Радиационные методы контроля качества сварки

Тема 6.

Радиационные методы. Источники ионизирующего излучения. Сущность методов, основные преимущества и недостатки, область применения. Применяемое оборудование и материалы.

            Радиационные методы контроля основаны на регистрации и анализе ионизирующего излучения при его взаимодействии с контролируемым изделием. Наиболее часто применяются методы контроля прошедшим излучением, основанные на различном поглощении ионизирующих излучений при прохождении через дефект и бездефектный участок сварного соединения (рис. 1.1). Интенсивность прошедшего излучения будет больше на участках меньшей толщины или меньшей плотности, в частности в местах дефектов - несплошностей или неметаллических включений.

Рис. 1.1. Схема радиационного контроля прошедшим излучением:

1 - источник излучения; 2 - изделие; 3 - дефект; 4 - детектор (пленка); 5 - плотность излучения

            Методы радиационного контроля классифицируются прежде всего по виду (и источнику) ионизирующего излучения и по виду детектора ионизирующего изучения.

            Ионизирующим называют изучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов. Так как ионизирующее излучение, состоящее из заряженных частиц, имеет малую проникающую способность, то для радиационного контроля сварных соединений обычно используют излучение фотонов или нейтронов. Наиболее широко используется рентгеновское излучение (Х-лучи). Это фотонное излучение с длиной волны 6*10^-13...1*10^-9 м. Имея ту же природу, что и видимый свет, но меньшую длину волны (у видимого света 4...7 * 10^-7 м), рентгеновское излучение обладает высокой проникающей способностью и может проходить через достаточно большие толщины конструкционных материалов. При взаимодействии с материалом контролируемого изделия интенсивность рентгеновского излучения уменьшается, что и используется при контроле. Рентгеновское излучение обеспечивает наибольшую чувствительность контроля.

            Рентгеновское излучение состоит из тормозного и характеристического. Тормозное — это фотонное излучение с непрерывным энергетическим спектром, возникающее при изменении кинетической энергии заряженных частиц.

Рекомендуемые материалы

             Кроме тормозного рентгеновского излучения с непрерывным спектром, при некоторой определенной для данного материала анода энергии электронов возникает характеристическое рентгеновское излучение с дискретным спектром.

             Характеристическое излучение — фотонное излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атома. При выбивании электрона с внутренней оболочки атома освобождается место в оболочке, которое заполняется электроном с внешних слоев. При этом атом переходит в нормальное состояние и испускает квант характеристического излучения с энергией, равной разности энергии на соответствующих уровнях.

Рис.1 Схема рентгеновской трубки

            Источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка (рис. 1), представляющая собой стеклянный баллон с высоким вакуумом внутри. В баллоне имеются два электрода - анод 3, соединенный с положительным полюсом высоковольтного генератора, и катод 1, соединенный с отрицательным полюсом. Катод рентгеновской трубки, представляющий собой спираль из вольфрамовой проволоки, является источником свободных электронов, необходимых для получения рентгеновского излучения. Ток, проходя через катод, нагревает его до температуры 2000-2400° С, при которой возникает эмиссия электронов с поверхности катода. Поток отрицательно заряженных электронов 2 притягивается положительно заряженным анодом. Зона анода, о которую ударяются электроны, называется фокусным пятном. Анод трубки, представляющий собой охлаждаемую вольфрамовую пластину, является источником рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение 4 возникает в трубке при столкновении быстролетящих электронов катода с атомами анода.

            Другим распространенным видом ионизирующего излучения, используемым при контроле сварных соединений, является γ-излучение.

            Это фотонное излучение с длиной волны 1*10^-13...4*10^-12м, возникающее при распаде радиоактивных изотопов, ядерных превращениях или при аннигиляции частиц. В результате ядерных превращений радиоактивные ядра становятся ядрами стабильных изотопов. Число таких превращений в единицу времени называют активностью радиоизотопного источника. Источником γ-излучения при радиационном контроле обычно являются радиоактивные изотопы тулия, иридия, цезия, кобальта: 170Тu, 192Ir, 137Cs, 60Со и др. Источники γ-излучения компактны и не требуют больших затрат электроэнергии (только на освещение и, возможно, на перемещение радиоактивного изотопа в рабочее положение и обратно). Однако γ-излучение более опасно для человека и, в отличие от рентгеновского, не может быть выключено. Проникающая способность γ-излучения выше, чем рентгеновского, поэтому могут просвечиваться изделия большей толщины, но чувствительность контроля при этом ниже, различие между дефектными и бездефектными участками менее заметно. Поэтому область применения γ-дефектоскопии - контроль изделий большой толщины (малые дефекты в этом случае менее опасны), контроль в монтажных и полевых условиях, в частности - трубопроводов и крупногабаритных резервуаров, просвечивание изделий сложной формы, если разместить рентгеновский аппарат нельзя.

