Радиационный контроль – один из самых надёжных и информативных видов дефектоскопии
Радиационный контроль - вид неразрушающего контроля (НК), основанный на взаимодействии ионизирующего излучения с материалом объекта контроля (ОК). Это группа методов дефектоскопии, использующих три основных вида ионизирующего излучения - рентгеновского, гамма-излучения, а также нейтронного излучения. В качестве источников ионизирующего излучения (ИИИ) чаще всего используются переносные и стационарные рентгеновские аппараты импульсного и постоянного потенциала, бетатроны и гамма-дефектоскопы (радионуклидные источники), реже - линейные ускорители и ядерные реакторы - источники тепловых нейтронов. В зависимости от способа регистрации прошедшего излучения методы радиационной дефектоскопии подразделяются на радиографический, радиоскопический и радиометрический. Все они основаны на том, что объект контроля просвечивают направленным потоком излучения, которое, взаимодействуя с его материалом, поглощается и рассеивается. Ослабление потока определяется энергией (дозой) излучения, а также отклонением толщины и плотности материала ОК. Так, если в нём имеются несплошности типа пор, трещин или непроваров, то прошедший поток ослабляется в меньшей степени - и в его пространственном распределении формируется максимум. Если же присутствуют вольфрамовые включения, плотность которых выше плотности материала ОК, то прошедший поток ионизирующего излучения ослабляется в большей степени. Так формируется радиационное изображение объекта, которое в радиационном контроле чаще всего подлежит визуализации (преобразованию в оптическое изображение) для последующей расшифровки, что представляется одной из самых сложных операций. В реальной практике наиболее широко применяется плёночная, компьютерная и цифровая радиография - метод радиационного контроля, заключающийся в том, чтобы преобразовывать радиационное изображение ОК в рентгеновский снимок (рентгенограмму, радиограмму) на плёнке, либо в запись радиационного изображения за запоминающей пластине либо непосредственно в световое изображение на экране персонального компьютера (ПК), соответственно. Считается, в сравнении с ультразвуковой дефектоскопией радиационный контроль наиболее эффективен для обнаружения компактных объёмных несплошностей, размером от 0,1-0,5 мм и более, хотя и с выявлением плоскостных дефектов он тоже справляется. Рентген применяется для ОК практически из любых материалов, в частности, из стали (толщиной до 100 мм), из алюминия (толщиной до 300 мм), титана, композитов и пр. При этом - проведение радиационного контроля требует оформления лицензии Роспотребнадзора (для работы с рентген-аппаратами) и/или Ростехнадзора (для использования гамма-дефектоскопов) и связано с определёнными рисками для здоровья дефектоскопистов рентгено-, гаммаграфирования. Поэтому особое внимание уделяется соблюдению "Гигиенических требований по обеспечению радиационной безопасности при рентгеновской дефектоскопии" СанПиН 2.6.1.3164-14 и "Основных санитарных санитарных правил обеспечения радиационной безопасности (ОСПОРБ 99/2010)" СП 2.6.1.2612-10.Содержание:
Методы радиационного контроляИсточники ионизирующего излучения
Радиационное изображение
Сообщество дефектоскопистов РК
Основные методы радиационного контроля
Согласно классификации, приведённой в ГОСТ Р 56542-2015 "Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов", методы радиационной дефектоскопии распределены по трём критериям:1) по способу получения первичной информации – а) сцинтиляционный с ионизационным, б) метод вторичных электронов и в) радиографический с радиоскопическим;
2) по первичному информативному параметру – а) спектральный метод, б) метод плотности потока энергии;
3) по характеру взаимодействия физических полей с контролируемым объектов – а) метод прошедшего излучения, б) метод рассеянного излучения, в) метод активационного анализа, г) метод характеристического излучения, д) автоэмиссионный.
