Радиографический контроль сварных швов: снимок, эталон, расшифровка

• ≈ 74 сутпериод полураспада иридия-192 — самого распространённого гамма-источника
• 3типа эталонов чувствительности по ГОСТ 7512-82: проволочный, канавочный, пластинчатый
• 1 экспозицияна весь кольцевой шов при панорамной съёмке из центра трубы
• весь срокэксплуатации оборудования АЭС хранят отчётную документацию по контролю

Как получается снимок

Основа метода описана в статье «Неразрушающий контроль»: излучение проходит через шов, и где на его пути меньше металла — пора, шлак, непровар, — металл ослабляет его меньше, и это место на снимке темнее. Здесь — от чего зависит, увидит ли снимок дефект, и как получить снимок, которому можно доверять.

Гамма- и рентгеновское излучение ослабевает в металле постепенно, по экспоненте: каждый слой половинного ослабления уменьшает поток вдвое. Мелкая пора уменьшает толщину металла на пути луча совсем немного, и разница в почернении плёнки выходит небольшой. Насколько она заметна, характеризует контраст снимка, а он зависит от энергии излучения.

«Мягкое» излучение — с меньшей энергией квантов — металл ослабляет сильнее, поэтому даже небольшая разница в толщине даёт заметную разницу в почернении, и снимок получается контрастным. Но мягкое излучение не проходит толстую стенку. «Жёсткое» проходит большие толщины, зато контраст ниже, и мелкие дефекты различимы хуже. Поэтому энергию выбирают наименьшей, достаточной для данной толщины: у рентгеновского аппарата — напряжением на трубке, у гамма-источника — выбором радионуклида.

Мягкое и жёсткое излучение

Энергию выбирают наименьшей, достаточной для данной толщины.

На плёнку попадает не только прямой пучок. Часть излучения рассеивается в самом изделии, в полу и стенах и ложится на снимок равномерной вуалью, которая съедает контраст. Против рассеянного излучения пучок ограничивают коллиматором, а за кассетой кладут свинцовый лист.

Рентгеновский аппарат или гамма-источник

Рентгеновский аппарат позволяет подобрать напряжение под толщину, поэтому на тонких и средних стенках даёт лучшие снимки. Аппараты бывают стационарные — для цеха — и переносные, в том числе импульсные, для монтажа; напряжение у них — порядка сотен киловольт. Аппарату нужно электропитание, зато выключенный аппарат не излучает.

Гамма-источник работает без электричества, компактен, и его можно завести туда, куда аппарат не поместится, — например, внутрь трубы. Чаще всего применяют иридий-192, для тонких стенок — селен-75 с более мягким излучением, для толстых — кобальт-60. Международный стандарт ISO 17636-1 даёт ориентиры по толщине стали: порядка 10–40 мм для селена-75, 20–100 мм для иридия-192 и 40–200 мм для кобальта-60. На тонких стенках гамма-источники уступают рентгену в чувствительности, и по этому стандарту их применяют там, где рентгеновский аппарат использовать непрактично.

Ориентиры по толщине стали для гамма-источников, ISO 17636-1

• 10–40 ммселен-75
• 20–100 ммиридий-192
• 40–200 ммкобальт-60

Длина полосы — верхняя граница диапазона. На тонких стенках гамма-источники уступают рентгену в чувствительности.

У гамма-источника свои неудобства. Энергию излучения не подстроишь — она задана радионуклидом. Источник нельзя выключить, его можно только убрать в защитный контейнер. Активность постоянно падает: период полураспада иридия-192 — около 74 суток, селена-75 — около 120 суток, кобальта-60 — около 5,3 года. Поэтому выдержку приходится увеличивать — для иридия-192 заметно уже от месяца к месяцу, — а источники периодически заменяют. Как устроен гамма-дефектоскоп, рассказано в статье «Изотопы в медицине и промышленности».

