CN111735837A - 一种用于管道内缺陷巡检的x射线背散射检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于管道内缺陷巡检的X射线背散射检测装置，所述装置被定位于管道中心，在管道内部采用螺旋前进的方式进行扫描；所述装置包括X射线背散射检测扫描头，控制与冷却装置，电源与驱动装置；所述X射线背散射检测扫描头包括主轴；扫描头主轴上设有射线源室；所述射线源室，用于放置放射源；所述射线源，用于产生能够为成像提供足够穿透力的射线；所述射线背散射检测扫描头还包括可绕扫描主轴旋转的射线束准直器，用于将离开所述源室的射线调制成多个笔形射线束；以及多组可绕扫描主轴旋转的探测器，用于探测被管壁背向散射的X射线。本发明的用于管道内缺陷巡检的X射线背散射检测装置能够实现各类缺陷的全面检测，且可在恶劣环境及源和探测器需要单侧布置的检测任务中使用。

Description

一种用于管道内缺陷巡检的X射线背散射检测装置

技术领域

本发明涉及核辐射背散射成像装置技术领域，尤其涉及一种用于管道内缺陷巡检的X射线背散射检测装置。

背景技术

管道运营商在管理其生产井和管道资产完整性方面面临的问题是管道结垢，腐蚀，沉淀物以及管道和套管缺陷等。这些缺陷通常会导致生产井的生产能力降低，降低约5％到20％，以及潜在的灾难性故障，可能导致严重的伤害甚至死亡。故而，需要对套管完整性问题进行昂贵的修复(维修或更换)。

由于管道检修操作条件和现有的检测技术的技术局限，井筒和管道中的常规矿物垢形成，微生物诱发的腐蚀以及材料缺陷评估和检测过程非常复杂，耗时且成本很高。常用的超声管内检测方式能够检测分层腐蚀、壁厚，但对点腐蚀检测效果差，需要液体介质和清理装置；漏磁检测方式能检测点腐蚀和形变，但微小尺寸腐蚀损伤的检测效果不佳。并且两种检测手段检测结果均是用曲线展示，对检测技术人员的专业知识储备要求较高。除此之外，检测装置探测器使用较多，维护费用较高。

基于康普顿散射成像技术的检测装置具有辐射源和成像装置都放置在目标对象的同一侧的优势，能够以直观图像展示给出的检查结果，应用于管道内缺陷巡检具有优势。康普顿散射图像是通过笔形X射线束对被检测物体进行飞点扫描形成的。笔形X射线束扫描的每个位置，散射的X射线都由与X射线源位于系统同一侧的探测器收集。通过跟踪笔形X射线束在目标物体上的瞬时位置并测量入射在探测器上的散射X射线的总体强度，可以将散射射线强度与目标检测物体上的每个笔形X射线束扫描位置相关联。然后，可以通过沿与笔形束扫描方向垂直的方向移动目标对象或移动X射线背散射检测器装置。这样可以逐行扫描目标对象来构建整个二维图像。结合机器视觉相关研究，可以实现人工智能图像自动识别。

X射线背散射成像目前用于检测和筛选各种物体，如行李、车辆和人员。常规X射线背散射成像装置对这些物体进行检测和筛选的工作环境是相对清洁的，并且处于常温常压下。然而，井套管内的环境不太干净，通常处于高温和高压下，传统的X射线背散射成像装置无法承受这种条件。此外，井眼套管和管道的几何结构呈圆柱形，不在常规应用范围中。为了解决这个问题，这就需要一种能用于管道内缺陷巡检的X射线背散射成像装置。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于管道内缺陷巡检的X射线背散射检测装置，该装置可在恶劣环境和复杂管道结构中使用，在不影响管道输运介质的情况下，对管道内缺陷进行在线检测，结合人工智能缺陷识别技术可实习全自动检测。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于管道内缺陷巡检的X射线背散射检测装置，所述装置被定位于管道中心，在管道内部采用螺旋前进的方式进行扫描；