На практике самый распространённый метод радиационного контроля – радиографический. С одной стороны объекта находится источник ионизирующего излучения, которое характеризуется, прежде всего, энергией и интенсивностью. Последняя снижается по мере проникновения сквозь кристаллическую решётку материала ОК. На выходе из него кванты (фотоны) попадают на детектор. Это может быть форматная или рулонная мелко-, средне- и крупнозернистая рентгеновская плёнка, фосфорная запоминающая пластина стандартного либо высокого разрешения или плоскопанельный детектор с TFT- или CMOS-матрицей и сцинтиллятором в виде оксисульфида гадолиния либо цезий-йода. В тех местах, где толщина или плотность материала меньше, через ОК проходит больше квантов (фотонов) - тем выше в этом месте будет плотность потемнения на снимке. Собственно, радиографический метод радиационного контроля предполагает анализ этих потемнений для оценки качества ОК по нормам отбраковки. Если говорить о плёночной радиографии, то, проходя через металл, ионизирующее излучение воздействует на эмульсионный слой плёнки, формируя на ней радиационное изображение. После ручной или машинной химико-фотографической обработки и сушки экспонированной плёнки готовые рентгеновские снимки расшифровывают на негатоскопе. Некоторые заказчики требуют оцифровывать рентгенограммы для последующей обработки и хранения в электронном виде. При проведении радиационного контроля с запоминающими пластинами изображение формируется в радиационно-чувствительном слое люминофоров. Сканер считывает и сразу стирает его с запоминающей пластины, а файл с рентгенограммой - записывает на SD-карту памяти либо передаёт на ПК для последующей обработки и архивации. Что касается цифровой радиографии, то слой сцинтиллятора преобразует ионизирующее излучение в видимый свет, который попадает на светочувствительную фотоматрицу и, в свою очередь, преобразуется в электрический сигнал и дальше - в цифровой сигнал. Передача может осуществляться по кабелю либо беспроводному интерфейсу Wi-Fi. Обработка цифровых рентгенограмм выполняется в программном обеспечении (пример - X-Vizor) с использованием защищённых форматов DICONDE и XVZ.
Исторически цифровая радиография начиналась с радиоскопии (флюороскопии). Это ещё один метод радиационного контроля, в основе которого - преобразование радиационного изображения ОК в световое изображение на выходном экране радиационно-оптического преобразователя. Сегодня его роль выполняют ПК и планшеты со специализированным ПО для обработки, расшифровки, хранения рентгенограмм и составления заключений по результатам рентгеновской дефектоскопии.
Ещё одно «ответвление» в радиационном контроле – томография. Её ещё называют «послойной» радиографией. Используется там, где традиционный РК бессилен. Наибольшее распространение получает компьютерная томография. Объект располагается на вращающемся столе. С одной стороны – ИИИ, с другой – плоскопанельный детектор. По мере прохождения лучшей через объект формируются проекции, из которых при помощи специального ПО формируется 3D-изображение. Метод очень эффективен для оценки плотности материалов, анализа внутренних пустот, пористости и пр. Томография широко используется для контроля лопаток турбин, литья, конструкций из пластиков, композитов и иных материалов, включая неметаллические.
Также к радиационному контролю относится радиометрический метод. Основан на измерении характеристик ионизирующего и/или рассеянного излучения при его взаимодействии с материалом ОК. Радиометрия применяется, например, для измерения толщины – либо самого объекта, либо покрытия, а также для анализа структуры материалов, анализа элементов химического состава и прочих задач. К параметрам ионизирующего излучения, которые могут нести важную информацию об объекте контроля, относятся доза излучения, поток энергии, плотность потока частиц, энергетический спектр излучения и т.д. Измерение параметров ионизирующего излучения выполняется при помощи полупроводниковых детекторов, сцинтилляционных и пропорциональных счётчиков, ионизационных камер и пр.
