方案。在压力容器压力管道进行裂纹检验，对比三种方法管道材料的选择方面，需要根据压力管道工作要的检验结果，综合体现所提方法的应用性能。求，选择符合质量要求的材料，并在众多满足要2.裂纹检测结果求的材料中选择经济成本相对较低的一种，保证锅炉正常运行。而后，选择口碑好、受众多的材料供货商，让管理人员与这些大型供货商进行合作，提供压力管道制作所需的材料。在锅炉运行过程中，设计运行安全管理策略，由企业安排管理人员，时刻记录管道各部位的气密性与水密性，并检测操作人员的日常行为，完成压力管道的日常检验，实现管道使用寿命的全面提高。此外，员工的操作水平会直接造成管道裂纹的出现，在管道裂纹预防方案设计过程中，需要全面提升员工操作水平。首先，在选聘操作人员时应该提升录取标准，按照标准录取员工，再进行一段时间的岗前培训，将操作规范和要求告知所有操作人员，确保锅炉操作人员都具有较高的操作水平，最大程度预防压力管道出现裂纹。而后，企业可以引人大量资金和专业技术设备，实时检测管道运行状态辅助员工进行科学操作真正实现管道裂纹预防。三、实验1.实验准备为了验证本文设计的压力管道裂纹检验方法具有良好的应用效果，以某家工厂内的锅炉压力容器为研究对象，该锅炉的型号为HF-YL001，是目前应用最普遍的工业设备。应用文中设计方法进行裂纹检验时，需要应用工业x射线机进行压力管道检测,检测过程中涉及的技术参数如表1所示。参数与材料钨0.5 nm3.5 p/mm50kV220kV0.5 mA2.5mA250kW以某一处裂纹问题为例，本文设计裂纹检验方法应用后，所得压力管道裂纹结果如图3所示。图3压力管道裂纹检测结果图根据图3可知，所提方法表现出的裂纹检测结果较为清晰，将裂纹缺陷区域标注出来，并极大程度上保留了裂纹细节信息。从上述锅炉压力容器压力管道裂纹检测结果图可以看出，本文设计的裂纹检验方法具有突出的检测优势。3.检验方法性能对比在对比不同检验方法的性能时，汇总三种方法对压力管道的所有裂缝检测结果，并计算三种检验结果的F1分数。F1分数与常规评价指标相比，综合了召回率与精确率，可以更好地反映裂纹检验方法的综合性能，具体计算公式为：F1=20B+公式中，F1表示调和均值，表示裂纹检测精确率，表示裂纹检测召回率。通过公式(4)进行计算后，得到三种检验方法的裂纹检测结果的F1分数对比结果,如图4所示。-89-(4)方法相比其他两种，检验结果的F1分数增加了锅炉压力容器压力管道检验中的裂纹问题分析基新的方法基于小波分方法分的方法基于李生差0.65图4不同方法检测结果的F1分数对比根据图4可知，本文设计方法裂纹检验结果的F1分数为0.9 7，这表明了应用X射线检测技术后，可以更加全面地了解压力管道裂纹出现情况。其他两种裂纹检验结果的F1分数，分别为0.83和0.7 5。综上所述，本研究提出的裂纹检验0.970.830.750.70.7514.43%、2 2.6 8%/。这也表明所提方法应用后，得到了更加准确的裂纹识别结果，将其应用到实际生产过程中，可以更好地治理压力管道裂纹问题，保证锅炉压力容器压力管道的稳定运行。四、结束语0.80.85F1分数0.90.951.0在锅炉压力容器得到广泛应用后，压力管道的裂纹问题备受重视，为了更好地治理管道裂纹，本研究提出基于X射线检测的裂纹检验方法，准确检测出容器压力管道裂纹。同时，本研究还从裂纹出现原因入手，提出了一系列的压力管道裂纹预防方案，将二者同时应用到容器压力管道上，维护压力管道稳定运行。【参考文献1单会娜.压力容器管道裂纹检验中无损检测技术应用分析 .设备管理与维修,2 0 2 1(14):113-115.2赵建政，宋伟斌.基于小波域的锅炉压力容器压力管道裂纹X射线检测方法 .自动化与仪表,2 0 2 3,38(0 1):8 6-8 9+10 4.3肖奇，冯健，汪刚，等.基于多频平衡电磁技术的管道内外缺陷检测与全角度表面裂纹识别方法 J/OL.中国电机工程学报：1-102023-0306.4关静，楼飞.基于边缘轮廓的管道裂纹缺陷检测算法研究 .计算机与数字工程,2 0 2 2,50(0 5):110 3-110 8.5李波.锅炉、压力容器、压力管道检验中的裂纹问题及预防 .新型工业化,2 0 2 2,12(0 2):116-119.6王克刚，王靖虎.锅炉压力容器压力管道检验中的裂纹问题 J.中国设备工程，2 0 2 2(6 :2.7郭素琴.锅炉压力容器压力管道检验中的裂纹问题研究 .中国新技术新产品，2 0 2 2(14):3.Analysis of Cracks in the Inspection of Boiler Pressure Vessel and Pressure PipeZHAO Chang-long,KONG Peng(Shandong Special Equipment Inspection and Research Institute Group Co.,Ltd.,Jinan 250101,China)Abstract:During the inspection of boiler pressure vessel and pressure pipe,ultrasonic technology is mainlyused for crack detection,but it is easy to have blind spots,which makes the F1 score of crack detection resultlow.Therefore,a new method for crack inspection of boiler pressure vessel and pressure pipe is established,anda crack prevention plan is proposed.Relying on the principle of X-ray detection,the pressure pipeline image iscollected in all directions as the basis of crack detection.The X-ray image is decomposed into high-frequencysub-image and low-frequency sub-image by using the principle of multi-wavelet decomposition,and the imagenoise information is processed by combining the non-local mean filtering algorithm.After binary image analysisand defect feature analysis,the crack defects are marked,and the pressure pipe crack inspection results areobtained.At the same time,from three aspects of material quality,operation safety management and operationlevel,the prevention plan of boiler pressure vessel and pressure pipe crack is established.The experimentalresults show that the F1 score of the crack inspection result obtained after the application of the proposed methodis 0.97,which better meets the requirements of pressure pipe crack inspection.Key Words:boiler,pressure vessel,pressure pipeline,crackle,testing,prevention-90-