5.2 Оборудование для радиационного контроля

5.2.1 Источники радиационного излучения

Методы радиационного контроля различаются спо­собами детектирования дефектоскопической информа­ции и, соответственно, делятся:

• радиографиче­ские

• радиоскопические

• радиометрические

• радиационно-томографические

В табл. 5.2 приведены виды радиационного излучения, применяющиеся в современных аппаратах радиационного неразрушающего контроля.

Радиографические методы радиационного НК ос­нованы на преобразовании радиационного изображения контролируемого объекта в радиографический снимок или запись этого изображения на запоминающем устрой­стве с последующим преобразованием в световое изо­бражение. На практике этот метод наиболее широко рас­пространен в связи с его простотой и документальным подтверждением получаемых результатов.

Радиационная интроскопия (радиоскопия) – метод радиационно­го НК, основанный на преобразовании радиационного изображения контролируемого объекта в световое изо­бражение на выходном экране радиационно-оптического преобразователя, причем анализ полученного изображе­ния проводится в процессе контроля.

Радиометрическая дефектоскопия - метод полу­чения информации о внутреннем состоянии контроли­руемого изделия, просвечиваемого ионизирующим излу­чением, в виде электрических сигналов (различной вели­чины, длительности или количества).

Таблица 5.2

Классификация источников ионизирующих излучений

Виды излучения	Источники излучения
Рентгеновское	Рентгеновские аппараты
	Радионуклидные источники
	Ускорители
Гамма излучение	Радионуклидные источники
Нейтронное излучение	Реакторы
	Радионуклидные источники
	Ускорители

5.2.2 Средства и техника радиографии

Из основных методов радиационного контроля наибольшее распространение для обследования деталей горных машин получил метод радиографии, обеспечивающий высокую информативность и применимость для контроля горного оборудования в производственных и полевых условиях, при изготовлении, монтаже и контрольных обследованиях.

При прохождении через изделие ионизирующее из­лучение ослабляется (поглощается и рассеивается). Сте­пень ослабления зависит от толщины δ и плотности ρ контролируемого объекта, а также от интенсивности М и энергии Е излучения. При наличии в веществе внутрен­них дефектов изменяются интенсивность и энергия пучка излучения.

Для организации и проведения на предприятии радиографических работ по контролю качества изделий необходимо оборудование, перечень которого приведен в табл. 5.3.

Рентгеновским аппаратом называют совокупность технических средств, предназначенных для получения и использования рентгеновского излучения [2].

В общем слу­чае рентгеновский аппарат состоит из трех основных частей:

• рентгеновского излучателя, включающего рентге­новскую трубку, являющуюся высоковольтным электро­вакуумным прибором, заключенную в защитный кожух;

рентгеновского питающего устройства, имеющего высоковольтный генератор и пульт управления;

• устройства для применения рентгеновского излу­чения, служащего для приведения в рабочее положение излучателя.

Таблица 5.3

Оборудование для промышленной радиографии

Этапы радиографического процесса	Состав оборудования
	основного	вспомогательного
Просвечивание изделий	Рентгеновские аппараты, гамма- дефектоскопы, линейные и циклические ускорители, источники нейтронов (реакторы, генераторы), пленки радиографические, экраны усиливающие	Штативные устройства, эталоны чувствительности, знаки маркировочные, кассеты гибкие и жесткие, держатели кассет, приспособления для резки пленок
Фотообработка радиографических снимков	Кюветы, баки-танки, автоматы для фотообработки, сушильные шкафы	Фонари неактиничного света, оборудование для приготовления растворов (весы, баки, мешалки, фильтры, дистилляторы)
Расшифровка радиографических снимков	Негатоскопы, денситометры, микрофотометры, мерительные лупы, автоматы для считывания снимков	Эталоны плотностей почернения, атласы радиографических снимков дефектных изделий

Высоковольтный генератор преобразует напряже­ние сети в напряжение питания рентгеновской трубки. Высоковольтный генератор имеет: преобразователи пе­ременного тока в постоянный (кенотроны, диоды), кон­денсаторы для фильтрации и удваивания напряжения, трансформаторы накала рентгеновской трубки, транс­форматоры накала кенотронов, выключатели и защитные устройства.