Источники ионизирующего излучения для радиационного контроля сварных соединений
Для радиационных методов дефектоскопии используются три типа ионизирующего излучения.- Рентгеновское излучение (R-излучение, X-ray). Генерируется при торможении свободных электронов на аноде рентгеновской трубки. Длина волны от 10 нм до 5 пм, частота - от 3*10^16 до 6*10^19 Гц. Применяемые в радиационном контроле источники ионизирующего излучения представляют собой ускорители электронов. Примеры таких ИИИ - рентгеновские аппараты и бетатроны. Для радиационного контроля сварных соединений наиболее широко используются переносные, стационарные рентгеновские аппараты (генераторы) с анодным напряжением до 400 кВ. Они могут иметь направленную или панорамную геометрию излучения. Первые рассчитаны на фронтальное экспонирование (например, «в лоб» или на эллипс). Вторые используются для радиационного контроля кольцевых сварных соединений трубопроводов. Также рентгеновские аппараты бывают импульсного или постоянного потенциала. «Импульсники» дешевле, легче, подходят как для направленных, так и для панорамных экспозиций. Излучение у таких аппаратов представлено в виде плотной «пачки» рентгеновских фотонов. При этом интегральная доза излучения остаётся невысокой. «Импульсники» плохо справляются с толстостенными изделиями и большими диаметрами, нуждаются в продолжительных паузах между экспозициями и не предусматривают регулировку выходного напряжения. Зато импульсные рентген-аппараты хорошо подходят для радиационного контроля тонкостенных технологических трубопроводов малого диаметра и соединительных деталей к ним ("соломы" или "лапши", на профессиональном жаргоне дефектоскопистов). Рентгеновские аппараты постоянного потенциала тяжелее, габаритнее, дороже - но позволяют плавно изменять напряжение и силу тока, обеспечивают более высокую радиационную контрастность, лучше подходят для толстостенных объектов и оснащаются системами принудительного охлаждения для 100% рабочего цикла без пауз в работе (при температуре +20 градусов Цельсия и прочих условиях, конечно же). Переносные рентген-аппараты постоянного потенциала активно используются для радиационного контроля сварных соединений РВС, магистральных газопроводов, нефтепроводов, трубопроводной арматуры и т.д. Принцип действия импульсных рентген-аппаратов основан на плазменной эмиссии, постоянных р/а - на термоэлектронной эмиссии. При этом и те, и другие генерируют характеристическое и тормозное рентгеновское излучение. Для радиационного контроля используется именно тормозное излучение - характеристическое ввиду его малой интенсивности поглощается материалом ОК. Примеры импульсных рентгеновских аппаратов - "АРИОН-600", "АРИОН-250", "Арина-3", "Арина-7", "Памир-200" и др. Примеры рентгеновских аппаратов постоянного потенциала - "Март-200", серия RayCraft XS, "Радон-250", серия Site-X и др.
- Гамма-излучение, образованное при распаде ядер радиоактивных элементов – изотопов типа иридий-192, цезий-137, тулий-170, кобальт-60, селен-75, европий-151, иттербий-169 и т.д. Для радиационного контроля чаще всего используются первые четыре изотопа. Радионуклидные источники на основе изотопа кобальт-60, например, предназначаются преимущественно для ОК из железа, латуни, меди и иных металлов средней плотности толщиной больше 25 мм, но могут подойти и для больших толщин, 100-200 мм. Другой изотоп, цезий-137, чаще применяется для толщин от 40 до 100 мм и характеризуется большим периодом полураспада. Иридий-192 - для толщин от 10 до 100 мм. Радионуклидные ИИИ на основе изотопов должны иметь надёжную конструкцию, исключающую взаимные контакты радиоактивного материала и окружающей среды. При этом - они должны быть устроены таким образом, чтобы обеспечить устойчивость изотопов в разных условиях эксплуатации. Самый распространённый пример радионуклидного источника для радиационного контроля - гамма-дефектоскопы. Такой ИИИ представляет собой свинцовый контейнер с окном для выхода излучения. Внутри контейнера располагается ампула (часто - двойная, например, с внутренней из титана и внешняя из стали) с изотопом, соединённая с управляющей рукоятью через шланг и кабель. Управление радионуклидным источником осуществляется дистанционно. Непосредственно при проведении радиационного контроля дефектоскописту нужно разместить контейнер (гамма-дефектоскоп) вблизи ОК, отойти на безопасное расстояние и при помощи ампулопровода перевести источник излучения - изотоп из центра защитного контейнера к его поверхности. Длина волны у гамма-излучения менее 5 пм, частота больше 6*10^19 Гц. Пример радионуклидных источников - гамма-дефектоскопы. По природе своей гамма-лучи имеют гораздо большую проникающую способность, нежели рентгеновские. Настолько, что стенки толщиной до 50 мм могут не представлять для них серьёзного барьера, из-за чего качество снимков подчас получается невысоким. В связи с этим гамма-дефектоскопы нечасто, да и то преимущественно для тех задач радиационного контроля, с которыми не могут справиться ни импульсные, ни постоянные рентгеновские аппараты. Часто это толстостенные объекты толщиной до 350 мм, а то и до 500 мм. У некоторых гамма-источников предусмотрена трёхлучевая система - при расположении такого ИИИ внутри трубопровода можно просвечивать на рулонную плёнку сразу весь кольцевой сварной шов диаметром до 1420 мм. Гамма-изотопы нельзя выключить, они не нуждаются в электропитании и теоретически могут применяться для просвечивания практически любых материалов. Радиационный контроль с привлечением таких «монстров» осложняется тем, что переносить и хранить их нужно в довольно громоздких и тяжёлых контейнерах. К тому же гамма-излучение гораздо опаснее рентгеновского – с точки зрения влияния на здоровье дефектоскописта. Регулировать интенсивность излучения нельзя – ампула может быть либо в закрытом, либо в рабочем положении. У каждого изотопа есть свой период полураспада, поэтому ресурс радионуклидных источников чаще всего ограничен несколькими месяцами, в редких случаях - несколькими годами. Для сравнения, рентгеновские аппараты импульсного действия могут отработать 5 лет и больше, ресурс "постоянников" и вовсе может достигать 10-15 лет. Наконец, при использовании гамма-дефектоскопов снимки зачастую получаются с меньшей контрастностью – опять-таки из-за очень высокой энергии излучения. Тем не менее, для некоторых задач гамма-дефектоскопы остаются технически и экономически наиболее целесообразным решением. Например, для радиационного контроля объектов большой толщины, сложной формы, для одновременного просвечивания сразу нескольких десятков изделий - отливок и пр. Примеры гамма-дефектоскопов - "Гаммарид 192/120МД", серия "УНИГАМ Р", серия "Стапель 5" и др.
- Нейтронное излучение. Для радиационного контроля используются так называемые тёплые нейтронами. В качестве источников нейтронных пучков применяются ядерные реакторы (только стационарное исполнение), подкритические сборки (преимущественно стационарное исполнение), а также радионуклидные источники нейтронов (возможно портативное исполнение) и ускорители заряженных частиц (в портативном исполнении). Активная часть таких источников испускает быстрые нейтроны, для замедления которых используется вода, бериллий, графит, масло, пластики и иные лёгкие вещества. Точечных источников тепловых либо низкоэнергетических нейтронов, которые могли бы применяться в радиационном контроле, не существует - поэтому при их конструировании прибегают к коллимированию - формированию пучка направленных нейтронов. Это, с одной стороны, уменьшает плотность потока нейтронов рабочей пучка, с другой - помогает добиваться большей контрастности радиационного изображения. Для детектирования нейтронного излучения используются ионизационные камеры, сцинтилляторы, трековые детекторы в виде пластин, проявляемых после экспонирования в щелочном растворе, и т.д. Источники нейтронов - сложные, громоздкие, дорогостоящие комплексы, которые используются в штучных количествах на отдельных высокотехнологичных производствах и в научно-исследовательских лабораториях.
