Рентгеновский радиометрический контроль сварных соединений при строительстве магистральных газопроводовНеобходимость обеспечения надежной работы магистральных газопроводов с одновременным сокращением затрат на контроль качества требует повышения доли современного автоматизированного оборудования, использующего цифровую обработку видеоизображения и имеющего показатели качества контроля не хуже, чем при традиционных методах НК. Для проведения радиационного контроля при строительстве магистральных газопроводов разработана и изготовлена опытно-промышленная радиометрическая установка (РМУ), которая может эксплуатироваться как с рентгеновскими аппаратами, так и с радионуклидными источниками. Ее применение значительно повысит оперативность и объективность радиационного контроля, уменьшит временные и финансовые затраты, долю ручного труда, позволит архивировать результаты контроля в цифровом виде. Принцип работы радиометрической установкиРадиометрический контроль относится к системам цифровой радиационной дефектоскопии. В этих системах радиационное изображение преобразуется в цифровой массив данных (цифровое изображение), который в процессе проведения контроля может подвергаться различным видам цифровой обработки и в виде полутонового изображения построчно выводиться на монитор ПК. Радиометрический метод основан на принципе измерения изменения потока гамма- или рентгеновского излучения, прошедшего через материал контролируемого объекта. Детектором для радиометрического контроля является фотодиод с наклеенным на него сцинтиллятором. Под действием излучения сцинтиллятор испускает видимый свет, световой выход сцинтиллятора пропорционален энергии квантов. Это световое излучение вызывает ток в фотодиоде. Итак, детектор преобразует излучение, проходящее через контролируемое изделие, в электрический сигнал, величина которого пропорциональна интенсивности гамма-излучения. Приемник рентгеновского излучения представляет собой линейку сцинтилляционных детекторов, каждый из которых оснащен своим усилителем, образуя с ним единый независимый канал. Число детекторов в линейке определяется требуемой шириной зоны контроля. Каждый канал в каждом детекторном блоке последовательно опрашивается, и с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) полученные сигналы оцифровываются. Блок сбора информации проводит опрос детекторных блоков и передает полученный цифровой массив на ПК. Перемещая детекторные блоки относительно контролируемого сварного соединения, получаем непрерывно считываемый массив данных. Этот массив записывается в память ПК для последующего более детального исследования и архивирования, а в обработанном виде выводится в виде полутонового изображения на монитор для оперативной оценки качества контролируемого участка в реальном времени.
Требования к рентгеновским аппаратамКак известно, в радиографическом методе контроля флуктуации интенсивности и энергетического спектра проходящего через объект излучения не влияют на чувствительность контроля, поскольку фиксируемое на рентгеновской пленке изображение определяется интегральной дозой излучения за время экспозиции.
Поэтому при радиографическом контроле можно применять рентгеновские аппараты любых типов. Изготовители рентгеновских аппаратов не приводят данных по флуктуации интенсивности излучения, т. к. эта величина абсолютно не критична при радиографическом контроле. Радиометрия – метод измерения в режиме реального времени при построчном сборе информации. Сканирование одной строки занимает десятые доли секунды. Поэтому к рентгеновскому аппарату предъявляются два основных требования: во-первых, плотность потока излучения, прошедшего через контролируемую толщину объекта, должна быть достаточна велика, чтобы можно было зарегистрировать за это время изменение толщины объекта вдоль участка сканирования на фоне постоянной составляющей прошедшего и рассеянного излучения. Во-вторых, интенсивность излучения в течение сканирования должна быть постоянной. Итак, при радиометрическом контроле требуется применение высокостабильных источников ионизирующего излучения с максимально возможной плотностью потока излучения и постоянным энергетическим спектром. Для сравнения современных панорамных рентгеновских аппаратов постоянного потенциала был разработан переносной прибор, который обеспечил проведение измерений интенсивности рентгеновского излучения в полевых условиях. С точки зрения применимости этих аппаратов для радиометрического контроля их можно разделить на три группы. К первой группе относятся аппараты, имеющие фиксированную частоту флуктуаций интенсивности рентгеновского излучения. Эти