基于热CT 的激光治疗仪在工业缺陷检测中的应用研究

一、引言

1. 研究背景

压力容器中的小口径接管（管径 20--100mm ）广泛应用于炼化、油气等工业场合，其角焊缝结构复杂、焊接质量要求高。然而，该类结构在制造和检测中常缺乏统一标准，传统超声等技术受限于表面状态和操作空间，难以实施有效检测，易导致设备在运行中出现开裂、泄漏等安全隐患。因此急需发展适用于复杂结构的无损检测新技术。

2. 研究问题

本研究重点解决热 CT 引导的激光治疗仪检测系统在小口径接管检测中的三层次适配问题：

（1）异形探头设计：针对小口径接管结构复杂、空间狭小的特点，设计曲面自适应激光扫描头替代传统电磁线圈，解决空间逼近难题，使探头能够更贴近焊缝，提高检测精度。

（2）相贯线扫描路径：小口径接管焊缝为相贯线形式，设计动态相贯线扫描模式，实现焊缝的全覆盖检测，确保无遗漏地检测到焊缝上的缺陷。

（3）微缺陷量化评估：通过 COMSOL 仿真优化热激励参数，结合双三次插值算法，实现对缺陷尺寸的精确量化。

3. 研究目的

构建适用于小口径接管的热CT 引导激光检测体系，实现以下目标：

（1）弧形焊缝的缺陷精准定位：通过设计与小口径接管结构相匹配的曲面自适应激光扫描头，结合红外热像仪实时监测温度场分布，能够精准定位弧形焊缝上的微裂纹、未熔合等缺陷。

（2）裂纹长度的自动量化分析：利用双三次插值算法和分段线性直方图红外图像增强算法处理热成像图像，提取缺陷的像素信息，结合相关公式计算缺陷长度，实现裂纹长度的自动量化分析。

4. 研究意义

本研究通过开发热 CT 与激光技术相结合的检测系统，实现了对小口径接管弧形焊缝微缺陷的精准识别与定量分析，显著提高了检测效率。该技术不仅能预防因接管失效引发的安全事故，保障炼化装置安全稳定运行，还具有重要的经济效益与社会意义。同时，该研究填补了复杂结构微缺陷量化检测的技术空白，为无损检测技术发展提供了新思路，拓展了其在工业检测中的应用前景。

二、​相关技术综述

1、小接管检测技术局限

2、本系统创新理论（1）弧形复合探头设计

本系统创新性地设计了弧形复合探头，融合图 1 线圈与激光优势，采用激光热源替代电流激励，消除水冷系统，简化结构，提高可靠性。电磁传感器集成于探头尖端，增强缺陷涡流响应，提升检测灵敏度。探头曲率半径 5～50mm 可调，自适应接管几何，确保紧密贴合，提高检测精度和通用性。

图一：激励线圈模型

3、热 CT 量化模型

在热 CT 量化模型中，通过提取缺陷区域的热指纹来实现对裂纹等缺陷的量化分析。裂纹区域的温度梯度与电导率（ σ_σσσ ）和热导率（k）的关系为：

这一关系表明，缺陷区域的温度梯度与材料的电导率和热导率成反比。因此，通过测量温度梯度，可以推断出缺陷区域的电导率和热导率变化，从而实

现对缺陷的量化分析。

（2） 双三次插值增强

采用双三次插值算法对热图像进行增强处理，将图像分辨率提升至像素级。通过该算法，可以更清晰地识别缺陷区域的边界，为缺陷尺寸的精确计算提供支持。具体计算公式为：

这里， L_real 表示缺陷的实际长度， L_pix 是缺陷在图像中的像素长度， L_sample 是样本的实际宽度，而 N_pix 是样本在图像中的像素宽度。通过这种计算方法，可以实现对缺陷尺寸的定量评估，为无损检测提供更准确的数据支持。

三、实验验证

为验证本系统的可行性与有效性，我们设计并实施了系列实验。实验主要围绕温度响应对比、缺陷量化精度及检测效率三个方面展开。通过搭建实际检测平台，采用小口径接管试件，并在其表面预设不同尺寸的人工缺陷，对系统性能进行全面评估。在温升对比实验中，系统能够清晰呈现缺陷与非缺陷区域的热响应差异，展现出良好的缺陷区分能力。在量化分析方面，结合双三次插值算法与图像增强处理，实现了对缺陷尺寸的准确测算，结果显示系统具备较高的测量精度。此外，通过采用动态相贯线扫描模式与优化的热激励参数，系统在检测效率方面相比传统方法表现出显著提升，实现了快速、全面的焊缝扫描。

实验结果表明，本研究提出的热 CT 引导激光检测系统能够有效实现对小口径接管焊缝缺陷的识别与定量评估，验证了该系统在工业检测中的实用价值与优势。

四、总结

本研究针对小口径接管焊缝检测中的技术难题，提出了一种基于热 CT 引导的激光检测系统，成功突破了三大技术瓶颈。首先，创新设计了弧形激光 -电磁复合探头，采用激光热源替代传统水冷线圈，简化了系统结构，并通过探头尖端集成电磁传感器增强缺陷响应能力。探头曲率可调，能够灵活适应不同尺寸的接管，有效解决了检测中的空间逼近问题。其次，提出了参数化相贯线扫描路径规划方法，通过将柱面方程转化为参数方程，实现动态扫描，确保对焊缝的全覆盖检测。最后，建立了热 CT 像素双量化模型，采用双三次插值算法和红外图像增强算法处理热成像图像，显著提升了缺陷尺寸的评估精度。未来研究将致力于开发防爆型移动检测装备，提升系统在炼化现场应用的安全性和便携性。该装备能够在复杂工业环境下稳定运行，为压力容器小口径接管提供更加高效、精准的无损检测技术支持，进一步保障炼化装置的安全运行。

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资 助 项 目：2024 年 市 级 大 学 生 创 新 创 业 训 练 计 划（ 项 目 编 码：202410066093）