摘 要：傳統(tǒng)的石油鉆桿探傷主要依靠人工操作，完成整套工序需要大量的人力、物力，且效率低下，不能滿足大批管材快速探傷的要求。因此，開發(fā)了一種生產(chǎn)效率高，成本低的石油鉆桿探傷系統(tǒng)。采用計算機視覺技術(shù)結(jié)合具體硬件實現(xiàn)了石油鉆桿裂紋的自動檢測和打標(biāo)。文章闡述了石油鉆桿探傷系統(tǒng)組成與功能，探傷流程，以及用到的關(guān)鍵技術(shù)。 關(guān)鍵詞：石油鉆桿;裂紋檢測;Visual C++ 6.0;圖像處理 Abstract: Traditional Flaw-detection of oil drill pipe mostly depends on manual operation. It takes a great lot of manpower and material resources to complete entire working procedure with low efficiency which can’t fulfill the requirement of fast flaw-detecting of large quantities of oil drill pipes. Therefore the author developed a high produce efficiency and low cost flaw detection system of oil dill pipe. This system which adapts Visual C++6.0 technology and considers material hardware has realized automatic flaw detection and hit symbol on oil dill pipes. This paper narrates some important things such as system constitutions and functions, detection flow and key technologies used in the system. Key words: Oil Drill Pipe; Crack-detection; Visual C++ 6.0; Image Processing; 1 前言 　　原油開采過程中，石油鉆桿是地面旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)與鉆鋌、鉆頭連接的主要部件，在油田的使用量非常大。它能否正常、安全地工作，是油田鉆井工程能否正常進(jìn)行的關(guān)鍵之一。鉆桿服役條件惡劣，在地下承受各種復(fù)雜交變載荷的作用，容易產(chǎn)生疲勞裂紋，帶有裂紋的鉆桿繼續(xù)下井工作就有斷裂的危險，一旦發(fā)生鉆柱斷裂造成埋井的情況，經(jīng)濟損失可達(dá)數(shù)百萬，嚴(yán)重影響鉆井工程的經(jīng)濟效益。因此，應(yīng)及時對鉆桿進(jìn)行裂紋檢測。傳統(tǒng)的石油鉆桿探傷主要依靠人工判讀，勞動強度大，生產(chǎn)效率低，不能滿足大批鉆桿快速探傷的要求;個別油田引進(jìn)了國外管材探傷自動化生產(chǎn)線，但是價格昂貴，生產(chǎn)成本過高。本文提出了一種利用計算機視覺技術(shù)進(jìn)行裂紋檢測的方法，將該方法應(yīng)用于石油鉆桿裂紋檢測可以很大程度上提高裂紋檢測效率，降低勞動強度和生產(chǎn)成本。 2 系統(tǒng)組成和功能 　　首先對送檢鉆桿進(jìn)行預(yù)處理，如清洗、磁化、噴灑磁懸液等，然后才能送入紫外線檢測室進(jìn)行裂紋檢測。檢測系統(tǒng)主要由圖像獲取裝置、步進(jìn)裝置、打標(biāo)裝置、打印裝置和中控機（中心控制計算機，下同）組成。工業(yè)CCD攝像機獲取圖像后傳入中控機，中控機對圖像進(jìn)行裂紋檢測，如果存在裂紋，則輸出打標(biāo)信號，將鉆桿打標(biāo)，并將結(jié)果存盤，生成裂紋信息報表，然后輸出步進(jìn)信號，檢測鉆桿下一段有無裂紋，否則，直接輸出步進(jìn)信號。 　　根據(jù)探傷過程的實際需要和客戶需求，系統(tǒng)具有如下功能和特點： 　?、?監(jiān)控圖像實時動態(tài)顯示; 　　② 圖像局部或全局處理，包括灰度化、二值化、文字編輯、噪聲消除、幾何放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、移動、區(qū)域選擇等; 　?、?對缺陷圖像進(jìn)行標(biāo)識提示，提供裂紋屬性（大小、長度、位置等）; 　?、?輸出打標(biāo)和步進(jìn)控制信號; 　?