            Рентгеновское и гамма-излучение способно проникать через металлические и другие непрозрачные тела значительной толщины и воздействовать на фотографические пластинки и пленки, которые находятся в закрытых кассетах за просвечиваемыми деталями. Только свинец не пропускает эти лучи. Поэтому радиоактивные вещества хранят в свинцовых ампулах, а при рентгеновских просвечиваниях пользуются свинцовыми пластинами в качестве защитных экранов.

Рис. 2. Схема просвечивания сварных швов: а - рентгеновским Излучением, б - гамма-излучением; 1-усиливающие экраны, г-пленка, 3 -кассета, 4 - рентгеновское излучение, 5 - рентгеновская трубка, 6 - гамма-излучение, 7 - свинцовый кожух, 8 - ампула радиоактивного вещества

            Гораздо реже (при контроле изделий еще большей толщины) используется тормозное излучение высоких энергий (1...100 МэВ, в то время как энергия рентгеновских фотонов не превышает 0,5 МэВ) с длиной волны 1*10^-16...1*10^-12 м, обладающее еще большей проникающей способностью. Такое излучение получают при бомбардировке мишеней электронами, ускоренными в линейных или циклических ускорителях: микротронах, бетатронах. Поэтому контроль с использованием тормозного излучения высоких энергий называют бетатронной дефектоскопией. О возможностях этого метода можно судить по таким данным: излучение с энергией 35 МэВ позволяет просвечивать сплавы на основе железа толщиной до 450 мм или сплавы на основе алюминия толщиной до 1800 мм.

            В зависимости от методов детектирования (обнаружения и регистрации) ионизирующего изучения различают радиографию, при которой фиксирование изображения внутренней структуры изделия происходит на пленке или бумаге, радиоскопию (изображение наблюдается на экране) и радиометрию (регистрируются электрические сигналы).

            Радиография получила наибольшее распространение в связи с простотой, наглядностью и документальным подтверждением результатов контроля. При радиографическом контроле для регистрации интенсивности прошедшего через металл излучения применяют радиографическую пленку или фотобумагу (метод прямой экспозиции), металлические активируемые экраны или заряженные полупроводниковые пластины (метод переноса изображения). Более распространен метод прямой экспозиции. При нем могут использоваться все рассмотренные виды ионизирующих излучений. Оптическая плотность почернения радиографической пленки или фотобумаги зависит от дозы ионизирующего излучения, она больше на местах, перекрытых менее плотными участками контролируемого объекта. Поэтому такие дефекты, как поры, трещины, непровары, а также шлаковые включения, будут выглядеть на радиографической пленке в виде темных пятен соответствующей формы. Включения более плотные, чем основной металл (например, вольфрамовые при сварке алюминия неплавящимся электродом), будут на радиограммах иметь вид светлых пятен. Для лучшего выявления дефекта направление излучения должно по возможности совпадать с направлением его максимального размера.

            При радиографии радиоактивных изделий используют в качестве излучения нейтроны, а в качестве детектора - металлические активированные экраны, которые активируются в нейтронном потоке и не чувствительны к γ-излучению. Затем скрытое изображение переносят на радиографическую пленку, прикладывая ее к металлическому экрану.

