20 января 2010

Радиоскопический метод неразрушающего контроля

Для обеспечения безопасной эксплуатации магистральных трубопроводов, трубопроводов атомных реакторов и изделий атомной промышленности необходима постоянная проверка их качества – как при изготовлении (монтаже), так и во время использования. Перспективный способ контроля сварных швов и диагностики трубопроводов – использование автоматизированных технических средств и методик на основе цифровых систем регистрации.

Радиационная интроскопия

Традиционные радиографические методы применяются в разных отраслях промышленности, для контроля деталей и узлов агрегатов, сварных швов в различных соединениях, турбинных лопаток в парогенераторах и т.д. В зависимости от способа регистрации и типа детектора различают два основных метода радиографии – прямой экспозиции и переноса изображения. В каждом из них используется радиографическая (рентгеновская) пленка; анализ изображения проводится после регистрации его на пленке.

При радиационной интроскопии – радиоскопическом методе неразрушающего контроля – радиографическое изображение преобразуется в полутоновое и отражается на выходном экране радиационно-оптического преобразователя. При этом анализ изображения проводится в процессе вывода на экран (в режиме online).

В последние годы в России и за рубежом растет интерес к использованию этого метода для диагностики состояния магистральных трубопроводов и контроля сварных соединений. Так, фирмы ЗАО «Еврощит» и Flesh electronics предлагают контролировать сварные соединения с помощью цифровых рентгеновских комплексов серии «Шмель». НИИ Интроскопии Томского политехнического университета разработан рентгенотелевизионный интроскоп с компьютерной обработкой изображения. ЗАО «Нева-Рентген» и НТА «Тестрон» предложен интроскоп с высоким разрешением (около 8 пар линий на миллиметр) и рентгеновский переносной аппарат «Ратмир» с системой крепления на трубы произвольного диаметра. Английской фирмой FFRESHeX-General создан интроскоп для контроля сварных швов со скоростью 50 мм/с, чувствительностью 2% и визуальной разрешающей способностью более 7 пар линий на миллиметр; прибор работает с рентгеновским аппаратом с напряжением на трубке до 300 кВ.

В ЗАО «ЮТТА» разработан и производится портативный цифровой интроскоп «Delta-PDI». С его помощью можно обнаружить тайники и их содержимое, взрывные и электронные устройства, штатное оружие в пакетах, посылках, багаже и ручной клади, предметах мебели и интерьера, кузовах легковых автомобилей, а также в строительных конструкциях, радиационная толщина которых может быть эквивалентной толщине 26-миллиметровой стали.

Разработан метод компьютерной радиографии, основанный на использовании флуоресцентных запоминающих пластин многоразового использования, близких к рентгеновской пленке по разрешающей способности. Повышенное внимание вызывает создание методик и аппаратуры контроля сварных швов магистральных трубопроводов с использованием кристаллических преобразователей.

Томограф-интроскоп на основе гаммаскопа

Создание средств неразрушающего контроля должно проводиться на единой научно-методической основе и на общей конструктивной и элементной базе. Поэтому общие вопросы разработки и изготовления новых средств диагностики и контроля, как магистральных трубопроводов, так и трубопроводов АЭС и изделий атомной промышленности, целесообразно решать в рамках единой задачи.

В рамках программы «Росатом-Газпром» во ВНИИТФА в 2003-2004 годах выполнялся проект «Цифровые системы регистрации рентгеновского и гамма-излучения для автоматизированного неразрушающего контроля сварных соединений». В ходе его реализации были созданы методики и аппаратура, использующие метод радиационной интроскопии.
Созданные и изготовленные в институте радиометрические дефектоскопы представляют информацию о внутреннем строении объекта в виде полутонового изображения. РД-30Р предназначен для контроля дефектов (пор, включений) в изделиях из бетона и пластмассы, РД-31И – в закрытых контейнерах, РД-50И – в крупногабаритных изделиях.

Томограф-интроскоп на основе гаммаскопа позволяет получить и обработать изображение объекта, и в случае обнаружения дефекта томографическим методом определить его плотность и расположение по сечениям.


Рис. 1. Аппаратный состав интроскопа, разработанного во ВНИИТФА
1. Источник излучения – радионуклидный, рентгеновский, нейтронный
2. Объект контроля
3. Преобразователь FOS
4. Зеркало
5. TV – пзс – камера с объективом
6. Блок питания TV – камеры
7. Монитор
8. IBM PC
9. Дисплей

В интроскопе использован радиационный преобразователь фирмы Hamamatsu (Япония) FOS J6676 . Изделия типа FOS характеризуются высокой разрешающей способностью, рядом технических преимуществ, удобством в использовании и оптимальной ценой. Например, разрешение может достигать 22 пар линий/мм при контрасте 10%, что может обеспечить обнаружение дефектов размером от 45 мкм. Выходная апертура используемых в них волоконно-оптических шайб составляет примерно 60°, значит, можно применять относительно дешевые объективы с малым относительным отверстием. Большие размеры преобразователей (до 50х50 мм) позволяют решить большинство задач контроля сварных швов. Их материал – Gd2O2S(Tb) – характеризуется высоким коэффициентом преобразования, что дает возможность применять его в широком энергетическом диапазоне, хотя толщина выпускаемых фирмой Hamamatsu изделий оптимизирована для энергии 70-100 КэВ. (Сегодня во ВНИИТФА разрабатываются собственные радиационно-оптические преобразователи на основе монокристаллов CsI(Tl) и оптических шайб, выпускаемых в Лыткарино (завод ЛЗОС). По предварительным результатам, эти изделия сопоставимы с продукцией фирмы Hamamatsu).
Интроскоп оснащен специальным проекционным объективом, который оптимизирован для конкретного коэффициента увеличения, его входная апертура согласуется с выходной апертурой радиационного преобразователя.

Преобразователем «свет-сигнал» служит малокадровая телевизионная система на основе CCD матрицы камера S1C фирмы ГУП «НПП Электрон-Оптроник». Расчеты показывают, что для радиационного преобразователя FOS J6676 достаточно CCD матрицы 2000х2000 элементов. Такая разрешающая способность позволяет обнаруживать дефекты диаметром 70 мкм и контрастом 10% с вероятностью 98%.

Для того чтобы не повредить высокоэнергетическим излучением объектив и преобразователь «свет-сигнал», использовано зеркало, изменяющее направление «оптической оси». Это позволяет уменьшить общую длину изделия.

Конструкция интроскопа – герметичный прочный корпус с наддувом осушенным газом и термостатирующей системой – дает возможность использовать его в полевых условиях и при резких перепадах температуры.


Рисунок 2. Структурная схема программного обеспечения для радиационной интроскопии

В настоящее время интроскоп уже изготовлен, ведется доработка программного обеспечения системы. В качестве интерфейса для связи интроскопа с компьютером рассматриваются волоконно-оптический по протоколу TCP/IP, способный передавать данные на большие расстояния (до сотен метров), и USB2.0, простой в реализации и применении.