Рентгеновский радиометрический контроль сварных соединений при строительстве магистральных газопроводов

  Рентгеновский радиометрический контроль сварных соединений при строительстве магистральных газопроводов

Необходимость 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 установки

Радиометрический 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 аппаратам

Как 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 РМУ

Параметры 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:

• – диапазон контролируемых толщин;
• – требуемая чувствительность контроля;
• – критерии отбраковки сварного соеди­нения согласно нормативной докумен­тации на радиационный контроль;
• – требуемая производительность конт­роля;
• – вид применяемого источника гамма-излучения;
• – интенсивность гамма-излучения (ра­диационная загрузка детектора);
• – экономически целесообразная стои­мость аппаратуры.

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:

• – между элементами в линейке детек­торов всегда существует технологи­ческий зазор, что уменьшает величину сигнала от объекта в контролируемом участке, часть проекции которого мо­жет приходиться на технологический зазор;
• – существует вероятность, величина которой зависит от соотношения ши­рины детектора и величины техноло­гического зазора между детекторами, что сигнал от узкого дефекта, типа не­провара, распределится между двумя соседними детекторами.

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 контроля

Отработка 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 контроля

Выявляемость 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.

Выводы

Радиометрический 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.