            Ксерорадиография позволяет исключить применение радиографической пленки. При этом достигается повышение производительности контроля за счет исключения трудоемкой фотообработки, а также уменьшение затрат в связи с исключением расхода серебра, входящего в состав пленки. В качестве детектора при ксерорадиографии используют специальные ксерорадиографические пластины, состоящие из проводящей подложки (алюминия, латуни, стекла или бумаги с проводящим покрытием), на которую нанесено полупроводниковое покрытие (чаще всего селеновое). В качестве источника излучения в основном используют рентгеновские аппараты, реже - радиоизотопные источники тормозного или γ-излучения. При ксерорадиографии заряжают ксерорадиографическую пластину с помощью коронного разряда и помещают в светонепроницаемую кассету. В процессе просвечивания селен становится проводником, происходит утечка заряда. Чем больше интенсивность прошедшего излучения, тем меньше остаточный заряд. Затем на пластинку наносят красящее вещество. Краситель переносят на бумагу контактным, способом, закрепляют на ней ацетоном или другим растворителем. Время контроля по сравнению с обычной радиографией уменьшается в десятки раз. Одна ксерорадиографическая пластина может использоваться до 1000 раз.

            Радиоскопия основана на просвечивании контролируемых объектов ионизирующим излучением, преобразовании прошедшего излучения в светотеневое или электронное изображение с последующим усилением, передачей и анализом изображения на экране оптического устройства или телевизионного приемника. Применение телевизионных систем обеспечивает радиационную безопасность персонала, позволяет усиливать яркость и контрастность и изменять масштаб изображения.

            Радиоскопия позволяет рассмотреть внутреннюю структуру объекта непосредственно в момент просвечивания, при этом сохраняются достоинства радиографии: возможность определения типа, характера и формы дефекта. Малая инерционность преобразования радиационного изображения позволяет за короткое время исследовать объект под различными углами, что повышает вероятность выявления скрытых дефектов. Чувствительность радиоскопии ниже чувствительности радиографии, производительность - выше. В установках для радиоскопии может быть предусмотрена отметка и последующая радиография выявленных дефектных участков.

            Радиометрия основана на просвечивании изделия ионизирующим излучением и преобразовании плотности потока или спектрального состава прошедшего излучения в электрический сигнал. В качестве источника излучения применяют в основном радиоизотопы (γ-излучение), ускорители, реже — рентгеновские аппараты и источники нейтронов. В качестве детекторов используют ионизационные камеры, газоразрядные счетчики (пропорциональные и счетчики Гейгера), фиксирующие ионизацию или газовый разряд под действием ионизирующего излучения, а также сцинтилляционные счетчики, основанные на измерении с помощью электронных умножителей интенсивности световых вспышек в люминофорах.

            В отличие от радиографического и радиоскопического методов при радиометрии объект просвечивается узким пучком излучения. Если в просвечиваемом изделии будет дефект, то регистрационное устройство отметит изменение интенсивности излучения.

            Преимущества радиометрии: высокая чувствительность (выше, чем у радиографического метода), высокая производительность, возможность бесконтактного контроля качества движущегося изделия, что особенно удобно при поточном производстве (возможно осуществление обратной связи с технологическим процессом). Основной недостаток радиометрии: интегрирующие свойства - одновременная регистрация сигнала от дефекта и от изменения толщины изделия. Это затрудняет возможность определения формы, размеров и глубины залегания дефекта - иногда оказывается необходимым снимать или зачищать усиление сварного шва.

            Дальнейшим развитием радиографии является радиационная вычислительная томография. В отличие от обычной радиографии объект просвечивается большим количеством источников излучения, прошедшее излучение фиксируется большим количеством детекторов, изделие перемещается по определенной программе, результаты контроля запоминаются и анализируются с помощью ЭВМ, а затем на основе созданной модели внутренней структуры объекта формируется ее изображение на экране, т.е. обеспечивается наглядность, отсутствующая при обычной радиографии.

            С помощью радиационных методов контроля выявляются трещины, непровары, непропаи, включения, поры, подрезы и другие дефекты.

            Достоинства: Результаты контроля наглядны (кроме обычной радиометрии), поэтому по сравнению с другими методами неразрушающего контроля при радиационном контроле легче определить вид дефекта. Как правило, не требуется высокая чистота поверхности сварных швов и изделий, можно контролировать сравнительно большие толщины.

            К недостаткам радиационных методов необходимо прежде всего отнести вредность для человека, в связи с чем требуются специальные меры радиационной безопасности: экранирование, увеличение расстояния от источника излучения и ограничение времени пребывания оператора в опасной зоне. Кроме того, радиационными методами плохо выявляются несплошности малого раскрытия (трещины, непровары), расположенные под углом более 7... 12° к направлению просвечивания, метод малоэффективен для угловых швов.