所述装置包括射线背散射检测扫描头，控制与冷却装置，电源与驱动装置；

所述射线背散射检测扫描头包括扫描主轴；扫描主轴上设有射线源室；

所述射线源室，用于放置放射源；

所述射线源，用于产生能够为成像提供足够穿透力的射线；

所述射线背散射检测扫描头还包括多个可绕扫描主轴旋转的射线束准直器，用于将离开所述源室的射线调制成笔形射线束；以及

多组可绕扫描主轴旋转的探测器，用于探测被管壁背向散射的射线；

进一步地，所述射线背散射检测扫描头还包括旋转支架，用于固定和支撑探测器和射线束准直器，并带动射线束准直器和探测器旋转。

进一步地，所述可旋转射线束准直器周向布置在源室外，将离开所述源室的射线调制成笔形射线束；所述笔形射线束沿管道径向出射垂直于管道壁。所述可旋转探测器成对沿管道轴向布置在准直器两侧；所述笔形射线束位于可旋转探测器对布置的几何中心，探测器对数量与笔形射线束数量一致；

进一步地，所述装置还包括管道内居中限定装置，用于将该检测装置定位于管道中心。

进一步地，所述扫描主轴还包括设置在其前端的整流罩。

进一步地，所述射线背散射检测扫描头、控制与冷却装置、电源与驱动装置通过铰接装置连接。

进一步地，所述旋转支架为圆筒形，罩设于所述主轴的外部；所述旋转支架通过轴承与扫描主轴连接；所述旋转支架内壁紧固多个均匀分布的永磁体；所述扫描主轴上分布有多个电枢铁芯，电枢绕组绕制在电枢铁芯上。

进一步地，所述管道内居中限定装置包括铰接件、滑块连接件、万向轮和伸缩杆，根据待检测管道的内径，调节伸缩杆可使检测装置能够适用于不同内径的管道管壁缺陷检测。

进一步地，所述射线为X射线，X射线管采用周向机，产生360°周向发射的X射线，并通过可旋转准直器形成周向分布的笔形X射线束。所述X射线管的阳极靶为圆锥形，X射线管位于管道中心。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明管壁缺陷检测装置，基于康普顿散射成像技术设计，具有辐射源和成像装置都放置在检测对象的同一侧的优势，能够以直观图像展示给出的检查结果，实现各类缺陷的全面检测，并且能够在井眼套管和输油管线等的极端条件下运行。

2、该装置可用于井眼套管、输油管线等恶劣环境，也可以用于其他具有相似的几何因素的结构中。例如，该装置可用于水管管线和输气管道内、发电厂的商业烟囱内以及大型储存容器内，以检测墙壁或衬里。该装置还可为大坝、桥梁和建筑物的部件检测提供帮助。

附图说明

图1是本发明中用于管道内缺陷巡检的X射线背散射检测装置的整体概念示意图；

图2是本发明中背散射检测扫描头的两种探测器布置方案示意图；

图3是本发明中一个实施例的X射线背散射扫描头的剖面示意图；

图中：101-管道；102-背散射检测扫描头；103-铰接装置；104-控制与冷却装置；105-电源与驱动装置；201-笔形射线束；202-可旋转探测器；203-可旋转准直器；204-旋转支架；205-射线源室；301-扫描主轴；302-整流罩；303-阳极靶；304-阴极灯丝；305-铰接件；306-滑块连接件；307-万向轮；308-伸缩杆；309-电枢绕组；310-电枢铁芯；311-永磁体；312-轴承。

具体实施方式

本实施例为针对现有管道内缺陷巡检装置存在缺陷检测类型不全面，检测结果不直观的问题，提出了采用X射线背散射成像技术的管道内缺陷巡检装置的设计方案，应用该方案的装置能够对高温、高压等恶劣环境下和几何结构复杂的管道进行在线缺陷检测，能够检测各类缺陷且检测结构以直观图像展示。

下面参照附图对本发明的一个实施方式所涉及的X射线背散射检测装置进行说明。然而，应该理解，随附的附图和详细的描述不是为了将本公开限制到具体形式，而是为了覆盖落入由随附的权利要求限定的本公开的精神和范围中的所有修改、等同形式和替换形式。附图为了示意不按比例绘制。