регулярные изменения интенсивности создают поперечные полосы на изображении. Среднеквадратичные отклонения интенсивности при этом в 2 ч 3 раза превышают статистические шумы. Влияние этих флуктуаций можно ослабить программным образом. Для этого радиометрическая установка должна быть оснащена программами, которые будут определять спектральную составляющую флуктуаций для каждого применяемого рентгеновского аппарата. Такие аппараты можно считать условно применимыми для радиометрического контроля. Ко второй группе отнесем рентгеновские аппараты постоянного потенциала, имеющие высокочастотные случайные во времени флуктуации. Величина среднестатистических отклонений интенсивности излучения превышает 1 %. Такие аппараты нельзя применять при радиометрическом контроле. Идеальным вариантом являются аппараты, у которых стабильность излучения выше 0,5 %, а частота флуктуаций ниже 0,1 Гц. Такие незначительные по величине низкочастотные изменения интенсивности легко устраняются на изображении программно. Для работы с РМУ был выбран рентгеновский панорамный аппарат РПД-200 П. После определенной модификации системы питания он показал, что может быть успешно применен для проведения радиометрического контроля. Выбор параметров РМУПараметры РМУ определяется, прежде всего, требованиями к чувствительности и производительности контроля. Главным элементом установки являются апертура детектора и его размер вдоль направления распространения излучения (лучевая протяженность детектора). При выборе этих размеров необходимо максимально учесть все факторы и возможные условия, при которых будет эксплуатироваться данная РМУ. К таким факторам относятся:
Как известно, чувствительность радиометрического контроля к дефектам величина регулируемая, зависящая от параметров контроля [1]. В свою очередь, чувствительность контроля определяется соотношением контрастного и пространственного разрешения детектирующего элемента. Контрастная чувствительность определяется квантовой эффективностью детекторов, которая прямо пропорциональна объему сцинтиллятора. Пространственное разрешение обратно пропорционально апертуре детектора. Конструктивные решения и условия сбора информации могут улучшить пространственное разрешение аппаратуры. Как известно, для контроля сварных соединений на трубопроводах диаметром 1420 мм применяются как рентгеновские аппараты, так и радионуклидные источники 192Ir. При этом требуемая производительность контроля должна быть не менее 5 сварных соединений в час. Исходя из этих условий, были выбраны детекторы с лучевой протяженностью 20 мм и апертурой 1,4Ч1,5 мм. Как показали измерения, для 192Ir квантовая эффективность этих детекторов превышает 70 %. Необходимо учесть, что столь значительная величина лучевой протяженности детекторов требует строгой юстировки блока детекторов относительно источника гамма-излучения, что технологически легко достижимо. Оптимальное соотношение между пространственным разрешением и контрастной чувствительностью определяет выбор апертуры детектора. Качество полутонового видеоизображения должно обеспечивать получение требуемой чувствительности согласно нормативной документации на контроль данного сварного соединения. Это необходимое и достаточное условие правомерности выбора размеров детекторов. Для проверки чувствительности радиометрического контроля использовались проволочные, канавочные и пластинчатые эталоны качества изображения. Самые объективные оценки пространственного разрешения позволяют получить пластинчатые эталоны с отверстиями. При толщине стенки 20 мм выявляются отверстия 2Т на эталоне № 17 и отверстие 1Т на эталоне № 30. Это соответствует самым жестким требованиям на радиационный контроль. Естественно, изображение проволочных и канавочных эталонов показывало чувствительность, превышающую требуемую. В случае применения при контроле только рентгеновских аппаратов и при фокусном расстоянии не более 500 мм с любым источником можно применять детекторы с меньшей апертурой и лучевой протяженностью. Применение линейки детекторов при радиометрическом контроле имеет два существенных недостатка, которые могут привести к ухудшению выявляемости дефектов:
