V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Введение

Повышение долговечности и надежности выпускаемой продукции играет важную роль в современном мире в силу развития промышленности, прогресса, а также повсеместного и ежедневного увеличения требований к качеству различных изделий. Примером таких изделий служат металлические трубы, которые получили широкое применение во многих сферах производства, эксплуатации, снабжения, транспортировки и т.д.

Наибольший интерес для промышленности представляют физические методы дефектоскопического контроля качества продукции без разрушения, в том числе с использованием проникающей радиации. Под дефектоскопией понимают совокупность физических методов контроля, применяемых для обнаружения дефектов, например: раковин, пор, трещин в сварных, литых и других изделиях, непроваров и непропаев в сварных и паяных соединениях, расслоений и волосовин в кованных и штампованных деталях и т.д. Совокупность таких методов дают нам полное представление об исследуемом объекте контроля, а решение проблем о существовании дефектов позволяет существенно повысить качество изготавливаемой продукции. Эти методы обладают высокой чувствительностью, обеспечивают безопасность и безаварийность работы агрегатов и конструкций. Также они могут позволить проводить контроль качества изделий без остановки производственного процесса и в процессе эксплуатации проконтролировать исследуемый объект.

Одним из наиболее универсальных и информативных методов неразрушающего контроля является радиационный контроль, занимающий ведущее место в неразрушающем контроле материалов и изделий.

Радиационная дефектоскопия – это совокупность методов контроля качества путем просвечивания материалов и изделий различными видами проникающей радиации.

Этот вид неразрушающего контроля является одним из наиболее популярных методов, получив широкую популярность во многих сферах хозяйства, промышленности и медицины.

Метод рентгенодефектоскопии в основном был разработан еще до Великой Отечественной войны, при котором использовались рентгеновские пленки, которые требовали аккуратного и бережного обращения и определенных условий в обработке и получении с них информации, что является основным недостатком в пленочной радиографии. Со временем, с развитием техники и электроники появилась возможность избежать применения морально устаревших радиографических пленок путем использования, так называемой беспленочной радиографии, позволяющей получить цифровое и более качественное изображение, чем радиографическая пленка.

1 ОСНОВЫ МЕТОДА РАДИОГРАФИИ

Основой радиографического метода является получение изображения предмета или изделия путем просвечивания рентгеновским или гамма-излучением. Этот метод контроля основан на свойстве данного излучения вызывать почернение эмульсии пленки или скрытое изображение на запоминающей пластине. Степень почернения различных участков на изображении после проявления определяется значением поглощенной дозы излучения, которая зависит от толщины, плотности и однородности просвечиваемого материала или изделия. Промышленная радиография сварных соединений является одним из основных методов неразрушающего контроля. Она производится с целью исследования внутренней структуры контролируемого объекта. Способность радиографической системы к обнаружению деталей внутренней структуры является основным критерием для оценки качества радиографического контроля. Кроме того, принимаются во внимание такие технические и экономические факторы: удобство в эксплуатации, надежность получения результатов, производительность, стоимость контроля.

Основным преимуществом радиографии по сравнению с другими методами радиационного контроля являются высокая чувствительность при обнаружении мелких дефектов, объективность получаемых результатов, представляемых в виде теневой картины просвечиваемого объекта, возможность определения линейных размеров и глубины залегания дефекта.

Основными составляющими при проведении радиационного контроля являются: источник излучения (рентгеновский аппарат или гамма-препарат), объект контроля, детектор (пленка или запоминающая пластина). Каждая составляющая контроля напрямую влияет на результат проведения контроля.

Рис.1. Структурные элементы радиационного контроля:

1 – Источник излучения; 2 – объект контроля (сварное соединение); 3 – детектор излучения; Е – энергия излучения; δ – толщина материала; I₀, I_δ– интенсивность падающего и прошедшего излучений соответственно; Δδ – характеристический размер дефекта; F – фокусное расстояние.