图1出示了本发明中用于管道内缺陷巡检的X射线背散射检测装置的整体概念示意图；该装置在管道101内部采用螺旋前进的方式进行扫描，获得管道内部扫描数据，并将扫描数据传输到显示端以图像形式显示。可以利用人工智能对图像中的缺陷进行检出，以减轻检测人员的工作负担并能提高检测效率。该装置由X射线背散射检测扫描头102，控制与冷却装置104，电源与驱动装置105及灵活的铰接装置103组成。其中，X射线背散射检测扫描头102将在图2，3中给出详细的说明。灵活的铰接装置103连接各个部件，使装置类似于铰链能够在管道弯曲或分叉口也能正常移动。控制与冷却装置104相当于整个装置的大脑，控制从扫描头传输来的数据，将数据通过无线或有线方式传输到管外主机并显示；104还负责接收处理用户指令，发送警告及错误信息等，控制整个机器的运行，并为整个装置提供冷却服务。电源与驱动装置105为整个装置提供电源和动力驱动。由于管道内空间限制，采用铰链结构，各个装置可单独布置，非具体局限于本实例。

为了产生连续的目标图像，需要获得连续的数据流；X射线源必须产生连续的或高占空比的扇形束。为了获得合理的覆盖视野，扇形束的打开角度也应该较大。为了能够在目标上进行逐像素的笔形射线束扫描，可旋转准直器位于扇形射线束的前面，并具有一个开口，该开口设计为允许所需尺寸的笔形光束通过。随着准直器的旋转，准直器会选择X射线扇形束的不同部分，从而在整个目标上沿一维方向笔形光束扫描。通常使用旋转的准直器而不是往复运动准直器来提供该功能。该系统的分辨率由斩波轮孔径，X射线管焦点尺寸，斩波轮到要检测物的距离共同决定。旨在收集背散射射线的探测器不会影响图像分辨率。

图2所示为本发明中背散射检测扫描头的两种探测器布置方案示意图。该装置探测器模块其由笔形准直射线束201、可旋转探测器202、形成笔形准直射线束的可旋转准直器203、探测器及准直器支架204和射线源室205组成。射线可以采用任何可以为成像提供足够穿透力的射线，可以采用X射线、伽马射线、中子、太赫兹或电子等，本实例是一个特别的实例，考虑采用X射线管作为射线源。X射线管位于射线源室内。X射线管采用周向机，产生360°周向发射的X射线，并通过可旋转准直器203形成周向分布的笔形X射线束；X射线束与管道101材料作用发生康普顿散射，散射射线被可旋探测器202探测。可旋转准直器和可旋转探测器被安装在准直器支架204上并被驱动对管内壁进行旋转扫描，扫描数据形成扫描图像。由于笔形射线束需要与探测器一起旋转运动，探测器需要与射线束成对布置；由于管内空间的限制及装置经济成本考虑，扫描束及探测器布置的数量不能够太多。图2(a)和图2(b)分别出示了两个笔形束和三个笔形束时，扫描头内探测系统的布置。图2(a)采用两个笔形束，两对半圆柱形探测器，探测器沿轴向布置在笔形射线束两侧，笔形束位于探测器对的几何布置中心。探测器之间由探测器支架隔开，借此可以防止背散射射线在探测器之间的窜扰，除此之外，还可以设置探测器的能量阈值，扣除多次散射的低能粒子提高信噪比。图2(b)采用三个笔形束，三对平板探测器，探测器也是沿轴向布置在笔形束两侧，笔形束位于探测器对的几何布置中心。增加笔形束和探测器的数量，有利于提高装置的扫描速度；探测器形状及探测器布置不局限于实例所示的形式。

图3出示本发明中一个实施例的X射线背散射扫描头的剖面示意图，该图详细展示X射线背散射检测装置扫描头的具体细节。装置的主轴301，包括射线源室205和整流罩302。射线源室205内置射线源，本实例采用的X射线管，其由阳极靶303和阴极灯丝304组成；要形成360°周向发射的X射线，阳极靶303需要采用圆锥形结构；由于该装置应用于管道内，而管道常用于运输流体，故而，整流罩301能用于减少装置前进运动的阻力。X射线背散射检测装置在工作中要求装置位于管道中心，需采用居中限定装置。居中限定装置由铰接件305、滑块连接件306、万向轮307和伸缩杆308组成。伸缩杆308利用内置液压机构驱动伸长和缩短，推动滑块306移动，进而调整居中限定装置适用不同内径的管道。可旋转准直器203和可旋转探测器202均固定于探测器及准直器支架204上；探测器及准直器支架204通过轴承312与装置主轴301连接。探测器及准直器支架204转筒内壁紧固若干个均匀分布的永磁体311。永磁体311与电枢铁芯310及电枢绕组309组成电动机，驱动X射线背散射装置旋转运动对管道进行扫描。若干个电枢铁芯310均匀分布在主轴301上；电枢绕组309绕制在电枢铁芯310上，通过给电枢绕组310通交变电流即可驱动装置旋转运动。

