Методы радиационного контроля

Радиографический контроль

В зависимости от способа регистрации и типа детектора различают две разновидности промышленной радиографии: метод прямой экспозиции и метод переноса изображения.

Метод прямой экспозиции

В методе прямой экспозиции в качестве детектора излучения используются радиографические (рентгеновские) пленки, которые представляют собой гибкие прозрачные подложки с целлюлозной основой, на которую с обеих сторон нанесены слои фотоэмульсии. Ионизирующие излучения оказывают действие на галогенидное серебро эмульсии рентгеновской пленки, проявляющееся в ее почернении после химической обработки (фотохимический эффект). При этом степень почернения пленки зависит от интенсивности излучения: чем интенсивнее излучение, тем сильнее вызванное им почернение пленки (негатива).

Рентгеновские пленки делятся на безэкранные (РТ-5, РТ-4, РТ-3, РТ-1) и экранные (РТ-2). Безэкранные пленки в основном используют с металлическими усиливающими экранами, а экранные пленки – с флуоресцентными усиливающими экранами. Усиливающие экраны служат для уменьшения времени просвечивания. Усиливающее действие металлических экранов (свинцовая фольга) основано на освобождении из них вторичных электронов, а флуоресцентных – на дополнительном воздействии на пленку холодного свечения (люминесценции) люминофоров (ZnS, CdS, BaSO ₄ и др.), возникающего под действием ионизирующего излучения. В последние годы рентгеновские пленки успешно заменяются специальными фотобумагами, стоимость которых меньше при сохранении почти той же чувствительности метода.

Выявляемость дефектов в данном методе во многом зависит от качества рентгеновского негатива, характеризуемого тремя основными параметрами: оптической плотностью, контрастностью и резкостью (четкостью) негатива.

Оптическая плотность – это величина, характеризующая непрозрачность негатива и количественно равная:

D _опт = lg (L ₀ / L), (5.10)

где L ₀ – интенсивность светового потока, падающего на негатив; L - прошедшего сквозь негатив.

Оптическую плотность негатива определяют экспериментально с помощью специальных приборов – денситометров. Значения D _опт различных участков изображения на негативе должны находиться в пределах 1,2¸1,8.

Контрастность негатива – это разность оптических плотностей наиболее темного и наиболее светлого участков изображения. Минимальная контрастность, воспринимаемая глазом человека с нормальным зрением, составляет около 0,02 единицы оптической плотности.

Резкость изображения на негативе определяется шириной переходной зоны (нерезкостью) Н от одной плотности почернения к другой. Желательно, чтобы значение Н не превышали 0,2 мм.

Качество негативов определяют с помощью эталонов чувствительности, в качестве которых используют пластинчатый (с канавками различной глубины) или проволочный (с различным диаметром проволок) эталоны, изготовленные из того же материала, что и контролируемая деталь. Эталон чувствительности помещают на контролируемый участок детали при ее просвечивании со стороны источника излучения.

Количественно чувствительность s радиационных методов выражают отношением наименьшего размера D h выявляемого дефекта в направлении просвечивания к толщине объекта, которая складывается из толщины h детали и толщины h _эт эталона:

s = D h / (h + h _эт). (5.11)

Основными факторами, влияющими на качество снимка и, тем самым, на выявляемость дефектов, являются:

- геометрические условия просвечивания;

- жесткость излучения;

- толщина контролируемой детали;

- плотность материала;

- характеристики рентгеновских пленок;

- размеры, форма, вид дефекта и его расположение относительно направления просвечивания;

- рассеянное излучение;

- разнотолщинность контролируемой детали.

К геометрическим условиям просвечивания относятся фокусное пятно Ф источника излучения, фокусное расстояние F, расстояние а от дефекта до детектора (рентгеновской пленки – в радиографии) и угол Q расхождения излучения. Одним из их следствий является увеличение изображения по сравнению с фактическими размерами дефекта (рис. 5.5, а).

 

 

Рис. 5.5. Схемы влияния геометрических условий просвечивания на увеличение (а), резкость (б) и искажение (в) радиационного изображения дефекта 3: 1 – источник излучения; 2 - изделие; 4 – детектор излучения (рентгеновская пленка); 5 – изображение дефекта в плане (I _h – интенсивность излучения за изделием)

 

Если расстояние от дефекта до рентгеновской пленки велико, то размер B изображения дефекта получится увеличенным по сравнению с фактическим размером b дефекта (рис. 5.5, а). Для точечного источника излучения (иначе - источника, размеры которого малы по сравнению с фокусным расстоянием F) увеличение n изображения определяется по формуле:

n = (B / b) = [ F / (F - a)] = 1 / [1 - (a / F)]. (5.12)

Таким образом, значение n уменьшается при уменьшении расстояния a от дефекта до рентгеновской пленки, что достигается приложением пленки вплотную к поверхности контролируемого участка, и при увеличении F. Однако, чрезмерное увеличение фокусного расстояния F ведет к уменьшению интенсивности излучения (см. выражение (5.6)) и, соответственно, к увеличению экспозиции, что снижает производительность контроля.