2 Беспленочная радиография

Метод цифровой радиографии сочетает достоинства радиографии и рентгенотелевидения. Это, с одной стороны, присущие рентгенотелевидению оперативность контроля, электронная обработка и архивирование изображений, исключение расходных материалов и процессов химической обработки, а с другой стороны - возможности исследования объектов любой конфигурации и неограниченных габаритов, а также приближения приемника излучения вплотную к объекту, как при съемке на пленку.

Беспленочная радиография является формой рентгеновского формирования изображения, где цифровые сенсоры рентгеновских лучей используются вместо традиционной пленки.

Схема контроля строится так же, как и в традиционной радиографии, только вместо рентгеновской пленки применяются высококонтрастные гибкие многоразовые фосфорные пластины, слабочувствительные к свету.

Пластины имеют типовые для рентгеновской пленки размеры 6х24, 6х48, 10х24, 10х48, 18х24, 24х30, 30х40 и 35х43 см и экспонируются, аналогично пленки, в кассетах или гибких конвертах. Возможна также резка пластин, т. е. использование пластин нетиповых размеров. Для запоминания изображений в пластине использован слой с фотостимулируемой памятью – сложным химическим соединением.

Метод основан на использовании способности некоторых люминофоров формировать скрытое изображение в зернах кристаллов люминофора, образующих покрытие пластины. Электроны, образующиеся в них в результате облучения рентгеновским или гамма-излучением, захватываются на энергетические уровни и остаются на них в течение длительного времени. Из этого состояния они могут быть выведены возбуждением лазерным пучком. Поскольку считывание информации, записанной на флуоресцентную запоминающую пластину, возможно лишь с использованием современной компьютерной техники, этот вид записи получил название компьютерной, или цифровой радиографии.

Под действием рентгеновского или гамма-излучения электроны внутри «флуоресцентных» кристаллов возбуждаются и переходят в квазистабильное состояние. Специальный считыватель сканирует экспонированную пластину лазерным пучком. При этом электроны высвобождаются из ловушки, что сопровождается эмиссией видимого света, длина волны которого отличается от длины волны излучения сканирующего лазера. Этот свет собирается фотоприемником и конвертируется в цифровой сигнал, преобразуемый в цифровое изображение.

После помещения в стирающее устройство пластина вновь готова к использованию.

Подобная по физическим параметрам обычной радиографической пленке фосфорная пластина может быть обернута вокруг объекта контроля, повторяя его рельеф. При этом пластины не боятся света, накопленное изображение может храниться длительное время.

Характеристическая кривая пластины является линейной, что, в сочетании с высокой чувствительностью, упрощает работу. Не требуется тщательно подбирать экспозицию, как в случае с пленкой.

Из процесса контроля исключена химическая обработка пленки, время получения изображения составляет от 1 до 2 минут. Изображения сохраняются сразу в электронном виде и могут подвергаться цифровой обработке с целью улучшения выявляемости дефектов. Становится возможным автоматизированный поиск дефектов и измерение их параметров. Громоздкие архивы рентгеновской пленки заменяются компактной компьютерной базой данных. Оператор может быстро и точно измерить размеры дефекта на увеличенном фрагменте изображения на экране компьютера. Сканер может быть размещен в передвижной лаборатории, что позволит проводить большие объемы контроля при ограниченном наборе пластин. Оператор может на месте, быстро проверить результат съемки и при необходимости повторить экспозицию.

Главное отличие фосфорных пластин от рентгеновской пленки - возможность многократного их использования (более 10 тысяч раз без потери качества).

По своему динамическому диапазону этот метод превосходит не только рентгенотелевизионный, но и радиографию. С его помощью возможна регистрация изображения объекта с большим перепадом толщин за одну экспозицию, с последующим просмотром участков различной оптической плотности с помощью регулировок яркости и контраста изображения. Пластины совместимы с любыми источниками радиации энергиями от 10кэВ до 20 МэВ (рентгеновские аппараты постоянного потенциала и импульсного действия, бетатроны, радионуклидные источники). Они могут изгибаться, повторяя рельеф объекта контроля, а также могут быть нарезаны в нужный размер.

Радиографический контроль труб в ходе эксплуатации для определения остаточной толщины стенок связан с большими временными затратами. При использовании пленки не только оценка, но и экспозиция могут требовать значительного количества времени. Цифровая радиография позволяет существенно ускорить этот процесс.