При этом условии дефекты с малой шириной и низким контрастам, к которым относятся непровары и трещины в сварном соединении, могут вообще не выявиться на изображении. Влияние этих факторов можно значительно уменьшить, применяя для радиометрического контроля устройство, оснащенное двумя параллельно ориентированными линейками детекторов, последовательно считывающими информацию с контролируемого участка. При этом линейки смещены относительно друг друга на половину ширины детектора. В этом случае проекция технологического зазора в одной линейке приходится на центр детектора в другой линейке. При работе с двумя детектирующими линейками информация о контролируемом участке содержится как в каждом из двух независимых изображениях от каждой линейки, так и в суммарном изображении от обеих линеек. На суммарном изображении возрастает выявляемость и точность измерения дефектов, зарегистрированных обеими линейками, так как отношение сигнал/шум от этих дефектов на суммарном изображении в 1,4 раза больше, чем на изображениях от каждой линейки. Базовым элементом механизма сканирования для радиометрического контроля сварных соединений при строительстве магистральных газопроводов выбран бандаж, аналогичный применяемому при автоматической сварке. Замыкание бандажа осуществляется натяжной рычажной защелкой. Для обеспечения производительности контроля применялись 6 детекторных блоков, которые одновременно проводят контроль своих сегментов сварного шва. Каждый детекторный блок установлен на своей пассивной каретке на роликах. Ролики выполнены на шарикоподшипниках и опираются на бандаж. Перемещение приводной каретки с мотор-редуктором по образующей трубы и бандажу на длину 1/6 периметра (с учетом перекрытия смежных участков) осуществляется звездочкой и цепью Галля, закрепленной на бандаже. Натяжение цепи и исключение самопроизвольного перемещения достигается талрепом и двумя подпружиненными натяжителями цепи, установленными на приводящей каретке. Синхронное перемещение детекторных блоков обеспечивается металлическими шарнирами с рычагами, связывающими каретки между собой. После завершения контроля очередного сварного соединения бандаж с закрепленными на нем детекторными блоками, перемещается к следующему шву с помощью транспортной тележки. Транспортная тележка перемещается по контролируемому трубопроводу. На ней можно располагать источники питания и необходимую аппаратуру. Программное обеспечение радиометрической установки состоит из четырех основных блоков – программы сбора информации, программы улучшения изображения, программы управления блоками и аппаратурой в целом, и программы автоконтроля. Проведение радиометрического контроляОтработка методики радиометрического контроля, отладка и согласование блоков и узлов аппаратуры проводилась в рентгеновской камере на катушке диаметром 1420 мм с двумя сварными соединениями (сварка штучным электродом, автоматическая сварка под флюсом). При проведении измерений применяли радиоактивный источник 192Ir активностью от 40 до 65 Ки и различные рентгеновские аппараты. Все источники излучения при проведении измерений располагались в центре катушки, то есть фокусное расстояние составляло 760 мм. Предельную чувствительность радиометрического контроля измеряли с применением рентгеновского аппарата направленного действия ERESCO65 MF2 при 225 кВ и анодном токе 3,8 мА. Считывание информации проводилось одним детекторным блоком, с учетом диаграммы направленности рентгеновского излучения. Скорость сканирования детекторных блоков при проведении измерений выбиралась от 2,2 до 3 мм/с. Чувствительность контроля составляла 0,3 мм по канавочному эталону № 1, 0,25 мм по проволочному, на пластинчатом с отверстиями ASTM № 17 выявлено отверстие 2Т, на ASTM № 30 – 1Т. Контроль сварных соединений на катушке диаметром 1420 мм проводили с применением панорамного рентгеновского аппарата РПД-200 П с модифицированным источником питания. Параметры излучения – 190 кВ, анодный ток – 4,8 мА. Так как интенсивность рентгеновского излучения аппарата РПД-200 П в выбранном режиме в 2 раза ниже, чем от аппарата ERESCO, то отношение сигнал/шум в 1,5 раза ниже, следовательно, и чувствительность контроля ниже. Радиометрическую установку испытывали в полевых условиях на контроле по- воротных стыков трубопровода при температуре окружающей среды от минус 30 °C до 0 °C с дождем и мокрым снегом. РМУ и РПД-200 П продемонстрировали свою работоспособность в этих условиях. Были, конечно, и сбои в работе аппаратуры по зависящим и не зависящим от авторов статьи причинам. Замечания по работе аппаратуры были учтены, отработана технология радиометрического контроля поворотных сварных соединений при строительстве газопроводов. Сварной шов, выполненный автоматической сваркой под флюсом, имеет усиление над основным металлом 6 ч 8 мм, а с учетом усиления внутренней подварки толщина в районе корня шва превышает толщину стенки трубы на 10 мм. При радиационном контроле сварных соединений переменного сечения с большим перепадом просвечиваемых толщин на контролируемых участках (тонкостенных сварных