Для очень толстых стенок применяют ускорители электронов — бетатроны и линейные ускорители, дающие тормозное излучение с энергией в миллионы электронвольт. Выбор источника в итоге определяют толщина, доступ к шву, место работы — цех или монтаж — и требуемая чувствительность.

Плёнка, экраны и цифровые детекторы

Радиографическая плёнка покрыта светочувствительной эмульсией с обеих сторон основы. Чем мельче зерно эмульсии, тем чётче и контрастнее снимок, но тем больше нужна выдержка. Класс плёнки задаёт методика в зависимости от источника и требуемой чувствительности.

Плёнку закладывают в светонепроницаемую кассету между усиливающими экранами — обычно из тонкой свинцовой фольги. Под действием излучения свинец испускает электроны, которые добавляют почернение, а рассеянное излучение с меньшей энергией экран частично поглощает. Экраны должны плотно прилегать к плёнке: зазор размывает изображение.

После экспонирования плёнку проявляют, фиксируют, промывают и сушат. Режим обработки соблюдают так же строго, как режим просвечивания: перепроявленная или недопроявленная плёнка, царапины, пятна и засветка портят снимок и могут изобразить дефект там, где его нет.

Цифровая радиография заменяет плёнку двумя способами. Запоминающие пластины гибки, как плёнка: изображение сохраняется в слое люминофора, его считывает лазерный сканер, после чего пластину стирают и используют снова. Плоские детекторы выдают изображение на экран сразу. Цифровой снимок можно обработать по контрасту и яркости, измерить на нём размеры и хранить как файл, а качество изображения подтверждают так же — эталонами чувствительности. Для оборудования АЭС цифровой метод применяют, только если его допускают нормы и методика контроля.

Схемы просвечивания и резкость снимка

Схему выбирают по форме изделия и доступу к шву. Основных схем три.

• Через одну стенку. Источник с одной стороны шва, кассета вплотную с другой. Для кольцевых швов ГОСТ 7512-82 рекомендует по возможности ставить источник внутрь изделия.
• Через две стенки. Если внутрь трубы не попасть, источник ставят снаружи, и луч проходит обе стенки; расшифровывают участок шва, прилегающий к плёнке. Трубы малого диаметра снимают «на эллипс»: источник смещают, и изображения ближнего и дальнего участков шва ложатся рядом.
• Панорамная съёмка. Источник ставят в центре трубы или сосуда, плёнку оборачивают вокруг шва, и весь кольцевой шов получается за одну экспозицию.

Если шов снимают по частям, его делят на участки с перекрытием, а на границах участков ставят ограничительные метки, чтобы ни один участок не выпал из контроля.

Чёткость снимка ограничивает геометрическая нерезкость. Источник — не точка: у рентгеновской трубки это фокусное пятно, у гамма-источника — активная часть размером порядка миллиметров. Лучи от разных её точек проходят край дефекта под немного разными углами, и вокруг изображения появляется размытая кайма — полутень. Её ширина равна размеру источника, умноженному на расстояние от дефекта до плёнки и делённому на расстояние от источника до дефекта.

Отсюда правила: кассету прижимают к изделию вплотную, а источник отодвигают. Но фокусное расстояние — от источника до плёнки — нельзя увеличивать бесконечно: интенсивность падает с квадратом расстояния, и выдержка растёт. ГОСТ 7512-82 ограничивает нерезкость: как правило, она не должна превышать половины требуемой чувствительности.

Радиографический контроль (схема). Излучение от фокусного пятна рентгеновской трубки проходит через шов и попадает на плёнку или детектор. Пора ослабляет его меньше, чем сплошной металл, и на снимке видна тёмным пятном. На деталь со стороны источника кладут индикатор качества изображения — проволоки разного диаметра: по самой тонкой видимой проволоке судят о чувствительности снимка. Из-за конечного размера фокусного пятна у края изображения появляется полутень — геометрическая нерезкость; её уменьшают, отодвигая источник от детали.

