小径管X 射线数字成像检测技术发展现状与智能化趋势

1 引言

1.1 研究背景

小径管（直径 ⩽100mm ）广泛应用于石油、核电、化工等领域，其结构复杂（含弯头、三通等）、材料多样（不锈钢、钛合金等），且工况严苛（高温、高压、腐蚀），传统检测方法难以满足需求。X 射线数字成像（DR）技术凭借高效率、高分辨率及智能化优势，逐步成为主流解决方案。本文综述其技术原理、发展历程，分析当前瓶颈，并展望未来超分辨率成像、多模态融合等方向。

小径管是工业系统的关键部件，其缺陷（如微裂纹、气孔）易引发失效。传统胶片检测效率低，特殊情况下仅为 X 射线数字成像（DR）技术的 2/5 ，且受限于小径管的几何复杂性（曲率大、壁厚不均）和多材料干扰（如钢 - 铝复合管），对 ⩽0.2mm 缺陷的漏检率高达 20%～40% ，难以实现高精度全覆盖检测。

1.2 X 射线数字成像（DR）技术的优势

X 射线数字成像（DR）技术通过数字化探测器直接成像，具有以下优势

⑴效率类：实时成像（0.5s/ 帧）、无化学处理。

⑵性能类：分辨率最高可达20μm、动态范围80dB。

⑶应用类：支持AI 缺陷分类与自动化管理。

1.3 研究目的

探讨 X 射线数字成像（DR）技术如何通过超分辨率成像（目标： 10μm, ）、多模态数据融合（X 射线 + 超声）、轻量化 AI 模型（参数量 <1M），来解决当前小径管检测的瓶颈问题。

2 技术原理与特殊性

2.1 基本原理

X 射线数字成像检测（简称 DR 检测）是一种利用数字探测器在射线辐照下获取被检工件信息，直接由后续电路把射线衰减信息转变为电信号，经计算机处理后以数字图像形式显示的数字化射线检测技术。其成像机制主要遵循比尔-朗伯定律： I=I₀e^-μt I₀ 入射强度，I ：投射强度， μ ：线性衰减系数，t ：材料厚度），而衰减差异会形成携带缺陷信息的投影图像。

其探测器类型如下：

▪ 平板探测器：具有间接转换型（将 X 射线转换为可见光，光电二极管阵列转换为电信号）和直接转换型（将X 射线转换为电荷）两类，其高动态范围、低噪声，适合小径管高分辨率成像。

▪ CMOS/CCD 探测器：通过光纤耦合或透镜系统与闪烁体结合，实现微小区域高灵敏度成像，但易受散射干扰。

2.2 小径管特殊性

⑴几何挑战：

▪ 管径小（通常 ⩽50mm. ），要求高分辨率探测器（像素 ⩽20μm ）及微焦点射线源（ ⩽0.1mm, ）。

▪ 壁厚差异显著，焊缝余高、坡口区域易导致局部过曝光或欠曝光，需动态范围压缩算法。

▪ 复杂焊缝结构，需多角度成像或CT 重建辅助。

⑵散射与噪声干扰：曲率导致散射增多，需采用准直器或抗散射栅，结合软件降噪（如小波变换）。

⑶缺陷多样性：需针对性优化成像参数（如低电压、高电流）。

2.3 关键技术

⑴图像优化：双壁单影 / 双影成像选择，曝光参数自适应（基于管径 / 壁厚自动调节kV、mA）。

⑵信号处理：暗场 / 平场校正，消除探测器固有噪声与非均匀响应；散射校正，基于蒙特卡罗模拟或实验标定，减少边缘模糊。

⑶算法增强：自适应直方图均衡化（CLAHE），增强局部对比度，避免过度增强背景噪声；深度学习去噪（U-Net 等网络抑制噪声并保留缺陷特征）；缺陷自动识别，结合形态学处理与卷积神经网络（CNN）实现实时分类等。

