Физические основы методов и технология радиационной дефектоскопии.

Радиационный неразрушающий контроль основан на использовании проникающих свойств ионизирующих излучений и является одним из наиболее эффективных и распространенных видов контроля. В нефтегазовой отрасли применяется прежде всего для контроля сварных соединений магистральных и промысловых трубопроводов, резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов, сосудов под давлением и других объектов. Реализация данного вида контроля предусматривает использование как минимум трех основных элементов: источника ионизирующего излучения; объекта контроля; детектора, регистрирующего результаты взаимодействия ионизирующего излучения с объектом контроля.

В радиационном неразрушающем контроле используют три вида ионизирующих излучений: тормозное , гамма-  и нейтронное .

Контроль с применением нейтронного излучения осуществляется только в стационарных условиях. Основными источниками нейтронного излучения являются ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы и радиоактивные источники нейтронов. В полевых условиях при эксплуатации или строительстве объекта обычно используют х- или γ-излучения. Источниками х-излучения при этом служат переносные импульсные рентгеновские аппараты, а γ-излучения - радиоактивные источники. С их помощью можно просвечивать стальные изделия толщиной 1...200 мм.

Контрольно-измерительная часть представляет собой группу приборов, которые служат для измерения и регулирования времени, тока, напряжения и частоты. Величина высокого напряжения, подаваемого на электроды рентгеновской трубки, составляет 100...400 кВ. С увеличением напряжения осуществляется смещение максимума излучения в сторону коротких волн, увеличивается проникающая способность излучения.

Рентгеновский излучатель, помимо рентгеновской трубки, включает защитный кожух, заполненный изолирующей средой - трансформаторным маслом или газом под давлением, а также коллиматор - устройство, предназначенное для формирования пучка направленного излучения.

Радиоактивные источники γ-излучения применяются в гамма-дефектоскопии и поставляются в ампулах, транспортируемых в специальных контейнерах. В качестве радиоактивных источников обычно используются изотопы Со60, Se75, Ir192. Появление таких сравнительно дешевых радиоактивных источников привело к созданию специальных комплектов оборудования, названных гамма-дефектоскопами. Различают гамма-дефектоскопы для фронтального и панорамного просвечивания, а также универсальные шланговые гамма-дефектоскопы. Гамма-дефектоскопы первого типа представляют собой лишь излучающую радиационную головку, устанавливаемую в зону контроля и снабженную механизмом открывания и закрывания затвора. Наибольшее применение нашли универсальные приборы шлангового типа, состоящие из радиационной головки, шланга-ампулопровода, пульта управления с механизмом перемещения ампулы с радиоактивным источником по ампулопроводу и коллимирующей насадки. В этих аппаратах ампула радиоактивного источника излучения из радиационной головки подается по ампулопроводу с помощью гибкого троса, приводимого от дистанционного пульта с ручным или электрическим приводом. Наличие дистанционного привода позволяет свести до минимума радиоактивное облучение оператора за счет его удаления от источника излучения на 12 м и более.

В отличие от рентгеновских аппаратов гамма-дефектоскопы могут эксплуатироваться без источников энергии, что особенно важно в полевых условиях. Их также часто применяют для контроля закрытых объектов сложной формы, когда невозможно установить излучатели рентгеновских аппаратов. Недостатками гамма-дефектоскопов являются: необходимость периодической замены источников излучения, потерявших активность, ограниченные возможности по регулированию режимов работы, а также более низкий контраст радиографических снимков по сравнению с рентгеновскими.

Ионизирующие излучения в целом с точки зрения воздействия на организм человека являются наиболее опасными из числа используемых в неразрушающем контроле, поэтому вся аппаратура, применяемая при радиационном контроле, подлежит обязательной сертификации и периодической переаттестации. К работе допускается специально обученный и аттестованный персонал, который подвергается обязательному дозиметрическому контролю.

Из числа радиационных методов для обнаружения и измерения внутренних дефектов в изделии используются методы прошедшего излучения. При прохождении через контролируемое изделие ионизирующее излучение ослабляется за счет его поглощения и рассеяния в материале изделия. Степень ослабления зависит от толщины изделия, химического состава и структуры материала, наличия в нем газовых полостей, сульфидных раскатов и других инородных включений. В результате прохождения ионизирующего излучения через контролируемое изделие детектором фиксируется распределение интенсивности дошедшего до него потока излучения, называемого радиационным изображением изделия. Наличие и характеристики дефектов определяют по плотности полученного радиационного изображения. Равномерная интенсивность излучения, дошедшего до детектора, свидетельствует об отсутствии дефектов. Уменьшение плотности радиационного изображения соответствует увеличению толщины контролируемого изделия, например в зоне сварных швов или брызг (капелек) металла от сварок. В свою очередь увеличение плотности соответствует участкам изделий с меньшей радиационной толщиной, имеющих дефекты. Схема радиационного контроля методом прошедшего излучения.

1 - источник излучения;

2 - объект контроля;

3 - дефект;

4 - детектор (кассета с пленкой);

5 - след от дефекта.

Интенсивность доходящего до объекта излучения  зависит от исходного потока в точке выхода излучения , расстояния а до объекта и особенностей самого излучения:

,

где R и b - константы, определяемые природой излучения.

После прохождения объекта интенсивность попадающего на де­тектор излучения определится из выражения

,

где μ - коэффициент ослабления излучения материалом объекта; δ - толщина объекта; В - фактор так называемого накопления, определяемый экспериментально (при узком пучке лучей В = 1).

В связи с экспоненциальной зависимостью затухания интенсивности ионизирующего излучения чувствительность контроля резко уменьшается с увеличением радиационной толщины, поэтому максимальная глубина контроля ограничена и для переносных аппаратов обычно не превышает 200 мм, что является одним из недостатков радиационного метода контроля.

Кроме того, весьма существенным недостатком является то, что трещины, радиационная толщина которых меньше заданного класса чувствительности, при радиационном методе контроля не выявляются. В первую очередь это относится к трещинам, ориентированным перпендикулярно или под малым углом к направлению ионизирующего излучения.

Методы радиационного контроля прошедшим излучением различаются способами детектирования результатов взаимодействия излучения с объектом контроля и, соответственно, делятся на радиографические, радиоскопические и радиометрические.

Радиографический метод неразрушающего контроля основан на преобразовании радиационного изображения контролируемого объекта в радиографический снимок или записи этого изображения на запоминающем устройстве с последующим преобразованием в световое изображение. Для получения радиографических снимков используют кассеты со специальной радиографической (рентгеновской) пленкой, снабженные для повышения чувствительности усиливающими экранами. В качестве детекторов радиационного изображения используются также полупроводниковые пластины, с которых изображение методом ксерорадиографии переносится на обычную бумагу.

Радиоскопический метод радиационного контроля основан на регистрации радиационного изображения на флуоресцирующем экране или на экране монитора электронного радиационно-оптического преобразователя. Достоинством радиоскопического метода является возможность единовременного контроля изделия под разными углами и, соответственно, стереоскопического видения дефектов.

При радиометрическом методе радиационное изображение преобразуется посредством сканирования в цифровую форму и фиксируется на соответствующем носителе информации - дискете, магнитной ленте. В дальнейшем эта информация переносится в компьютер для последующей обработки и анализа.

Для целей технической диагностики эксплуатируемого оборудования применяют радиографический метод контроля, реализуемый посредством относительно простого переносного комплекта оборудования, позволяющего получить документальное подтверждение результатов контроля в виде радиографического снимка.