Чувствительность, плотность и маркировка

Снимок сам должен доказать, что на нём виден дефект нужного размера. Для этого вместе с изделием просвечивают эталон чувствительности. ГОСТ 7512-82 предусматривает три типа: проволочный — набор проволок разного диаметра, его кладут прямо на шов, проволоками поперёк; канавочный — пластину с канавками разной глубины, её кладут рядом со швом; пластинчатый — пластинку заданной толщины. Эталон ставят со стороны источника, а если это невозможно, стандарт допускает сторону кассеты.

Чувствительность контроля — размер самого тонкого элемента эталона, различимого на снимке: диаметр проволоки или глубина канавки. Требуемое значение задают нормы; в НП-105-18 его устанавливают по радиационной толщине — суммарной толщине металла на пути луча, при съёмке через две стенки — обеих.

Вторая мера качества снимка — оптическая плотность, то есть степень почернения; её измеряют денситометром. Слишком светлый снимок малоконтрастен, слишком тёмный трудно рассмотреть: чем темнее плёнка, тем ярче нужен негатоскоп — осветитель, на котором снимки просматривают на просвет. Допустимые пределы плотности задаёт методика.

Наконец, снимок должен однозначно привязываться к шву. На изделие кладут свинцовые маркировочные знаки — номер изделия, шва и участка, — которые отпечатываются на снимке. Вдоль кольцевого шва укладывают мерительный пояс с делениями, чтобы по снимку найти место дефекта. Снимок без читаемой маркировки — не документ: его переснимают.

Расшифровка: что видно хорошо, а что хуже

Снимки рассматривают на негатоскопе в затемнённом помещении. Расшифровщик сначала проверяет, годен ли снимок: виден ли нужный элемент эталона, в пределах ли плотность, читается ли маркировка, нет ли артефактов. Только затем он ищет изображения несплошностей, определяет их тип, измеряет размеры и считает их число на участке.

Расшифровка: сначала проверяют снимок, потом шов

1. Эталонвиден ли нужный элемент эталона чувствительности
2. Плотностьв пределах ли оптическая плотность
3. Маркировка и артефактычитается ли маркировка, нет ли артефактов
4. Поиск несплошностейизображения несплошностей ищут только на годном снимке
5. Тип, размеры, числоопределяют тип, измеряют размеры, считают число на участке

Объёмные несплошности видны хорошо, плоские — хуже. Поэтому радиография — основной метод поиска внутренних дефектов и в отливках, где это раковины, поры и включения, — об этом в статье «Отливки для АЭС». Как выглядят основные несплошности сварного шва:

Отсюда главное ограничение метода. Дефект виден, если вдоль луча он «вычитает» достаточно металла. Поры и шлак дают это при любом направлении просвечивания, а плоская трещина или несплавление — только когда луч идёт примерно вдоль их плоскости. ГОСТ 7512-82 прямо оговаривает, что непровары и трещины, плоскость раскрытия которых не совпадает с направлением просвечивания, могут быть не выявлены.

Второе ограничение — снимок показывает проекцию: длина и ширина дефекта видны, а глубина залегания и высота — нет. Поэтому радиографию сочетают с ультразвуком, который уверенно находит плоские дефекты и определяет координаты по глубине, — подробнее в статье «Ультразвуковой контроль сварных швов».

Безопасность и документы

Радиационная безопасность при радиографии держится на тех же принципах, что и вся защита от излучения: время, расстояние, экран. К работам допускают обученный персонал, отнесённый к персоналу группы А и прошедший медосмотр и проверку знаний. В цехе просвечивают в защитной камере с блокировками, на монтаже ограждают радиационно-опасную зону, выставляют знаки и сигнализацию и контролируют мощность дозы на её границе. Каждый дефектоскопист носит индивидуальный дозиметр, а на стройке просвечивание обычно планируют на время, когда рядом нет других работ, — нередко на ночь.