Контрольно-измерительная часть представляет со­бой группу приборов, которые служат для измерения и регулирования времени, тока, напряжения и частоты (ре­ле времени, измерительные приборы, прерыватели, се­лекторы, защитные приборы и т.п.).

В общем виде рентгеновский аппарат состоит из пульта управления, высоковольтного генератора и рент­геновской трубки в защитном кожухе. Схема простейше­го рентгеновского аппарата приведена на рис. 5.1.

Питающее напряжение (127, 220 или 380 В) через предохранители Пр1, Пр2 и выключатель сети ВС посту­пает на автотрансформатор АТ. Снимаемое с автотрансформатора напряжение через контакты К1и К2 и реле Р поступает на первичную обмотку высоковольтного трансформато­ра ВВТр. Во вторичной обмотке возникает переменное высо­кое напряжение. Ток через трубку проходит в течение положительных полупериодов. Генерирование излуче­ния происходит импульсами, частота которых равна час­тоте напряжения сети.

Рис. 5.1. Принципиальная схема рентгеновского аппарата.

Нить накала рентгеновской трубки подключена к вторичной обмотке трансформатора накала ТрН. Пер­вичная обмотка накального трансформатора подключена одним концом непосредственно к сети, а другим через предохранитель Пр3 к переключателю режимов ПР, ко­торый имеет пять положений.

В положении 3 цепь накала разомкнута. В положе­нии 5 в цепь накала включается реостат R2, позволяю­щий плавно изменять ток накала и, соответственно, ток через трубку. В положении 1 в цепь накала включается реостат R3, с которого снимаются напряжения двух фик­сированных значений, и переключатель тока ПТ под­ключает одну из них в первичную обмотку трансформа­тора накала. В положениях 2 и 4 цепь накала замкнута. Вследствие этого нить накала рентгеновской трубки ра­зогревается до включения высокого напряжения.

Лучевая отдача трубки зависит в основном от уско­ряющего напряжения и предварительной фильтрации излучения. По напряжению или энергии излучения применяе­мые в промышленности рентгеновские аппараты можно условно разделить на следующие группы:

1) с напряжением до 100 кВ (для дефектоскопии из­делий малой плотности);

2) с напряжением 100 ... 400 кВ (для дефектоскопи­ческих изделий из стали и тяжелых сплавов средней толщины: 5 ... 120 мм);

3) с напряжением 1 и 2 МэВ (для изделий из стали и тяжелых сплавов толщиной до 150... 200 мм).

Рекомендуемые значения напряжения на рентгеновской трубке приведены в табл. 5.4.

Таблица 5.4

Толщина контролируемого металла δ, мм				Напряжение рентгеновских аппаратов U, кВ
Fe	Ti	АI	Mg
0,4	1	5	14	40
1	3	20	35	60
2	6	40	57	80
5	10	54	80	100
10 100 - 120	24	67	105	150
20	47	100	160	200
27	57	112	200	250
33	72	132	240	300
46	106	210	310	400

Абсолютная чувствительность контроля определяется размером наименьшего дефекта К, выявляемого во все объеме контролируемого изделия. Размер наименьшего дефекта устанавливается по эталонам чувствительности. Для проволочного эталона размер наименьшего дефекта К соответствует номинальному диаметру наименьшей проволоки, видимой на снимке.

Для канавочного эталона, размер наименьшего дефекта К, соответствует номинальной глубине наименьшей канавки, изображение которой видно на радиографическом снимке. Требуемые значения К, в соответствии с ГОСТ 7512 – 94 приведены в табл.2.

Относительная чувствительность контроля (W_отн, %) определя­ется отношением размера К (минимально выявляемого дефекта или элемента эталона чувствительности) к тол­щине δ контролируемого изделия. Для проволочного эталона:

, для канавочного:

где δ– тол­щина контролируемого изделия s – толщина канавочного эталона;

Подготовка изделия к просвечиванию заключает­ся в его предварительном осмотре и очистке от шлака, масла и других загрязнений. Все наружные дефекты должны быть удалены, так как их изображение на сним­ках может помешать обнаружению изображений внут­ренних дефектов.