Преимущества этой методики по сравнению с пленочной радиографией таковы:

– время экспозиции сокращается на 5 %, либо на 20 % по сравнению с пленкой;

– погрешность измерения остаточной толщины стенок можно снизить приблизительно до 3 %, в то время как при ручном измерении на пленке она составляет 10 %;

– время измерения составляет менее 15 с, тогда как, для пленки - несколько минут;

– можно грубо оценить остаточную толщину стенок путем измерения уровня серого с применением ступенчатого клина известной толщины, расположенного сбоку от трубы;

– цифровая радиография и широкий динамический диапазон запоминающих пластин позволили расширить количество радиографических измерений, которые могут выполняться в ходе эксплуатации.

3 Основы цифровой радиографии

3.1 Преобразование скрытого изображения

Для преобразования скрытого изображения запоминающей пластины в видимое изображение необходим аппаратно-программный комплекс для цифровой радиографии. Например, одним из таких комплексов может быть комплекс цифровой радиографии «Градиент».

Комплекс цифровой радиографии «Градиент»с флуоресцентными запоминающими пластинами сочетает в себе гибкость, надежность, высокие разрешение и чувствительность, большой динамический диапазон и простоту эксплуатации.

Комплекс цифровой радиографии «Градиент» со сканерам Duerr и запоминающими пластинами разработан специально для применения в неразрушающем контроле, поэтому подходят для использования, как с рентгеновскими, так и с изотопными источниками. Комплексы позволяют решать широкий спектр задач неразрушающего контроля в электроэнергетике, авиакосмической, нефтегазовой, автомобильной и других отраслях промышленности [1].

3.2 Принцип получения изображения

Под действием рентгеновского или гамма-излучения электроны внутри «флуоресцентных» кристаллов возбуждаются и переходят в квазистабильное состояние. Специальный считыватель сканирует экспонированную пластину лазерным пучком. При этом электроны высвобождаются из ловушки, что сопровождается эмиссией видимого света, длина волны которого отличается от длины волны излучения сканирующего лазера. Этот свет собирается фотоприемником и конвертируется в цифровой сигнал, преобразуемый в цифровое изображение [1].

3.3 Технология съемки

Кассета или гибкий конверт с запоминающей пластиной экспонируется аналогично пленке, т. е. располагается за объектом контроля. Пластина гибкая, и может экспонироваться без кассеты или гибкого конверта, если в этом есть необходимость. Загрузка и выгрузка пластины из кассеты или гибкого конверта производится на свету, не требуя специальной темной комнаты. Поскольку чувствительность пластины существенно выше, чем у пленки, время экспозиции пластины в 5 – 10 раз меньше.

1. После экспонирования пластина вынимается из кассеты или гибкого конверта (если она экспонировалась в кассете или гибком конверте) и помещается в сканер цифровой радиографии Duerr.

2. В сканере производится считывание изображения. Время считывания изображения от 10 секунд до нескольких минут зависит от размера используемой пластины и выбранного пространственного разрешения.

3. Изображение выводится на монитор компьютера, архивируется и протоколируется. С помощью программного обеспечения поставляемого в составе комплекса цифровой радиографии «Градиент» считанное изображение может быть улучшено с применением различных фильтров, а также произведен поиск дефектов, определены их линейные размеры, сгенерированы различные формы заключений и др.

4. После считывания изображения информация с пластины стирается, и пластина вновь готова к работе [1].

3.4Состав комплекса цифровой радиографии «Градиент»

• Сканер цифровой радиографии Duerr (стационарный или портативный);

• Запоминающие (флуоресцентные) пластины;

• Кассеты и/или гибкие конверты;

• Персональный компьютер: стационарный (с монитором высокого разрешения) или ноутбук;

• Программное обеспечение «ВидеоРен Про» [1].

3.5 Сканер цифровой радиографии Duerr

Например, портативный рентгеновский сканер Duerr HR-CR 35 NDT позволяет оцифровывать фосфорные пластины шириной до 35см неограниченной длины с разрешением до 40 пар линий/мм. Идеально подходит для областей применения, требующих высокой производительности и высокой разрешающей способности как в лабораторных условиях, так и полевых [2].