Для изготовителя и заказчика радиография начинается с документов. В чертеже и ТУ указывают категорию сварного соединения и нормы контроля — для оборудования АЭС это НП-105-18, а методику — ГОСТ Р 50.05.07-2018. По ним составляют технологическую карту контроля: источник, плёнку и экраны, схему просвечивания и число участков, фокусное расстояние, тип эталона и требуемую чувствительность, места маркировочных знаков.

Результаты записывают в журнал контроля и оформляют заключение: изделие, шов и участки, схема и условия контроля, достигнутая чувствительность, найденные несплошности с размерами и местом и оценка по нормам. Его подписывают специалисты, допущенные в порядке ГОСТ Р 50.05.11-2018. Снимки или цифровые файлы хранят вместе с заключениями: НП-105-18 требует обеспечить хранение отчётной документации по контролю, исключающее утрату и порчу, в течение назначенного срока эксплуатации оборудования. Что из архива передают заказчику вместе с изделием, оговаривают в договоре.

Типичные ошибки, из-за которых снимки бракуют или пересматривают:

• Не достигнута чувствительность. Нужный элемент эталона не виден — снимок не доказывает отсутствие дефектов.
• Эталона нет на снимке. Его забыли, положили не туда или он вышел за пределы кадра.
• Неверная экспозиция. Снимок слишком светлый или слишком тёмный, плотность вне пределов.
• Артефакты. Царапины, пятна, засветка и следы обработки похожи на дефекты или скрывают их.
• Неверная маркировка. Снимок не привязать к шву и участку, а дефект — не найти для исправления.

Термины

• Геометрическая нерезкостьРазмытая кайма вокруг изображения дефекта из-за конечного размера источника; растёт с размером источника и расстоянием от дефекта до плёнки.
• Фокусное расстояниеРасстояние от источника излучения — фокусного пятна трубки или гамма-источника — до плёнки.
• Эталон чувствительностиНабор проволок, пластина с канавками или пластинка заданной толщины, которые просвечивают вместе со швом, чтобы подтвердить качество снимка.
• Чувствительность контроляРазмер наименьшего элемента эталона, различимого на снимке, — диаметр проволоки или глубина канавки.
• Радиационная толщинаСуммарная толщина металла на пути луча; по ней задают требуемую чувствительность.
• Оптическая плотностьСтепень почернения радиографической плёнки; измеряется денситометром.
• НегатоскопОсветитель для просмотра радиографических снимков на просвет.
• Панорамная съёмкаПросвечивание кольцевого шва за одну экспозицию источником, установленным в центре трубы или сосуда.

Частые вопросы

Почему на радиографическом снимке дефект темнее металла?

Там, где в шве пора, шлак или непровар, металла на пути луча меньше, и он ослабляет излучение слабее. До плёнки доходит больше излучения, и это место чернеет сильнее. Вольфрамовые включения, наоборот, плотнее стали и выглядят светлыми.

Когда применяют рентгеновский аппарат, а когда гамма-источник?

Рентгеновский аппарат позволяет подобрать напряжение под толщину и даёт лучшие снимки на тонких и средних стенках, но ему нужно электропитание. Гамма-источник компактен, работает без электричества и заходит внутрь трубы, поэтому незаменим на монтаже; для толстых стенок берут кобальт-60, для самых толстых — ускорители.

Зачем на снимке эталон чувствительности?

Эталон — проволоки разного диаметра или канавки разной глубины — просвечивают вместе со швом. Если на снимке виден требуемый элемент эталона, снимок достаточно чёткий и контрастный, чтобы показать дефект нужного размера; если нет, снимок бракуют.

Почему радиография может пропустить трещину?

Плоская трещина заметно уменьшает толщину металла на пути луча, только если луч идёт примерно вдоль её плоскости. Трещину или несплавление, наклонённые к лучу, снимок может не показать, поэтому радиографию сочетают с ультразвуком.

Сколько хранят радиографические снимки оборудования АЭС?

НП-105-18 требует хранить отчётную документацию по контролю в течение назначенного срока эксплуатации оборудования и трубопроводов. Снимки или цифровые файлы хранят вместе с заключениями.