Определение глубины залегания и высоты плоскостного дефекта с применением рентгеновского излучения

1. Исходные данные

В качестве объекта контроля радиационной толщиной 25 мм использованы 7 стальных пластин по 5 мм каждая. Причем для имитации плоскостного дефекта в виде трещины по разделке кромки сварного шва торцы 4-х пластин сточены под углом 85 градусов и смежно состыкованы друг с другом с определенным зазором (см. рис. 1).

Рис.1. Объект контроля в виде набора стальных пластин по 5 мм

Объект контроля был размещен над источником рентгеновского излучения с фокусным пятном 1х1 мм на расстоянии 485 мм. Цифровой детектор был расположен непосредственно на объекте контроля. Затем стали просвечивать объект с последующим смещением рентгеновского источника на 20 мм (см. рис. 2).

Рис.2. Схема просвечивания пластины

Таким образом, получен набор рентгеновских изображений объекта контроля с различных ракурсов при помощи детекторного модуля БАРС собственной разработки (см. рис. 3). Суммарное смещение источника вдоль оси X 180 мм. На двух кадрах слева и на одном справа видна затемненная область – попавший на изображение край свинцовой защиты коллимированного источника. 

Рис.3. Рентгеновские снимки со смещением источника поперек линии щели с шагом 20 мм

2. Определение глубины залегания дефекта

Зная такие параметры, как: 

• смещение источника рентгеновского излучения; 
• соответственное смещение линий щелей на радиографических изображениях; 
• расстояние от детектора до поверхности объекта контроля (F₂=12 мм);
• расстояние от детектора до источника (F=526 мм), –

можно определить глубину залегания дефекта (в нашем случае центр высоты 2-х щелей) от поверхности объекта контроля.

Рис.4. Зависимость смещения изображения щелей №1 и №2 на радиографических снимках от смещения источника рентгеновского излучения

В результате расчета по экспериментальным данным получены глубины залеганий: 

• щели №1 H₁=8,3 мм;
• щели №2 H₂=20,5 мм.

По рис.2 глубина залегания: 

• щели №1 H1 _исх.=5+1+5/2=8,5 мм;
• щели №2 H_{2 исх.}=3(5+1)+5/2=20,5 мм

Погрешность в 0,2 мм щели №1 могла получиться как в результате неточности проведенного эксперимента, так и в результате отклонения геометрических размеров образца контроля, состоящего из набора пластин толщиной по 5 мм каждая.

3. Определение высоты дефекта

Для определения высоты дефекта используется та же серия измерений, что и для определения глубины. На радиографическом снимке выбирается профиль интересующей области (см. рис 5). Определяется ширина пика профиля на половине его высоты. Такие измерения проводятся для всех снимков (см. рис.6 и 7).

Рис.5. График распределения интенсивности засветки вдоль построенного отрезка на радиографическом изображении

В крайних положениях источника рентгеновского излучения прослеживается линейная зависимость относительно ширины плоскостного дефекта и смещения источника. Смещая источник в сторону плоскости щели ее ширина на радиографическом изображении теоретически должна уменьшиться по линейному закону, однако на практике с учетом пределов допускаемой абсолютной неопределенности линейных измерений детектора БАРС ±0,15 мм относительная ошибка растет ввиду того, что истинная ширина щели сопоставима с точностью детектора. Поэтому для получения линейности – и тем самым увеличивая точность измерений – точки вблизи плоскости 2-х щелей из расчета исключаются. Точка пересечения продленных линий дает по оси X координату источника в плоскости щели №1 и №2 (x₀), а по оси Y ширину раскрытия трещины (y₀) (см. рис.6 и рис.7).

Рис.6. График ширины щели №1 на радиографических изображениях относительно смещения источника рентгеновского излучения

Рис.7. График ширины щели №2 на радиографических изображениях относительно смещения источника рентгеновского излучения

В результате расчета по экспериментальным данным получена высота:  щели №1 h₁=5,27 мм;  щели №2 h₂=4,85 мм.

Высота трещины должна быть равной толщине состыкованных пластин (5мм). Погрешности 0,27 мм и 0,15 мм для щелей №1 и №2 соответственно также могли получиться в результате неточности проведенного эксперимента или отклонения геометрических размеров образца контроля.

Рис.8. Щель между пластинами 5 мм

4. Вывод

Следует отметить, что изначально должны быть известны такие параметры, как:

• расстояние от источника до объекта контроля;
• расстояние от объекта контроля до детектора;  расстояние от источника до детектора.

В примененной методике нет необходимости точного позиционирования источника в плоскости сварного шва (нельзя с точностью до миллиметров гарантировать позиционирование кроулера с источником излучения внутри трубопровода). Однако также необходимо обеспечить смещение источника с известным шагом (в нашем случае был выбран шаг 20 мм) для возможности определения глубины залегания дефекта в объекте контроля, а также его высоты. Минимальное количество измерений – 4 (по 2 измерения с каждой стороны относительно плоскости трещины).

Для просвечивания стального образца контроля радиационной толщиной 25 мм выбран режим работы рентгеновской трубки:

• напряжение U=150 кВ;  ток I=0,6 мА;  время t=6 секунд.

При использовании указанного режима просвечивания получены радиографические снимки с соотношением сигнала к шуму SNR=30. Такое соотношение говорит о среднем качестве картинки, однако такого качества при используемом режиме работы рентгеновского источника невозможно добиться на рентгеновской пленке, на фосфорной запоминающей пластине, и на большинстве современных цифровых детекторов рентгеновского излучения. SNR=30 вполне достаточно для определения глубины залегания и высоты дефекта (трещины). Если увеличить соотношение сигнала к шуму путем либо увеличения анодного напряжения на рентгеновской трубке, либо увеличением силы тока (или времени экспозиции) можно повысить качество изображения, а соответственно и точность измерений. Хотя, судя по результатам обработки, это излишне.

Преимущества использования пониженного высокого напряжения и тока рентгеновской трубки:

• радиационная безопасность персонала в полевых условиях (для просвечивания стали толщиной 25 мм ГОСТ 20426 рекомендует U~250 кВ);
• повышенный ресурс рентгеновского излучателя в целом;
• увеличение времени деградации чувствительного элемента детектора;
• пониженное энергопотребление рентгеновского источника увеличивает время работы кроулера в полевых условиях.
• приводит к использованию рентгеновского источника меньших весогабаритных характеристик, а соответственно и меньших весогабаритных характеристик кроулера, что в конечном счете уменьшает стоимость комплекса (источник-кроулер).

Указанные пункты положительно влияют на экономическую эффективность проведения радиографического контроля в целом.