Рис.2. Портативный рентгеновский сканер Duerr HR-CR 35 NDT

3.6 Программное обеспечение «ВидеоРен Про»

Программный комплекс "Видео-Рен" предназначен для ввода изображений с внешних устройств (видеокамера, сканер или цифровая фотокамера), преобразования полученного изображения, измерения его геометрических и оптических параметров и архивирования изображений и результатов обработки в базе данных.

Все модификации программного комплекса "ВидеоРен" могут сохранять данные в различных системах управления базами данных, таких как dBase, Access, Oracle, SQL-server, Paradox, Informix, DB2 и т.д., работающих под управлением различных операционных систем.

Программный комплекс "Видео-Рен" выполняет следующие функции:

– калибровка по оптической плотности;

– калибровка изображений по расстоянию;

– измерение геометрических размеров объектов по изображению и профилю плотности;

– построение линий уровня оптической плотности с измерением площади охватываемой области;

– текстовые вставки в изображение;

– проверка снимка на соответствие ГОСТ 7512-82;

– автоматический поиск дефектов;

– классификация и расшифровка дефектов по ГОСТ 7512-82, 23055-78;

– возможность адаптации модуля расшифровки дефектов под любую техническую документацию;

– печать изображений и протоколов результатов контроля [3].

4 Методика контроля сварных соединений труб с большим диаметром

В качестве объекта контроля рассматривается труба диаметром 1220 мм с толщиной стенки 18 мм.

Основным нормативным документом, определяющим методику контроля является ГОСТ 7512-82 – «Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Радиографический метод». В данном документе рассматриваются виды сварных соединений, способы просвечивания объектов контроля, а также параметры и условия проведения контроля, которые должны быть соблюдены.

Для достижения поставленной задачи в качестве источника излучения был выбран переносной рентгеновский аппарат постоянного напряжения Y.XPO 225. Аппарат разработан специально для жестких полевых условий, может одинаково хорошо применяться как для рентгенографии, так и в системах реального времени.

Основные параметры рентгеновского аппарата:

– максимальное напряжение трубки – 225 кВ;

– ток трубки до 10 мА;

– размер фокусного пятна – 3 мм.

Рис.3. Рентгеновский аппарат Y.XPO 225 и блок управления.

Для получения рентгеновского изображения были использованы различные типы запоминающих пластин:

1. Kodak SO 170 + свинцовый экран 0.09 мм;

2. Kodak SO 170 без свинцового Экрана;

3. Fuji (250 на 200 мм);

4. Duerr NDT (300 на 240 мм).

В соответствии с выбранной схемой контроля все используемые элементы радиографического контроля (сам объект контроля, источник ионизирующего излучения, запоминающая пластина) были расположены в необходимой последовательности.

Источник излучения (рентгеновский аппарат Y.XPO 225) установили на противоположную стенку трубы и направили в зону контролируемого участка, который предварительно помечен на трубе.

Перед зарядкой кассет, каждая пластина осмотрена на предмет каких-либо повреждений или внешних дефектов. Также заранее убедились, что пластина не содержит уже полученное скрытое изображение. Это проверяется с помощью сканера Duerr HR-CR 35 NDT.

Так как каждый снимок должен быть промаркирован, в данном случае изображение одного и того же участка с разных запоминающих пластин, каждый снимок имел свою маркировку, состоящую из сочетания букв или цифр. Эти символы были помещены на контролируемый участок трубы в околошовной зоне с помощью пластилина.

Для ориентирования снимка в пространстве, наряду с маркировкой, также установили символ «L», показывающий начало и конец снимка (устанавливается в начале снимка).

Также в околошовной зоне поместили эталоны чувствительности. Для большей наглядности было использовано 2 вида эталонов (канавочный и проволочный). Канавочный эталон был установлен в околошовной зоне с направлением канавок поперек шва. Проволочный эталон установлен непосредственно на самом сварном соединении с направлением проволок поперек шва (согласно ГОСТ 7512-82).

