鋼管圓度檢測技術的研究是目前生產和使用過程中所面臨的一個重要課題。簡述了幾種已有的鋼管圓度檢測技術及其優缺點,總結了目前鋼管圓度檢測的現狀和存在的問題,并提出了一種新的鋼管CT射線圓度檢測技術。該技術利用CT射線成像手段,采用多源多探測器的投影數據獲取方式,通過OSEM重建算法,實現了少投影數據條件下鋼管截面的快速精確重建。該方法不僅能全面地獲取鋼管的質量參數,而且還可以做到實時成像在線圓度檢測,具有重大的實際意義和廣闊的應用前景。
鋼管是一種金屬管道,其質量由金屬材料的性質決定。優質材料的化學成分、物理性能及幾何形狀都必須是連續的、單純的并且均勻的,如果這三方面存在不足或者受到破壞,就會直接影響到鋼管的質量。在生產和使用過程中,對鋼管的各個質量參數進行檢測和控制是保證其質量并安全使用的重要環節。鋼管的檢測主要包括缺陷檢測和尺寸檢測兩個方面。缺陷檢測主要是指加工或使用過程中出現的物理缺陷的檢測,包括夾雜、裂紋、氣孔、夾渣等。尺寸檢測主要是指幾何形狀的檢測,包括壁厚、內外徑、不圓度、彎曲度等。其中,缺陷檢測和壁厚檢測技術已較為成熟,達到了在線實時檢測的要求,不圓度檢測技術是目前亟待解決的課題。
圓形鋼管的橫截面上存在著半徑不等現象,即存在著不一定相互垂直的最大半徑和最小半徑,則最大半徑與最小半徑之差即為不圓度,也叫橢圓度。
F只能反映出鋼管不圓度的絕對量,不能量度其相對量,為了更加合理的表示鋼管截面的不圓程度,筆者引入了相對不圓度的概念,即
式中,R表示鋼管截面圓的平均半徑。
不圓度是鋼管的一個重要質量參數,對精密儀器和回轉設備尤為重要。鋼管不圓度包括外圓不圓度和內圓不圓度,外圓不圓度主要影響鋼管布置的空間精度,內圓不圓度則會直接影響管內流體的狀態。
目前,鋼管圓度的檢測基本上都是離線測量,還沒有實時的在線檢測技術。根據鋼管是否和檢測設備接觸,可分為接觸式圓度測量和非接觸式圓度測量。
接觸式圓度儀目前發展較為成熟,但是由于原理和規格的限制,只適合中小型鋼管圓度的測量,常用的有傳感器圓度儀和V型法圓度儀(圖1)。其中傳感器圓度儀因其測量原理簡單、精度高、使用方便,目前在工業實際中獲得了廣泛應用[1]。但是由于其測量過程是接觸式的,因此對探頭的質量和工件安放位置的精度要求都很高。目前的改進方法是一方面采用三點法[2]、兩步法[3]、多步法[4]測量提高精度,另一方面采用緊接式探測器代替接觸式探測器,避免探頭與工件的長時間接觸[5]。V型法圓度儀是一種簡易的接觸式圓度儀[6],該方法的優點是結構簡單,操作方便。缺點是待測物體的轉動不均勻會給測量帶來較大誤差,而且該方法只能測量回轉體上的若干點,并不能連續測量所有點,因此最后測量的精度不高。
非接觸式圓度儀可以檢測較大規格的鋼管,并且具有非接觸、測量方便的優點,現有激光圓度儀和光纖圓度儀(圖2)。其中激光圓度儀可以方便的測量較大尺寸的回轉體,具有非接觸、原理簡單的優點,并且測量范圍大、精度高,具有很大的實用價值[7]。
圖1 探測器圓度儀(a)與V型法圓度儀(b)的原理圖
圖2 激光圓度儀(a)與光纖圓度儀(b)的原理圖
光纖圓度儀測量方法在20世紀80年代已經提出,但是由于其對工作環境的要求很高,在工業生產中幾乎沒有獲得實際應用[8]。
目前,傳感器圓度儀和激光圓度儀在工業實際中獲得了廣泛應用,也是目前鋼管圓度檢測的主要手段。但是不論是接觸式圓度儀還是非接觸式圓度儀在測量的過程中,都需要相對的旋轉運動,大大限制了測量速度,幾乎不可能實現在線實時檢測。并且僅傳感器圓度儀能測量鋼管的內外圓不圓度,其它圓度儀只能測量其外圓不圓度,更無法同時檢測鋼管缺陷、壁厚等這些重要質量參數。因此,開發能夠在線實時檢測鋼管包括不圓度、壁厚、物理缺陷等質量參數的檢測技術是目前鋼管生產領域面臨的重大課題。
為了解決目前鋼管圓度檢測的問題,本文提出一種全新的不圓度檢測技術)))鋼管CT圓度檢測技術。該方法是利用CT斷層成像的技術[9],重建出鋼管的截面圖像,通過對截面圖像的處理和分析,