Таблица 5.5

Толщина изделия (в месте установки эталона чувствительности), мм	Класс чувствительности
	1	2	3
До 5 5 – 9 9 – 12 12 – 20 20 – 30 30 – 40 40 – 50 50 – 70 70 – 100	0,10 0,20 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,75 1,00	0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,75 1,00 1,25	0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,75 1,00 1,25 1,50

Выбор рентгеновских пленок определяется необходимостью получения рентгеновского снимка с определенной кон­трастностью и четкостью изображения. Контрастность пленки, ее чувствительность и гранулярность взаимосвя­заны, высокочувствительные пленки имеют крупные зерна и низкий предел разрешения, а низкочувствитель­ные - мелкие зерна и высокий предел разрешения. Использование высокочувствительной пленки ограничивается ее зернистостью, которая в значительной мере определяет качество изображения мелких дефектов (табл. 5.6, 5.7).

Производители пленок выпускают их с достаточно широким диапазоном по чувствительности, контрастно­сти и гранулярности (табл.5.8).

При зарядке кассет радиографическую пленку по­мещают в кассету с использованием следующих схем зарядки: 1) без экранов; 2) между двумя металлическими экранами; 3) между двумя флюоресцентными экранами; 4) между парами экранов, каждая из которых состоит из одного металлического и одного флюоресцентного экра­нов. В последнем случае к пленке прикладывается флюоресцентный экран.

В ответственных случаях контроля применяют схе­му двойной зарядки, когда в одну кассету помещают две вышеописанные комбинации экран - пленка - экран.

Таблица 12

Таблица 5.6

Параметры радиографического оборудования при просвечивании стальных изделий

Источник излучения		Классы пленок	Тип и толщина металлических экранов
Рентгеновское излучение при напряжении на трубке	Менее 100 кВ	С3 С4	Без экранов или с передним и задним экранами из свинца толщиной менее 0,03 мм
	От 100 до 150 кВ		Передний и задний экраны из свинца толщиной менее 0,15 мм Передний и задний экраны из свинца толщиной от 0,02 до 0,15 мм
	От 150 до 250 кВ
	От 250 кB до 500 кВ	С4	Передний и задний экраны из свинца толщиной от 0,02 до 0,2 мм
		С4	Передний экран из свинца толщиной от 0,1 до 0,2 мм

Таблица 5.7

Качественная классификация рентгенографических пленок

Классы пленок Класс	Тип зернистости	Качество снимка	Тип чувствительности
С1, С2	Очень мелкодисперная	Очень высокое	Очень низкая
С3, С4	Мелкозернистая	Высокое	Низкая
С5	Средняя	Среднее	Средняя
С6	Крупнозернистая	Низкое	Высокая

Таблица 5.8

Классификационная эквивалентность пленочных систем

Классы пленок	Россия	AGFA	FUJI
C1	-	D2	-
C2	-	D3	IX 50
C3	РТ-5	D4	IX 80
C4	РТ-4М	D5	IX 100
C5	РТ-3	D7	IX 29
C6	РТ-2, РТ-1	D8	IX 150

При контроле изделий с протяженными швами или со швами сложной конфигурации их разбивают на уча­стки таким образом, чтобы схемы просвечивания соот­ветствовали схемам, приведенным на рис. 5.2, 5.3.

При промышленной радиографии в основном ис­пользуют схемы просвечивания, обеспечи­вающие контроль качества шва по участкам как плоских протяжных изделий, так и изделий типа полых тел вра­щения (рис. 5.2, 5.3).

а)	б)
г)	в)
Рис. 5.2. Схемы просвечивания сварных швов металлоконструкций

При контроле кольцевых сварных соединений цилиндрических и сферических пустотелых изделий следует, как правило, использовать схемы просвечивания через одну стенку изделия (схемы рис. 5.3, а, б, е, ж, з). При этом рекомендуется использовать схемы просвечивания с расположением источника излучения внутри контролируемого изделия. Схему рис.5.3, е (панорамное просвечивание) – для контроля изделий диаметром до 2 м, независимо от объема контроля, и диаметром 2 м и более – при 100%-ном контроле.