⑷三维扩展：数字层析合成（DTS），有限角度投影重建焊缝三维结构，解决重叠干扰。

3 发展历程

X 射线检测技术发展至今已有 130 余年，其早期阶段（20 世纪中后期）由胶片射线检测为主，并进行 CR 技术初步数字化尝试；中期发展阶段（20 世纪末 -21 世纪初）DR 技术兴起，平板探测器广泛得到应用，实时成像系统出现并与小径管检测产生初步结合；近年进展阶段（2010 年至今）出现高分辨率探测器、AI 辅助缺陷识别、三维 CT 技术局部应用等，国际标准与行业规范也在逐渐完善（如 ISO、ASTM），目前 DR 技术已逐步成为行业内无损检测方法的首要选择之一。

4 当前技术瓶颈

4.1 成像性能

微缺陷如小径管薄壁焊缝中的微裂纹（ ⟨50μm⟩ ）、微小气孔（ ⟨100μm ）等，对探测器分辨率（ ⩽20μm 像素）和 X 射线源焦点尺寸（微焦点≤ 5μm）要求极高，但微焦点源（如 Yxlon FF20）的 5μm 焦点尺寸需牺牲功率（ ⩽5W) ），导致曝光时间延长 3 倍。同时多材料复合管受散射噪声、量子噪声限制，需多能谱成像以避免信号过曝。而异形管（弯头、三通等）曲率变化导致投影畸变，需动态调整射线角度或采用CT 扫描。

4.2 智能化

AI 模型人工判读依赖，缺陷识别依赖经验，漏检率受主观影响，需建立标准缺陷数据库辅助训练 AI 模型（工业缺陷样本量 <1000/ 类的数据库规模不足以训练 ResNet 等模型），同时对小样本缺陷泛化能力不足，实时检测面临算力瓶颈，需轻量化模型部署。

4.3 成本

工业 CT 设备昂贵，微焦点价格高达百万级，且效率低，单件扫描需数小时，制约工业现场应用，对中小企业推广困难，可有限角度 CT 或数字层析合成（DTS）降低成本，但会牺牲部分分辨率。

5 未来展望

5.1 技术方向

超分辨率成像技术，基于深度学习的图像超分（如 SRCNN）可提升低分辨率探测器性能；自适应智能检测系统，结合数字孪生技术可实时优化检测参数以适应不同管型；新型探测器材料，钙钛矿量子点探测器（高灵敏度、低成本）或可穿戴柔性探测器（适应异形管）；多模态融合检测，如 X 射线 + 激光超声的融合检测可将裂纹检出率从82% 提升至 96% 。

5.2 智能化发展

深度学习在缺陷自动分类与量化中的应用，数字孪生技术与全生命周期监测结合。

5.3 标准化

建议推动行业标准统一，推动小径管 DR 检测数据库开源，开发低成本国产化设备，建立共享缺陷数据库与算法平台。

6 结语

小径管 X 射线数字成像（DR）技术的进步经历了多个重要突破，从胶片到数字化，大幅提升了检测效率和图像质量；从二维到三维，使复杂结构（如异形管、多焊缝）的可视化成为可能；从人工到智能，深度学习和机器视觉的融合，推动缺陷自动识别从“辅助判读”迈向“智能诊断”；从实验室到工业现场，便携式DR 系统、低剂量成像技术的成熟，使检测场景从固定实验室扩展至野外、高空等复杂环境。

X 射线数字成像（DR）技术通过数字化、智能化革新了小径管检测，但微缺陷识别、AI 泛化性及成本问题仍需突破。未来需产学研协同，推动技术转化与标准制定，实现更高效、智能的检测体系。

参考文献：

[1] 王磊、张建华、李强，基于 DR 技术的小径管焊缝缺陷智能检测方法，机械工程学报，2022，58(10): 1-10

[2]刘伟、陈志强，小径管X射线数字成像散射噪声抑制方法研究，无损检测，2021，43(5): 12-17

[3] 李阳光，柔性钙钛矿探测器及其在异形管检测中的适应性研究，光学精密工程，2022，30(7): 1580-1588