соединений с относительно большим усилением шва, швов приварки патрубков, различных тавровых соединений и т. д.) оценка качества сварного соединения затруднена из-за значительного контраста изображения контролируемого участка. При радиометрическом контроле большинства сварных соединений с переменной толщиной значительное изменение толщины поглотителя распределяется вдоль ориентации линейки детекторов, а в направлении сканирования изменения толщины под каждым элементом линейки детекторов незначительны. Это позволяет определить среднюю толщину поглотителя – «усредненный профиль», зарегистрированную каждым детектором, усредняя текущие значения выходных сигналов в данном канале. Для уменьшения диапазона градаций серого в получаемом изображении участка с переменной толщиной поглотителя, достаточно из текущих значений сигналов, полученных в процессе контроля сварного соединения, вычесть значения «усредненного профиля» в каждом канале. Применение вычитания «усредненного профиля» приводит к тому, что резко повышается выявляемость дефектов в сварном соединении; а изображение сварного шва с усилением и пришовной зоной лежат практически в одном и том же диапазоне градаций серого. Необходимо учесть, что вычитание «усредненного профиля» может привести к исчезновению на изображении протяженного непровара. Но его изображение всегда присутствует в необработанном массиве данных, в который не вносятся изменения, вызванные последующей обработкой изображения. На рис. 1 показано, в каком виде выводится на мониторе ПК изображение сварного шва (автоматическая сварка) в реальном времени при радиометрическом контроле. Сверху располагаются изображения от двух линеек детекторов в блоке, которые последовательно считывают информацию с контролируемого участка. Нижняя часть изображения – выполненное программным образом суммарное изображение от этих двух линеек. На рис. 2 приводится результат от действия вычитания «усредненного профиля» на том же участке сварного соединения. Естественно, чем меньше продольные колебания толщины усиления, тем выше эффективность применения этого метода. На рис. 3 изображено сварное соединение, выполненное ручной сваркой. Анализ изображения такого шва показал необходимость разработки программного обеспечения по подавлению пространственных шумов, обусловленных неравномерностью поверхности сварного соединении. Наличие сопутствующего сигнала значительно ухудшает выявляемость дефектов как при оценке качества оператором (как и на рентгеновской пленке), так, в еще большей степени, при автоматизации обнаружения дефектов с помощью программного обеспечения. Поэтому поверхность сварного соединения с грубой чешуей должна быть зачищена с использованием средств механической обработки до начала проведения радиометрического контроля. При контроле швов с ручной сваркой метод вычитания «усредненного профиля» дает положительный эффект, но в меньшей степени, чем при контроле швов, сваренных автоматом. На рис. 4 показано изображение, полученное при контроле ручного сварного соединения с применением радионуклидного источника 192Ir. Предварительные расчеты показали, что при радиометрическом контроле трубопроводов диметром 1420 мм, для обеспечения производительности контроля – 6 мин на шов активность 192Ir должна быть не меньше 60 Ки. В нашем распоряжении был источник с начальной активностью 65 Ки. Чувствительность контроля без снижения скорости сканирования по канавочному эталону выполнялась вплоть до активности 45 Ки. При более низкой активности необходимо уменьшать скорость контроля. Анализ результатов радиометрического контроляВыявляемость дефектов в сварных соединениях при радиометрическом контроле определялась сравнением с радиографическим изображением. По рентгеновскому снимку определялся размер выявленных в сварном соединении дефектов. Чувствительность контроля и, как следствие, выявляемость дефектов при радиометрии уменьшается по мере уменьшения радиационной загрузки детекторов и увеличения энергии гамма-излучения. Наилучшие результаты получены при использовании аппарата ERESCO65 MF2 при 225 кВ и анодном токе 3,8 мА (с прямым пучком), наихудшие – при применении 192Ir. Основной объем работы проводился с использованием аппарата РПД-200 П. Получена полная воспроизводимость по выявляемости дефектов, конечно, в пределах статистической погрешности. Выявляемость пор размером 0,7 мм составляла 90 % при работе с ERESCO, 70 % при работе с РПД-200 П и не более 20 % при использовании 192Ir. Все дефекты размером больше чем 1,2 мм были выявлены во всех случаях. Поэтому можно утверждать, что несмотря на то, что активность 192Ir была