Применение

            Рентгенографию применяют преимущественно в цеховых и реже в полевых условиях в случаях, когда к качеству сварных соединений предъявляются высокие требования, гаммаграфию — при контроле сварных соединений больших толщин, а также стыков, расположенных в труднодоступных местах, в полевых и монтажных условиях. Бетатронная, микротронная радиография эффективна при дефектоскопии соединений большой толщины в основном в цеховых условиях. Нейтронная радиография применяется для контроля соединений тяжелых металлов, водородосодержащих материалов и радиоактивных изделий.

            Подготовка к просвечиванию при радиографии заключается в предварительном внешнем осмотре сварного соединения и очистке его от шлака, масла и других загрязнений. Наружные дефекты удаляют. Участки шва маркируют с помощью свинцовых знаков, либо помечают пленку или флуоресцентные экраны. На поверхность изделия вблизи контролируемого шва устанавливаются эталоны чувствительности, чаще всего - канавочный: пластинка с канавками переменной глубины и ширины. При просвечивании рентгеновское или гамма-излучение направляют на сварной шов, оно проникает через металл шва и действует на рентгеновскую пленку, заключенную в кассете с противоположной стороны шва.

Контроль качества сварки плавлением.

             По радиографическим снимкам обнаруживают следующие макродефекты сварки, выполненной плавлением: трещины (продольные и поперечные) в наплавленном и основном металле; непровары (спошные и прерывистые); шлаковые и вольфрамовые включения; газовые включения (поры); надрезы, проплавы, прожоги.

             Поры имеют на радиографических снимках вид округлых темных пятен размером от десятых долей мм до 2—3 мм. Поры могут быть заполнены газом (собственно поры) или шлаком (шлаковые включения). Поры большой величины обычно относят к раковинам или свищам. Различить по рентгеновским снимкам газовую и заполненную шлаком поры зачастую невозможно. Эти дефекты примерно одинаково влияют на прочность шва.

            Непровары имеют на рентгеновских снимках вид близких к прямолинейным темных линий различной степени почернения в зависимости от глубины непровара. Расположение непроваров зависит от вида сварного соединения. Наиболее характерным непроваром при односторонней стыковой сварке без скоса кромок, а также при сварке    V-образных швов с предварительной подготовкой кромок является непровар в корне шва.

             В случае двусторонней сварки непровар чаще всего бывает в центре сварного щва. Кроме того, непровары могут располагаться по кромкам шва в результате несплавления основного и наплавленного металла. Непровар в корне шва образуется в результате неглубокой проварки шва или неполного расплавления кромок; иногда непровар образуется в результате несплавления отдельных слоев наплавленного металла.

            Эти соединения необходимо просвечивать по схемам, показанным на рисунке. Стрелки на эскизах от источника излучения показывают направление оси рабочего пучка рентгеновского или у-излучения, которая должна проходить через середину контролируемого участка шва.

            Швы стыковых соединений без скоса кромок и с отбортовкой двух кромок просвечивают с направлением центрального луча перпендикулярно шву.

            Сварные соединения с разделкой кромок просвечивают, как правило, по нормали к плоскости свариваемых элементов (эскиз 3), а в особых случаях, оговоренных в технических условиях, и по скосам кромок (эскиз 4). Более желательно расположение пленки со стороны корня шва, однако при необходимости пленку можно располагать и с противоположной стороны, направление просвечивания меняют при этом на обратное.

            Швы угловых соединений с отбортовкой просвечивают с направлением центрального луча по плоскости свариваемых кромок (эскиз 5). Швы угловых соединений без скоса кромок и со скосом двух кромок просвечивают с направлением оси рабочего пучка по биссектрисе угла между сваренными элементами (эскизы 6, и 7). Допускается также обратное направление распространения излучения и расположение пленки с другой стороны шва (см. эскиз 6).

            Швы тавровых соединений без скоса кромок просвечивают с направлением оси рабочего пучка под углом 450 к полке тавра (эскиз 8). Швы тавровых соединений с односторонним и двусторонним скосом кромок просвечивают с направлением оси рабочего пучка под углом 45° к полке тавра (эскизы 9 и10). В случаях, оговоренных техническими условиями, эти швы можно просвечивать также с направлением центрального луча по скосам кромок (эскизы 9 и 10).