、?檢測報表和圖像打印功能; 　?、?具有自動、手動兩種工作方式。 　　設(shè)計時考慮到用戶要求能實時動態(tài)顯示監(jiān)控圖像，系統(tǒng)軟件采用單文檔雙視圖結(jié)構(gòu)。左邊視圖用于實時顯示監(jiān)控圖像、放置一些操作按鈕、輸出檢測結(jié)果（用紅色醒目顯示）和檢測生成的裂紋屬性報表;右邊視圖作為圖像顯示窗口，在用戶選擇手動檢測時作為圖像處理后的結(jié)果輸出窗口;兩個視圖中間藍(lán)色分割條正中設(shè)置了一個收放按鈕，用戶可以通過點擊來實現(xiàn)左邊視圖的隱藏和顯示，以獲得更多的圖像處理空間。運行結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)可以較好的滿足用戶需求，也使得界面美觀、大方。系統(tǒng)運行時畫面如圖 1所示。 [align=center] 圖 1. 系統(tǒng)運行圖[/align] 　　為了使探傷過程準(zhǔn)確快速，檢測軟件對獲得的鉆桿圖像（CCD攝像機直接獲取、鼠標(biāo)托放打開、最近打開文件列表打開等）進(jìn)行了歸一化的處理，即把要處理的圖像格式進(jìn)行如下統(tǒng)一：① 歸一化調(diào)色板信息。圖像進(jìn)行灰度化處理時將圖像調(diào)色板信息進(jìn)行灰度級統(tǒng)一，調(diào)色板數(shù)組從第一個數(shù)據(jù)到最后一個數(shù)據(jù)依次為0～255,共256級。同時修改位圖信息頭中相關(guān)統(tǒng)計信息，如biClrUsed=256，biBitCount=8等。② 歸一化圖像位圖數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)。根據(jù)歸一化調(diào)色板，對位圖數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一，將單色位圖，16色位圖和沒有采用歸一化調(diào)色板的256色位圖進(jìn)行顏色索引值的統(tǒng)一，例如對于單色位圖也是采用0和255兩個索引值來填充數(shù)據(jù)區(qū)。歸一化的好處是位圖數(shù)據(jù)一個字節(jié)剛好可以表示一個象素，簡化了程序處理的復(fù)雜度，提高了裂紋檢測速度。程序最后采用Visual C++6.0編程實現(xiàn)。 　　軟件運行時，首先將24位彩色位圖進(jìn)行灰度化、二值化，再對二值化的圖像進(jìn)行濾波降噪，最后進(jìn)行裂紋的檢測，實驗室進(jìn)行手動檢測時獲得的圖像如下： 3 探傷流程 　　經(jīng)過預(yù)處理后的石油鉆桿固定在裝有步進(jìn)裝置的底座上，送入熒光實驗室，中控機發(fā)送步進(jìn)指令，鉆桿步進(jìn)到CCD攝像機視野;步進(jìn)停止后工業(yè)攝像機采集圖像送入中控機處理;中控機內(nèi)部石油鉆桿探傷軟件自動將圖像灰度化、二值化，然后進(jìn)行中值濾波和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)開、閉運算進(jìn)行消噪，至此完成了石油鉆桿圖像的預(yù)處理操作。 　　探傷軟件對預(yù)處理后的鉆桿二值圖進(jìn)行橫向和縱向的掃描、投影運算，若沒有得到可疑的目標(biāo)區(qū)域，則發(fā)送步進(jìn)指令，對下一段鉆桿進(jìn)行裂紋檢測，否則將目標(biāo)區(qū)域保存送入裂紋檢測模塊;裂紋檢測模塊運用基于圓形度的裂紋檢測算法對可疑目標(biāo)區(qū)域進(jìn)一步判決，若不存在裂紋，則發(fā)送步進(jìn)指令，否則，發(fā)出報警信號，輸出裂紋屬性信息，生成結(jié)果報表，同時輸出打標(biāo)信號，控制打標(biāo)裝置在裂紋處打上記號標(biāo)識。 　　最后發(fā)送步進(jìn)指令，對余下鉆桿進(jìn)行裂紋檢測，直到檢測完一條鉆桿。 　　整個流程中，圖像預(yù)處理是關(guān)鍵一環(huán)，預(yù)處理的好壞，直接關(guān)系到檢測的最終結(jié)果。目前制作的系統(tǒng)只能對一路視頻信號進(jìn)行裂紋檢測，由于鉆桿是圓柱形的，實際的運行系統(tǒng)中，要做到同時對鉆桿進(jìn)行完全的檢測就要布置至少三個CCD攝像機，才能覆蓋鉆桿一周，在探傷軟件程序端要進(jìn)行多路信號處理的修改，采用多線程機制，實現(xiàn)多路鉆桿裂紋并行檢測。探傷流程圖如圖 3所示。 4 關(guān)鍵技術(shù) 　　4.1 計算機視覺技術(shù) 　　人類主要是通過視覺感知外界信息，人類對外界信息的感知有80%以上是通過視覺得到的。