Схему рис 5.3, ж – при 100%-ном и выборочном контроле, если использование схемы рис.5.3, е невозможно. Схему рис.5.3, з – при выборочном контроле изделий диаметром 2 м и более. Схемы рис. 5.3, а, б – для изделий с внутренним диаметром 10 м и более, если использование схемы рис.5.3, е невозможно.

а) б) в) г) д)

е) ж) з)

Рис. 5.3. Схемы просвечивания изделий типа полых тел вращения и сварных швов в них

Фокусное расстояние при контроле плоских изделий и труб с просвечиванием через одну стенку (рис. 5.3, а, б, е, ж, з):

,

При контроле труб через две стенки (рис. 5.3 в, г, д):

,

где D – диаметр трубы, h – расстояние от источника излучения до поверхности объекта (рис. 5.4), (табл. 5.9).

Фокусное расстояние выбирается таким, чтобы выполнялось условие:

,

где u_г –геометрическая нерезкость изображения; u_р –нерезкость рассеяния.

Нерезкость (размытие краев изображения на снимке) зависит от различных факторов и складывается из геометрической, нерезкости, нерезкости рассеяния излучения, нерезкости вследствие колебания источника излучения, объекта и детектора.

Вели­чина геометрической нерезкости при просвечивании для плоских изделий, мм:

,

где d –максимальный размер фокусного пятна источника излучения (рис. 5.4), мм;

Нерезкость рассеяния излучения, мм:

,

где u_В –внутренняя нерезкость излучения; q –коэффициент пропорциональности; (для рентгеновского излучения u_В=0,025…0,05 мм, q=1,25); δ –толщина материала, см.

Нерезкость колебаний должна устраняться жесткими креплениями источника, объекта и детектора.

При выборе схемы и направления излучения следует учитывать:

• расстояние от контролируемого сварного соединения до радиографической пленки должно быть минимальным и в любом случае не превышать 150 мм;

• угол между направлением излучения и нормалью к радиографической пленке в пределах контролируемого за одну экспозицию участка сварного соединения должен быть минимальным и в любом случае не превышать 45°.

Во всех случаях необходимо устранять взаимные колебания и вибрации изделия, дефектоскопического оборудования и детекторов во избежание увеличения нерезкости изо­бражения дефектов.

Расстояние от источника излучения до обращенной к источнику поверхности контролируемого сварного соединения h (при просвечивании кольцевых сварных соединений через две стенки - до близлежащей к источнику поверхности кольцевого соединения) не должно быть менее значений, определяемых по формулам, приведенным в табл. 5.9.

Таблица 5.9

Схема просвечивания	Расстояние от источника до поверхности контролируемого сварного соединения h, мм, не менее
Рис. 5.2	Cδ
Рис. 5.3, а,б	0,7С(1-m)D
Рис. 5.3, в	CD
Рис. 5.3, г	0,5[1,5С(1-m)-1]D
Рис. 5.3, д	0,5[С(1,4-m)-1]D

при и С=4 при ;

где δ –толщина изделия, мм;

D –наружный диаметр контролируемого сварного соединения, мм; m –отношение внутреннего и наружного диаметров контролируемого сварного соединения (m=D_в/D); d –максимальный размер фокусного пятна источника излучения (рис. 5.4), мм; K –требуемая чувствительность контроля, мм.

Примечание. Если для схемы рис. 5.3, г, д не выполняются условия 1,5C(1-m)>1 и C(1,4-m)>1 (табл. 5.9), расстояние h может быть принято равным нулю (т.е. источник излучения может помещаться непосредственно на противоположной контролируемому участку стенке изделия).

Рис. 5.4. Схема контроля прямой поверхности

Изделие разбивают на участки и маркируют изображение на пленке с при­менением маркировочных свинцовых знаков. Размеры знаков выбирают в зависимости от толщины объекта.

Количество участков (снимков) N при контроле по схемам рис. 5.3, а, б, г, д не должно быть меньше значений, определяемых по табл. 5.10 (R – наружный радиус трубы).