             Швы соединений внахлестку просвечивают с направлением центрального луча под углом 45° к плоскости листа (эскизы 11 и 12). Допускается также просвечивание с направлением распространения излучения перпендикулярно плоскости листа (эскиз 11). По нормали к плоскости свариваемых листов просвечивают точечные и шовные соединения (эскизы 13 и 14),

            Швы в двутавровых и крестообразных конструкциях просвечивают по схемам, показанным на эскизах 15. Швы в коробчатых конструкциях, форма которых не позволяет поместить внутри их кассету с пленкой или источник излучения, просвечивают при установке пленки с наружной стороны шва и направлении центрального луча через две стенки под углом к оси шва изделия (эскиз 16). Если кассету можно ввести внутрь коробчатой конструкции, просвечивание ведут через одну стенку с направлением центрального луча перпендикулярно шву (эскиз 16).

            Кольцевые и продольные швы в цилиндрических и других изделиях просвечивают при установке источника излучения внутри изделия или снаружи с направлением оси рабочего пучка перпендикулярно шву (эскиз 17). Кольцевые и продольные швы в изделиях, форма которых не позволяет поместить внутри их кассету с пленкой или источник излучения, просвечивают согласно эскизу 17 — пленка установлена с наружной стороны шва, ось рабочего пучка направлена через две стенки под углом к плоскости, в которой расположен шов.

            Кольцевые швы в цилиндрических или сферических изделиях можно просвечивать по всей длине одновременно, поместив источник излучения на оси цилиндра или сферы против шва и наложив кассеты с пленкой по всей длине шва на наружной поверхности (эскиз 18). Кассеты должны располагаться так, чтобы пленки накладывались одна на другую на длину 10—15 мм.

            При выборе схемы просвечивания необходимо помнить, что непровары и трещины могут быть выявлены лишь в том случае, если плоскости их раскрытия близки к направлению просвечивания (5—100). Поры и включения выявляются лучше, если они расположены ближе к пленке.

ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ

            При радиационнодефектоскопическом контроле качества сварных соединений применяют источники излучения следующих трех основных типов: рентгеновские аппараты, гаммадефектоскопы, заряженные радиоизотопными источниками излучения, а также ускорители электронов (бетатроны, линейные ускорители и микротроны). Выпускаемые отечественной промышленностью источники фотонного излучения для неразрушающего контроля охватывают диапазон энергий примерно 10 кэВ — 35 МэВ.

Рентгеновские аппараты.

            Рентгеновские аппараты — наиболее распространенные источники фотонов в диапазоне энергий от единиц до сотен килоэлектронвольт. Рентгеновское излучение в рентгеновском аппарате образуется в вакуумном приборе, называемом рентгеновской трубкой. В рентгеновской трубке помещается подогревной катод, нить накала которого служит источником термоэлектронов, и массивный анод. При приложении к катоду и аноду разности потенциалов электроны, эмиттируемые катодом, ускоряются и бомбардируют анод. При торможении электронов в материале анода образуется тормозное и характеристическое рентгеновское излучение, которым просвечивают контролируемые объекты. Участок поверхности мишени, на котором преимущественно тормозится пучок электронов, называется действительным фокусным пятном рентгеновской трубки. Проекция фокусного пятна в направлении оси рабочего пучка на плоскость, перпендикулярную этой оси, называется эффективным фокусным пятном рентгеновской трубки. Для питания рентгеновской трубки в рентгеновском аппарате служит высоковольтный генератор, обеспечивающий накал катода и высокое напряжение.

            Управление током и напряжением на рентгеновской трубке и контроль за работой аппарата осуществляют с пульта управления. С целью защиты обслуживающего персонала от неиспользуемого рентгеновского излучения и высокого напряжения рентгеновские трубки помещают в специальные, как правило, освинцованные защитные кожухи.

            Промышленностью выпускаются портативные переносные рентгеновские аппараты РУП-120-5-1, ИРА-1Д, ИРА-2Д, РУП-200-20-5.

Гаммадефектоскопы.