根据本发明的一个实施例，X射线背散射扫描头102、冷却与控制装置104及电源与驱动装置组成一个X射线背散射检测装置。在不离开本专利的基本构思上，可以采用一套X射线背散射检测装置配置多个X射线背散射扫描头102或多个冷却与控制装置等。该装置由电池供电提供驱动或通过管道内流体在装置前后产生的压力差驱动其在管道内前进。通过闭环水冷却系统来冷却X射线管和高压电子设备。冷却系统将装置产生的热量释放到管道输运的流体中。对于气态流体，可以使用水对空气的散热器；对于液体可以水对液体的散热器。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种用于管道内缺陷巡检的X射线背散射检测装置，其特征在于，

所述装置被定位于管道中心，在管道内部采用螺旋前进的方式进行扫描；

所述装置包括射线背散射检测扫描头，控制与冷却装置，电源与驱动装置；

所述射线背散射检测扫描头包括主轴；主轴上设有射线源室；

所述射线源室，用于放置放射源；

所述射线源，用于产生能够为成像提供足够穿透力的射线；

所述射线背散射检测扫描头还包括可绕扫描主轴旋转的射线束准直器，用于将离开所述源室的射线调制成笔形射线束；以及

多组可绕扫描主轴旋转的探测器，用于探测被管壁背向散射的射线。

2.一种如权利要求1所述的用于管道内缺陷巡检的X射线背散射检测装置，其特征在于，所述X射线背散射检测扫描头还包括旋转支架，用于固定和支撑探测器和射线束准直器，并带动射线束准直器和探测器旋转。

3.一种如权利要求2所述的用于管道内缺陷巡检的X射线背散射检测装置，其特征在于，所述可旋转射线束准直器周向布置在源室外，将离开所述源室的射线调制成笔形射线束；所述笔形射线束沿管道径向出射垂直于管道壁；所述可旋转探测器成对沿管道轴向布置在准直器两侧；所述笔形射线束位于可旋转探测器对布置的几何中心，探测器对数量与笔形射线束数量一致。

4.一种如权利要求1-3任意一项所述的用于管道内缺陷巡检的X射线背散射检测装置，其特征在于，所述装置还包括管道内居中限定装置，用于将该检测装置定位于管道中心。

5.一种如权利要求1-3任意一项所述的用于管道内缺陷巡检的X射线背散射检测装置，其特征在于，所述扫描主轴还包括设置在其前端的整流罩。

6.一种如权利要求1-3任意一项所述的用于管道内缺陷巡检的X射线背散射检测装置，其特征在于，所述射线背散射检测扫描头、控制与冷却装置、电源与驱动装置通过铰接装置连接。

7.一种如权利要求2所述的用于管道内缺陷巡检的X射线背散射检测装置，其特征在于，所述旋转支架为圆筒形，罩设于所述主轴的外部；所述旋转支架通过轴承与扫描主轴连接；所述旋转支架内壁紧固多个均匀分布的永磁体；所述扫描主轴上分布有多个电枢铁芯，电枢绕组绕制在电枢铁芯上。

8.一种如权利要求1所述的用于管道内缺陷巡检的X射线背散射检测装置，其特征在于，所述管道内居中限定装置包括铰接件、滑块连接件、万向轮和伸缩杆，根据待检测管道的内径，调节伸缩杆可使检测装置能够适用于不同内径的管道管壁缺陷检测。

9.一种如权利要求1或8所述的用于管道内缺陷巡检的X射线背散射检测装置，其特征在于，所述射线为X射线，X射线管采用周向机，产生360°周向发射的X射线，并通过可旋转准直器形成周向分布的笔形X射线束；所述X射线管的阳极靶为圆锥形，X射线管位于管道中心。

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