便可以獲取鋼管的不圓度、壁厚、物理缺陷等幾乎所有質量參數。與其它檢測技術相比,CT檢測技術不僅能更加全面的獲取鋼管的質量參數,而且還可以做到實時成像在線檢測,具有很大的優越性。該技術需要解決的問題一是投影數據的采集和獲取方式,二是少投影下鋼管截面圖像的快速重建算法。
CT裝置的掃描方式直接影響投影數據的采集和獲取時間,目前的CT裝置多用旋轉和平移的掃描方式,數據采集的速度慢,并且一般多適用于靜止物體?？紤]到在生產線上鋼管的縱向運動,為了保證獲取的投影數據是鋼管同一截面上的信息,筆者采用射線源和探測器都靜止的多源多探測器的掃描方式,該掃描方式不僅保證能獲取運動鋼管同一截面上的投影信息,而且能夠做到投影數據的瞬時采集,大大減少了數據獲取的時間。但是,多源多探測器的掃描方式在空間尺寸一定的條件下要求源和探測器的數目不能太多,否則在實際結構中難以做到合理布置。這就決定了該掃描方式只能獲取鋼管同一截面上的有限組投影數據,如何在有限組投影數據條件下,較為精確地重建鋼管截面圖像就成為了CT射線圓度檢測技術的一個難點。圖3所示為僅有三源三探測器時該掃描方式的示意圖。
CT圖像重建算法包括解析類算法和迭代類算法,在少投影數據條件下迭代類算法圖像重建效果明顯優于解析類算法。本文采用的有序子集期望最大化算法(OSEM)是一種迭代類算法,該算法收斂速度快,重建時間短,在醫用和工業CT中都獲得了廣泛的應用,其迭代公式為[10]:
圖3 多源多探測器掃描方式示意圖
式中,i為象素編號;k為迭代次數;pj為投影值;cij為系統傳輸矩陣;Sp(n)代表子集;λn+1(k)為在第k次迭代中,處理完子集Sp(n)后,圖像象素的更新值。由式(3)可以看出,在一次迭代中,有多少子集數目,圖像象素值就會被更新多少次。
圖4是用模擬數據分別在30、20、10組投影下用OSEM算法重建的鋼管截面圖像,在Petuim4/2.79微機上重建的時間分別為1.203、0.828、0.469s?？梢?在20組投影下圖像重建耗時不到1s,時間上可以滿足鋼管在線生產檢測的需要。由圖像質量可以看出,該算法可以基本滿足20組投影數據下的鋼管截面圖像重建,更少投影下的重建算法有待進一步研究。
圖4 30組(a)、20組(b)、10組(c)投影下重建的鋼管截面圖像
要實現鋼管圓度的在線檢測,除了要滿足檢測時間足夠短的要求外,還必須保證檢測的精度。對于圖4中的鋼管重建截面,分別進行二值化處理和邊緣提取,得到圖5中所示的圖像。從該圖像更容易看出,當投影數據減少到10組時,重建鋼管截面噪聲影響十分嚴重并且圖像邊緣出現了明顯的多邊形化趨勢,明顯不能滿足鋼管檢測的精度要求。計算30和20組投影數據下重建鋼管截面的內外徑尺寸及不圓度,得到了如表1所示的結果,其中模型的內外標準半徑分別為0.50m和0.35m。對于無縫鋼管,國家標準規定其外徑允許偏差可分為D1~D4四個等級,其中精度要求為1.5%~0.5%,壁厚允許偏差可分為S1~S5五個等級,最高精度要求為5%,可見20組投影數據下重建的鋼管截面圖像基本可以滿足上述精度要求。
圖5 30組(a)、20組(b)、10組(c)投影下重建的鋼管截面邊緣分布
表1 30、20 組投影數據下重建鋼管截面的幾何尺寸
目前的圓度檢測技術多用于實驗室離線測量,在車間現場多采用游標卡尺、千分尺等檢測鋼管的不圓度,受測量方法和人為因素的制約,精度不高。隨著對鋼管質量要求的越來越高,圓度測量一方面要求具有更高的精度,以滿足精密儀器生產加工的需要;另一方面迫切需要一種新的在線非接觸圓度測量技術,以滿足鋼管生產過程中在線檢測和控制的需要,提高鋼管產品質量。高精度、非接觸的在線圓度檢測技術是未來的研究和發展方向。射線CT檢測技術作為一種高效的圖形圖像檢測手段,不僅能很好地滿足以上兩方面對鋼管圓度檢測的需要,而且可以同時檢測壁厚、內外徑、物理缺陷等重要質量參數,特別適合對鋼管的質量進行在線檢測和控制。隨著研究的進一步深入,該技術一旦應用于生產過程,必將全面提高鋼管產品質量,具有重大的現實意義和廣闊的應用前景。
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