            Значительный объем контроля сварных и паяных соединений осуществляется с помощью гаммадефектоскопов (С. В. Румянцев, А. Н. Майоров, В. Г. Фирстов и др.). Гаммадефектоскопы заряжают радиоизотопными источниками. Основные, важные для дефектоскопии характеристики радиоизотопных источников — энергетический спектр излучения, выход излучения, период полураспада и геометрические размеры источников.

            Энергетический спектр гаммаизлучения имеет характер дискретных линий, как правило, в широком диапазоне энергий и с различной относительной интенсивностью. В зависимости от энергии γ-фотонов радиоизотопные источники излучения делят на три группы: источники с жестким γ-излучением (энергия фотонов около 1 МэВ и более), источники с γ-излучением средней энергии (примерно 0,3—0,7 МэВ) и низкоэнергетические источники γ-излучения (энергия менее 0,3 МэВ).В настоящее время для гаммадефектоскопического контроля используют радиоизотопные источники на основе следующих изотопов в порядке возрастания энергии: 170Tm, 192Ir, 137Cs, 60Co. Этими радиоизотопными источниками заряжают гаммадефектоскопы различного назначения.

            В качестве источников гамма-излучения используют следующие радиоактивные вещества: при толщине стали 1-15 мм - тулий 170, при 3-50 мм - иридий 192, при толщине 5-100 мм - цезий 137, при толщине 2-250 мм - кобальт 60.

            Наибольшее распространение получили переносные гамма-аппараты ГУП-1г-5-2, ГУП-Тм2-6-2, РИД-21 и др.

Линейные ускорители и микротроны

            В качестве источников высокоэнергетического фотонного излучения в радиационных методах неразрушающего контроля используют ускорители электронов, сообщающие им кинетическую энергию в диапазоне 1100 МэВ: линейные ускорители, микротроны и бетатроны.

Материалы

            Флуоресцентные экраны представляют собой пластмассовую или картонную подложку, на которую нанесен слой люминофора - вещества, светящегося под воздействием ионизирующего излучения. Они используются со специальными пленками, чувствительными к видимому ультрафиолетовому и инфракрасному излучениям. Наименьшие экспозиции получаются при использовании флуоресцентных экранов, а наилучшая чувствительность - при использовании металлических экранов.

            Радиографические пленки характеризуются чувствительностью к излучению и контрастностью. Чем больше чувствительность пленки, тем выше производительность контроля. Чем выше контрастность пленки, тем выше чувствительность контроля. Поэтому высококонтрастные пленки применяют при просвечивании ответственных изделий, а также легких металлов и деталей малой толщины.

            В настоящее время из радиационных детекторов наиболее широко применяется рентгеновская пленка. Использование ее в качестве преобразователя рентгеновского изображения основано на действии излучения на эмульсию пленки.

            Пленка представляет собой тонкую подложку из нитроцеллюлозы или ацетатцеллюлозы, на которую наносится слой фотографической эмульсии, состоящей из суспензии микроскопических кристаллов бромистого серебра в желатине. Толщина эмульсионных слоев достигает 0,0лмм. Для предохранения эмульсионные слои покрывают защитным слоем желатина толщиной 0,001 мм.

            Выявляемость дефектов при радиографическом контроле зависит также от резкости изображения. Причинами нерезкости могут быть образование в эмульсионном слое пленки фотоэлектронов (внутренняя нерезкость), рассеяние излучения в материале изделия (особенно при просвечивании изделий большой толщины), смещение или колебания относительного расположения источника, изделия и детектора (устраняются жестким закреплением) и отличие реальной формы источника излучения от точечной (геометрическая нерезкость). Для уменьшения геометрической нерезкости применяют источники излучения с возможно меньшим размером фокусного пятна, максимально приближают пленку к контролируемому изделию и увеличивают фокусное расстояние (от источника излучения до пленки).

Вам также может быть полезна лекция "8 Экономическое развитие России".

 (http://www.mekonst.ru/79-radiacionnye-metody-kontrolya.html)

http://www.svarkainfo.ru/rus/lib/quolity/radiation/ - Источник: Сварка и резка материалов: Учеб. пособие / М.Д. Банов, Ю.В. Казаков, М.Г. Козулин и др. - М.: Издательский центр Академия

http://www.welding.su/library/kontrol/kontrol_120.html