Таблица 5.10

Количество снимков при контроле тел вращения

Схема контроля	F/R	δ/R
		0,5	0,3	0,1
Рис. 5.3, а, б	До 1,2	16	13	11
	1,2 – 1,5	15	12	10
	1,5 – 2	14	11	9
	2 – 4	13	10	8
	4 – 20	12	9	7
	более 20	11	8	6
Рис. 5.3, г, д	2 – 2,5	3	4	4
	2,5 – 5	4	5	5
	5 – 40	5	6	6
	более 40	6	7	7

Длина одного участка контроля:

.

Длина контролируемых за одну экспозицию участков L при контроле по схемам рис. 5.3 должна быть не более 0,8 F .

Угол между направлениями излучения для отдельных экспозиций α:

Размер пленки выбирают по необходимой длине и ширине контролируемого участка. Пленки выпускаются упаковками по 50, 100 шт, с различными размерами указанными в табл. 5.11, или в рулонах большой длины.

Таблица 5.11

Размеры пленок в упаковке, см

6х24 6х40 6х48

10х24 10х40 10х48 10х72

18х24 18х40 18х48 18х72

24х30 24х40 24х48 24х72

30х40 30х48 30х72

где При просвечивании сварных со­единений труб через две стенки (рис. 5.5), во избежание наложения изображения участка шва, обращенного к источнику излучения, на изображение участка шва, об­ращенного к пленке, источник сдвигают из плоскости сварного соединения на расстояние а_min, зависящее от ра­диуса трубы R, ширины шва b и фокусного расстояния F:

.

Рис. 5.5. Схема просвечивания трубы через две стенки

Время просвечивания выбирают либо по номограм­мам экспозиции, либо с помощью автоматических экс­понометров, измеряющих и задающих необходимую до­зу облучения для детектора.

Номограммы экспозиций составляют с учетом тол­щины и плотности материала контролируемого объекта, мощности экспозиционной дозы (МЭД) энергии излучения, фокусного расстояния и вы­бранных комбинаций пленок и экранов (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Номограмма экспозиций при рентгенографии стали (пленка PТ-1, d = 1,5 мм, экран свинцовый, F= 750 мм)

Для фокусного расстояния F, отличающегося от той величины, для которой построена номограмма, экспозицию определяют по формуле

,

где X_н, F_н – экспозиция и фокусное расстояние номограммы.

Мощность экспозиционной дозы определяется по характеристикам рентгеновского аппарата.

.

где P_т –лучевая отдача трубки при напряжении U на расстоянии 1 м от анода, Р/с; i –анодный ток, мА, F –фокусное расстояние, м.

Лучевую отдачу можно определить с помощью графика на рис. 5.7.

Рис. 5.7. Лучевая отдача рентгеновской трубки на расстоянии 1м

Время просвечивания изделия, с:

.

При использовании пленки марок РТ-2, РТ-3, РТ-4М, РТ-5, или применении усиливающих экранов, время просвечивания пересчитывают с учетом переходного коэффициента:

,

где k_п –переходной коэффициент (табл. 5.12 )

Таблица 5.12

Значения переходного коэффициента

Экран	Значения kп для пленок
	РТ-1	РТ-2	РТ-3	РТ-4М	РТ-5
Без экрана	1,0	2	1,8	5,0	15,0
Свинцовый	0,5	1,0	0,9	2,5	7,5
Флуоресцентный	0,75	0,15	0,6	1,5	7,0

Радиографические снимки расшифровывают в про­ходящем свете на негатоскопах. Современные негатоскопы обеспечивают регулирование яркости поля и его размеров. Максимальная яркость основного поля негато­скопа должна обеспечивать просмотр снимков с D < 3, а вспомогательного малого поля с D < 5.

го углового шва

По изображению дефекта на снимке определяют его координаты, а также размеры (ширину и длину). Глубину залегания дефекта находят, просвечивая изделия со смещением излучения на расстояние q. В этом случае глубину y вычисляют по величине смещения изображения дефекта Х (рис. 5.8):

Рис. 5.8. Схема просвечивания для определения глубины залегания дефекта

Ширину и длину дефектов находят сравнением их размеров с отпечатками эталонов на снимке.