Формирование радиационного изображения
Радиационный контроль основан на зависимости ослабления ионизирующего излучения от перепада толщины или изменения плотности материала ОК. Радиационное изображение - это изображение, сформированное ионизирующим излучением в результате взаимодействия с материалом объекта контроля. Природа рентгеновского и гамма-излучения состоит в электромагнитных колебаниях с очень короткой длиной волны, от 1 до 100 нм, что сопоставимо с размерами атомов материалов ОК. Степень проникновения и рентгеновского, и гамма-излучения зависит от толщины объекта контроля, плотности материала, его атомного номера. Чем они больше - тем существеннее оно ослабляется. При этом - ионизирующее излучение, используемое для радиационного контроля, не только носит волновой характер, но и обладает корпускулярными свойствами, то есть состоит из отдельных фотонов. Каждый из них представляет собой сгусток энергии электромагнитного колебания определённой частоты, с определённой длиной волны. Часть фотонов поглощается материалом объекта контроля, часть - рассеивается.Параметры радиационного изображения определяются, прежде всего, переносом энергии фотонов и плотностью потока ионизирующих частиц и мощностью экспозиционной дозы излучения. Если говорить о радиационном контроле с использованием рентген-аппаратов, например, то параметры радиационного изображения зависят от анодного тока и времени, в течение которого он протекает через рентгеновскую трубку. Рост энергии излучения является следствием увеличения анодного напряжения, что, правда, может помешать достижению высокого радиационного контраста. Он представляет собой отношение изменения мощности дозы из-за перепада толщины или плотности в материале ОК и мощности дозы за ним. Радиационный контраст тем больше, чем ниже энергия ионизирующего излучения и чем меньше влияния рассеянного излучения. Помимо радиационного контраста, радиационные изображения (рентгеновские снимки) характеризуются и другими параметрами.
- Проекционное увеличение. Фотонное излучение работает по законам геометрической оптики. Наибольшему увеличению подвергаются изображения несплошностей и других деталей ОК, расположенные в его материале со стороны ИИИ. При расшифровке рентгенограмм и оценке результатов радиационного контроля считается, что размеры дефектов на снимках равняются их действительным размерам. Коэффициент увеличения не должен превышать "1,25".
- Геометрическая нерезкость. Это нерезкость радиационного изображения, на которую влияют конечные размеры эффективного фокусного пятна ИИИ и геометрические параметры устройства, формирующего это самое изображение (см. п. 2.2.10 в ГОСТ Р 55776-2013 "Контроль неразрушающий радиационный. Термины и определения"). Геометрическая нерезкость - это то, что вредит качеству рентгенограмм. Изображения дефектов ухудшаются, что мешает их распознаваемости и раздельной регистрации, поэтому две расположенные рядом несплошности могут быть приняты за один протяжённый дефект. Радиационная контрастность также снижается. Геометрическая нерезкость увеличивается, с одной стороны, по мере сокращения расстояния между объектом радиационного контроля и источником ионизирующего излучения, а с другой - по мере увеличения расстояния между ОК и детектором. При радиационном контроле объектов больших толщины у тех несплошностей, которые расположены со стороны ИИИ, нерезкость будет выше, чем у дефектов, расположенных со стороны детектора (плёнки, запоминающей пластины или плоскопанельного детектора). По этой причине НТД рекомендуют устанавливать индикатор качества изображения (эталон чувствительности) на ОК со стороны ИИИ.
- Дисторсия. Наблюдается при неплотном прилегании детектора к поверхности ОК. С дисторсией можно столкнуться, например, при радиационном контроле кольцевых сварных соединений с плоскопанельными детекторами. С появлением гибких цифровых матричных детекторов типа "КАРАТ РТС 1036" эта проблема решается.