自信號處理理論和計算機出現(xiàn)后，人們試圖用攝像機獲得環(huán)境圖像并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，用計算機實現(xiàn)視覺信息處理的全過程，這樣就形成了一門新興學(xué)科——計算機視覺。計算機視覺是一門多學(xué)科交叉性很強的學(xué)科，涉及計算機、心理學(xué)、生理學(xué)、物理學(xué)、信號處理和數(shù)學(xué)等。近年來隨著各學(xué)科和計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機視覺已被廣泛應(yīng)用到移動機器人視覺導(dǎo)航、醫(yī)學(xué)輔助診斷、工業(yè)機器人眼、物體三維形狀分析與識別、智能人機接口、智能監(jiān)控等領(lǐng)域。 　　4.2采用有針對性的裂紋圖像預(yù)處理方法 　　圖像預(yù)處理包括灰度化、二值化和噪聲消除。二值化過程中，由于裂紋區(qū)域在圖像中所占比例較小，故采用平均閾值法進(jìn)行二值化的結(jié)果要進(jìn)行閾值修正，實驗室測試數(shù)據(jù)為將平均閾值減去25個數(shù)量級為宜（灰度為256級）。 　　鉆桿的宏觀缺陷可分為兩類。第一類：縱向撕裂型外表面線性裂紋。該類裂紋呈現(xiàn)在管體外表面，肉眼可見，寬度在0.5-2mm，深度在0.5mm以上，長度小于50mm[5]，并且靠近“加厚過渡帶”。第二類：內(nèi)部裂紋，系統(tǒng)不能檢測，故不做進(jìn)一步討論。針對第一類縱向撕裂型外表面裂紋，縱向、細(xì)而長是此類裂紋具有的共同屬性，為此，在消噪階段采用有針對性的條形消噪模板，進(jìn)行二值形態(tài)學(xué)中的開和閉運算，可以有效地去除橫向干擾、塊狀噪聲和離散點噪聲，大大提高裂紋檢測的準(zhǔn)確性。 　　4.3 鉆桿圖像裂紋檢測算法 　　預(yù)處理后圖像經(jīng)掃描、投影，可以獲取可能是裂紋的目標(biāo)區(qū)域，檢測裂紋模塊將這些目標(biāo)區(qū)域作為輸入，進(jìn)行裂紋識別，主要是去除未能清洗掉的泥漿、水泥和腐蝕點等干擾因素形成的偽裂紋，得到真正的裂紋，最后輸出裂紋屬性信息。判定裂紋的算法是目前比較流行的圓形度判決算法，該算法根據(jù)可疑目標(biāo)區(qū)域的周長l和面積s,計算: 　　c=4＊PI＊s/（l＊l）），其中PI=3.14159265 　　然后對result進(jìn)行閾值判決，決定是否是真正的裂紋, 　　 　　閾值threshold大小由實驗確定，實驗中采用0.3，大于此值不是裂紋，否則判定為裂紋，此時可以較好地去除二值圖中圓形和方形干擾，得到真正的細(xì)長裂紋信息。 5 結(jié)束語 　　文章設(shè)計了一種石油鉆桿探傷系統(tǒng)，在系統(tǒng)設(shè)計時綜合運用計算機視覺技術(shù)、Visual C++6.0硬件訪問控制技術(shù)、圖像平滑降噪預(yù)處理技術(shù)、裂紋檢測技術(shù)，使系統(tǒng)可靠、實用。另外系統(tǒng)具有良好的人機界面，簡單易用。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)的探傷方法是切實可行的。 　　本文作者創(chuàng)新點： ①將計算機視覺技術(shù)應(yīng)用于石油鉆桿裂紋檢測中。②針對石油鉆桿裂紋檢測的具體情況，設(shè)計實現(xiàn)了一套切實可行的探傷系統(tǒng)。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 張慶社. 石油專用鉆具螺紋熒光磁粉探傷及缺陷分析. 無損檢測，2004.5:256-257 　　[2] 任勇，李靜，張曦. 石油專用管材無損探傷自動化生產(chǎn)線. 石油儀器，2003.10:24-26 　　[3] 李小鵬，馬曉煌. Delphi實現(xiàn)基于軍事信息網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng). 微計算機信息，2006.8:86-87 　　[4] 孫金立，陳新波，袁英民等. 用渦流屏蔽式探頭檢測油田鉆具接頭疲勞裂紋.無損檢測，2002.12:542-543 　　[5] 周夢雄，彭國良，邱寧. 石油鉆桿裂紋分析. 鋼管，2004.10:11-13 作者簡介： 　　安紅征，男，1983年2月生，碩士研究生，研究方向為計算機應(yīng)用技術(shù)。 　　殷肖川，男，1961年1月生，教授，研究方向為計算機應(yīng)用技術(shù)。 　　王蓓，女，1979年5月生，碩士生，研究方向為計算機應(yīng)用技術(shù)。