низкой, аппаратура обеспечила требования чувствительности контроля при времени сканирования 6 мин. Все сказанное выше относится к контролю швов, сваренных в автоматическом режиме. Измерения показали, что радиометрическому контролю можно также подвергать швы, выполненные ручной сваркой. Но перед проведением контроля такие швы должны обязательно зачищаться в соответствии с нормативной документацией. Даже на рентгеновском снимке иногда невозможно отличить шлаковое включение от резкой впадины между грубыми чешуями сварки. Конечно, принятые в данной установке размеры детектора не оптимальны для контроля толщин около 20 мм, но только такие детекторы позволяют проводить контроль с использованием 192Ir. Эксперименты на плоских образцах сварных соединений различной толщины показали, что такой размер детекторов является оптимальным для радиометрического контроля сварных соединений толщиной от 30 мм до 100 мм, как с применением рентгеновского излучения, так и с использованием радионуклидных источников. При контроле толщин от 45 мм и выше пространственное разрешение радиометрического изображения близко к пространственному разрешению радиографии, а коэффициент накопления рассеянного излучения при радиометрии значительно меньше, чем при радиографии при тех же условиях просвечивания. При размерах апертуры 1,4 Ч 1,5 мм разрешение изображения в направлении сканирования составляет 0,4 мм, поперек движения – 1,7 мм, а с учетом применения двух параллельных линеек детекторов – около 1 мм. Применяя технологические и программные решения, можно достичь размера пикселя 0,4 Ч 0,7 мм. При радиационном контроле сварных соединений пространственное разрешение детектирующего устройства должно обеспечить более точное определение формы и размеров выявленных дефектов, разделить близко лежащие дефекты. Но прежде всего эти дефекты должны быть выявлены. Выявляемость дефектов, в первую очередь, зависит от контрастной чувствительности детектирующего устройства. В свою очередь, контрастная чувствительность метода определяется эффективностью и линейностью регистрации гамма-излучения, динамическим диапазоном детектирующего устройства [2, 3]. По всем этим параметрам РМУ значительно превосходит все остальные методы радиационной дефектоскопии во всем диапазоне энергий гамма-излучения. С учетом того, что дефектоскопическая чувствительность радиометрического контроля величина регулируемая, радиометрический контроль достаточно универсальный метод в широком диапазоне толщин исследуемых материалов и энергий гамма-излучения. ВыводыРадиометрический контроль имеет наихудшее пространственное разрешение по сравнению с другими радиационными методами, однако, этот недостаток может быть скомпенсирован наивысшей контрастной чувствительностью. Это обеспечивает выявление и измерение недопустимых дефектов в контролируемых изделиях. При радиометрическом контроле могут применяться как рентгеновские аппараты, так и радионуклидные источники. Для обеспечения радиометрического контроля в диапазоне толщин от 10 мм до 200 мм достаточно применение 3 ч 4 типоразмеров детектора. Радиометрический контроль может широко применяться для исследования большого объема однотипных изделий, он обеспечивает высокую производительность, оперативность и степень автоматизации. Этот метод может применяться при строительстве магистральных газо- и нефтепроводов, на трубных заводах, при изготовлении цистерн для агрессивных сред, на машиностроительных заводах, в авиа- и ракетостроение и т. д. По данным статистики в толстостенных сварных соединениях до 70 % дефектов располагаются в корне шва. Как правило, толстостенное изделие, на котором заварен только корень шва, нельзя передать на рентгеновскую камеру для технологического контроля. С помощью радиометрической установки можно проводить контроль корня шва прямо на сварочном стенде, не отключая обогрев свариваемого соединения. Стремительно развивающаяся электронная и вычислительная техника открывает широкие возможности для усовершенствования и удешевления радиометрической аппаратуры. Измерения, проведенные с помощью панорамного рентгеновского аппарата РПД-200 П, показали, что на базе рентгеновских аппаратов этого типа могут быть созданы радиометрические комплексы. Литература 1. Лебедев В. А.Сонин Г. И.Область применения радиометрических установок. – В мире НК. 2002. № 1(15). С. 24–27. 2. Неразрушающий контроль и диагностика / Справочник // Под ред. В. В. Клюева. – М.: Машиностроение, 1995. 3. Зуев В. М., Табакман Р. Л., Удралов Ю. И. Радиографический контроль сварных соединений. – СПб.: Энергоатомиздат, 2001.
Просмотров: 6419 Дата: Вторник, 09 Октября 2012 |