Геометрическую нерезкость Н (рис. 5.5, б), связанную с линейным размером Ф фокусного пятна источника излучения, расстоянием а от дефекта до пленки и фокусным расстоянием F, определяют по формуле:

Н = [ а × Ф / (F - a)] = Ф / [(F / a) - 1]. (5.13)

Из этой формулы видно, что значение Н можно уменьшить с помощью тех же мероприятий, что и в предыдущем случае, а также применением источников излучения с меньшим фокусным пятном.

В производственных условиях изделие обычно просвечивают расходящимся пучком излучения. В таком случае на краях контролируемого изделия (под некоторым углом к направлению центрального луча) путь излучения увеличивается, и поэтому оно ослабляется сильнее. Соответственно на рентгеновском негативе наибольшее почернение образуется в центре и постепенно убывает к краям негатива. Кроме ухудшения чувствительности, изображение на краях пучка получается нечетким и искаженным (рис. 5.5, в). В связи с этим следует пользоваться узким пучком излучения и просвечивать изделия больших габаритов по отдельным участкам.

Влияние энергии Е (жесткости) излучения, плотности r просвечиваемого материала, толщины h контролируемого изделия и контрастности рентгеновской пленки на чувствительность радиографического метода характеризуется следующим выражением:

D h ~ (h × E) / (g × m), (5.14)

где D h – минимальный выявляемый размер дефекта в направлении распространения излучения в деталь толщиной h; g – коэффициент контрастности пленки.

С учетом формулы (5.9) выражение (5.14) можно переписать следующим образом:

D h ~ (h × E ²) / (g × r). (5.15)

Таким образом, получается, что наибольшая чувствительность метода обеспечивается при просвечивании деталей небольшой толщины из более плотных материалов с использованием мягкого (низкоэнергетического) излучения и высококонтрастных рентгеновских пленок (РТ-4, РТ-5). Этими соображениями объясняется то, что при прочих равных условиях изделия из неметаллических материалов и в том числе из ПКМ, имеющих гораздо меньшую плотность, чем металлы, просвечивают более мягким излучением и, соответственно, в течение более длительного времени. Режим же просвечивания стараются выбирать таким образом, чтобы его длительность не превышала 5 минут.

Дефекты больших размеров (в направлении просвечивания), имеющие прямолинейные границы, выявляются лучше, чем дефекты округлой формы (поры, раковины), что объясняется различием резкости и контрастности их изображения. Трещины очень трудно выявлять методами радиационного контроля, если неизвестно направление их распространения вглубь детали. Для надежного обнаружения плоских несплошностей шириной раскрытия до 0,1 мм (трещины, непроклеи или расслоения в слоистых ПКМ) необходимо, чтобы лучи совпадали с плоскостью несплошности или составляли с ней угол не более 10-15°. При бóльших углах просвечивания могут быть выявлены лишь широко раскрытые несплошности, поэтому радиографический контроль, например, поверхностных трещин малоэффективен. Для их обнаружения чаще применяют капиллярные и ультразвуковые методы контроля.

Рассеянное излучение, исходящее от контролируемого объекта и окружающих предметов (оснастка для крепления объекта, стол, пол, стены), может попадать на пленку под разными углами и вуалировать ее, снижая тем самым резкость и контрастность изображения. Отрицательное действие рассеянного излучения на качество изображения можно частично устранить следующим образом:

- поместив пленку при зарядке ее в кассету между двумя металлическими экранами (из свинца, олова или меди), толщину которых выбирают в зависимости от энергии излучения;

- ограничив зону облучения детали с помощью диафрагм;

- установив дополнительные свинцовые листы непосредственно за кассетой.

При просвечивании разнотолщинных деталей получаются очень контрастные негативы: изображение тонких частей оказывается слишком темным, а толстых – слишком светлым.

Чтобы получить качественный снимок деталей с большим перепадом толщин, принимают следующие меры:

- применяют более жесткое излучение, при котором уменьшается контрастность снимка;

- пользуются менее контрастными пленками (РТ-1, РТ-2);

- применяют две пленки с различной чувствительностью и плотностью почернения;

- применяют специальные компенсаторы, изготовленные из того же материала, что и контролируемая деталь, и сглаживающие разнотолщиность.

Технологический процесс радиографического контроля с применением рентгеновских пленок включает следующие основные операции:

1) выбор источника излучения, типа рентгеновской пленки, усиливающих экранов и определение режимов и условий просвечивания (анодное напряжение и ток рентгеновского аппарата, энергия R – или g –излучения, экспозиция, фокусное расстояние, поле облучения и др.);

2) подготовка рабочего места и деталей к просвечиванию (очистка поверхности, разметка участков просвечивания);

3) зарядка кассет;

4) установка деталей, кассет, нумераторов и эталонов чувствительности;

5) просвечивание (экспонирование) пленок по выбранному режиму;

6) фотообработка экспонированных пленок (проявление, промежуточная промывка, фиксирование, окончательная промывка и сушка);

7) расшифровка негативов и оценка качества просвечиваемых деталей.