- Влияние рассеянного излучения. Этот фактор может снижать качество изображения - при проведении радиационного контроля предпринимают меры для уменьшения рассеянного излучения. Прежде всего, используют защитные металлические экраны. С их помощью ОК ограждают от бокового рассеяния и обратно-рассеянного излучения от поверхностей, находящихся вблизи ОК и за ним. Это могут быть стены, пол, расположенные рядом элементы металлических и бетонных конструкций и пр. Рассеяние рентгеновского излучения в объекте радиационного контроля может существенно повлиять на деградацию радиационного изображения. Помимо защитных экранов, уменьшению рассеянного излучения может способствовать увеличение энергии первичного излучения, а также применение свинцовых диафрагм (коллиматоров), которые устанавливают на рентгеновский аппарат.
- Оптическая плотность. Обычно руководящие документы на радиационный контроль требуют набирать плотность потемнения (почернения) снимков не менее 1,5. На практике ориентируются на 1,5-4,0. Оптическая плотность считается величиной безразмерной, хотя в некоторых НТД (ГОСТ 8.588-2006 "Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная поверочная схема для средств измерений оптической плотности материалов"), например, она выражается в Беллах (Б) или единицах оптической плотности, сокращённо - е.о.п. Измеряется данная величина при помощи денситометров при просмотре рентгеновских плёнок на негатоскопе.
- Чувствительность. Может быть абсолютной и относительной. Абсолютная чувствительность радиационного контроля выражается, например, в наименьшей глубине канавки канавочного эталона чувствительности или в наименьшем диаметре проволоки проволочного индикатора качества изображения, который выявляется на рентгеновском снимке. ГОСТ 7512-82 "Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Радиографический метод" предусматривает также возможность определения чувствительности по пластинчатым и ступенчатым эталонам чувствительности, но на практике чаще всего применяются именно канавочные и проволочные. Относительная чувствительность радиационного контроля - выражаемое в процентах отношение абсолютной чувствительности к радиационной толщине.
Рентгеновский снимок - документированный результат радиационного контроля. На нём не должно быть царапин, пятен, повреждений эмульсии и т.д. На снимке должно присутствовать полное изображение эталонов чувствительности. Если речь идёт о рентгеновской дефектоскопии сварных соединений - то их изображения не должны накладываться на изображение сварного шва и околошовной зоны. Отраслевые НТД содержат конкретные требования к рентгенограммам. Получение рентгеновских снимков, которые полностью им удовлетворяют, - задача подчас непростая. С компьютерной и цифровой радиографией чуть проще - потому что результат просвечивания ОК можно увидеть сразу или почти сразу. В случае с плёночной радиографией немного сложнее: экспонированные радиографические плёнки подлежат химико-фотографической обработке. Это одна из самых ответственных операций радиационного контроля. Допущенные при фотообработке ошибки могут привести к появлению артефактов на снимках, что делает их непригодными к расшифровке. В таких случаях остаётся только пересвет - повторное просвечивание ОК.
Сообщество специалистов радиационного контроля
На форуме «Дефектоскопист.ру» зарегистрированы тысячи специалистов РК всех квалификационных уровней – I, II и III, а также студенты, слушатели курсов, преподаватели, научные сотрудники, производители и поставщики оборудования для данного метода, представители сервисных центров и т.д. Все, кто так или иначе связан с промышленной радиографией, найдут здесь что-то полезное для себя:- более 1300 тем-обсуждений по самым разным теоретическим и практическим вопросам радиационного метода неразрушающего контроля;
- база нормативно-технической документации;
- примеры технологических карт и многое другое.
Больше информации по теме:
Что такое радиографический контроль
Что такое рентгеновский аппарат
Что такое рентгеновский кроулер
Базовый минимум знаний о радиографических плёнках
Цифровая радиография – бесплёночная технология для промышленного рентгена
Компьютерная радиография: технология, плюсы и минусы, перспективы
Автоматические проявочные машины для радиографической плёнки
Усиливающие экраны для промышленного рентгена
Плоскопанельные детекторы для прямой радиографии
Негатоскопы
Эталоны чувствительности радиационного контроля (индикаторы качества изображения)