Завершающей стадией подготовки к просвечиванию являлась установка заряженной кассеты с запоминающей пластиной на контролируемое сварное соединение с помощью магнитов.

Далее помещение (бункер) освободили и закрыли. На блоке управления задали необходимые параметры просвечивания, время экспозиции. После запуска аппарата, включилось время обратного отсчета до прекращения излучения.

Пластина SO 170 со свинцовым экраном толщиной 0.09 мм была промаркирована как «МА». В силу высокой чувствительности пластины, выбраны следующие параметры просвечивания: напряжение трубки 220 кВ, ток 5 мА, экспозиция 7 мин.

Далее устанавливалась та же самая пластина, только без добавления свинцового экрана и маркировкой «ЖБ». Параметры аппарата, остались прежними.

Затем была помещена на контролируемое сварное соединение высококонтрастная пластина Fuji размером 250×200 мм. Так как данная пластина обладает меньшей чувствительностью, экспозиция была увеличена до 10 минут. Пластина Fuji промаркирована как «К7».

Последней на очереди была запоминающая пластина Duerr NDT размером 300×240 мм с маркировкой «Н8». По своим характеристикам пластина схожа с Fuji, поэтому параметры просвечивания не менялись.

После стадии просвечивания необходимо было получить сформировавшиеся скрытые изображения на запоминающих пластинах. Для этого был использован аппаратно-программный комплекс для цифровой радиографии, состоящий из сканера Duerr HR-CR 35 NDT и компьютера, содержащего программное обеспечение «Видео-Рен».

Перед непосредственным сканированием для каждой пластины были установлены свои параметры сканирования, в частности желаемое разрешение получаемого изображения. Оно может быть 100, 50 или 25 микрон. Чем больше разрешение, тем медленнее происходит процесс сканирования, и тем больше получается объем файла данных. При сканировании была выбрана функция очистки изображение после считывания информации, чтобы пластина сразу же была готова к повторному использованию.

Для начала сканирования была нажата кнопка «СТАРТ». После этого сканер готов к приему пластины и последующей ее обработке. Далее для сканирования последовательно вставили пластины в сканер. После завершения сканирования изображение появляется в списке изображений. Для завершения сканирования была нажата кнопка «ВЫХОД».

Полученные изображения представлены ниже на рис.4-7.

Рис.4.Изображение сварного соединения, полученного с пластины Kodak SO 170 (с добавлением свинцового экрана)

Рис.5. Изображение сварного соединения, полученного с пластины Kodak SO 170 (без свинцового экрана)

Рис.6. Изображение сварного соединения, полученного с пластины Fuji

Рис.7. Изображение сварного соединения, полученного с пластины Duerr NDT

Анализируя полученные изображения можно смело сказать, что на каждой пластине достигнут требуемый класс чувствительности. Это объясняется тем, что на пластинчатом эталоне чувствительности видны все канавки, в том числе канавка с наименьшей глубиной 0.5 мм. Также на изображениях пластин Fuji и Duerr NDT можно видеть проволочный эталон чувствительности с диаметрами проволок, меньшими 0.5 мм. Это говорит нам о высоком качестве каждой пластины, которые в равной мере имеют высокую выявляемость дефектов. Также, на каждом рентгеновском изображении отчетливо видны 2 небольших подреза в правой части сварного шва.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что данный метод беспленочной радиографии с использованием запоминающих пластин сравним с классической радиографией и может быть использован в промышленных масштабах.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Цифровая радиография - Комплекс цифровой радиографии «Градиент». [Электронный ресурс]. – 2008. - Режим доступа: http://www.unitest-roentgen.ru/hd_cr.html – Загл. с экрана.

2. Рентгеновские сканеры, запоминающие многоразовые фосфорные пластины. Принадлежности и расходные материалы для цифровой радиографии. [Электронный ресурс]. – 2008. - Режим доступа: http://www.unitest-roentgen.ru/gradient_suply.html – Загл. с экрана.

3. VIdeoRen. Инструкция по эксплуатации. Россия, Санкт-Петербург– 75 c.

Код для цитирования: Скопировать