Радиографический контроль

При прохождении через однородный материал излучение ослабевает равномерно. Однако, при наличии внутренних дефектов — пустот (пор), инородных включений, трещин или участков недостаточного сплавления — происходит локальное изменение поглощения излучения. Это связано с тем, что дефекты имеют отличную от основного материала плотность и химический состав.

Данные различия регистрируются с помощью специальных детекторов: радиографической пленки, цифровых панелей или флуоресцентных экранов. Участки с дефектами проявляются на изображении как зоны с измененной оптической плотностью — более темные области на пленке или с повышенным сигналом в цифровых системах. Это происходит, потому что в местах дефектов излучение поглощается меньше и достигает детектора с большей интенсивностью.

Виды дефектов

Радиографический контроль позволяет обнаруживать, как внутренние нарушения структуры материала (трещины, непровары, газовые поры, инородные включения), так и внешние дефекты в труднодоступных для визуального осмотра зонах. К последним относятся подрезы (канавки вдоль края шва), отклонения формы шва от заданной геометрии (избыточная выпуклость или вогнутость), а также чрезмерное проплавление на обратной стороне стыковых соединений.

Чувствительность метода имеет определенные ограничения, определяемые комплексом факторов. Минимальный размер детектируемого дефекта зависит от физических свойств материала объекта контроля. В материалах с высокой плотностью, например, в стальных сплавах, достижение необходимой контрастности требует применения более мощного излучения, что может снижать чувствительность к мелким дефектам.

Характер дефектов также влияет на обнаруживаемость. Объемные дефекты (поры, включения) создают выраженный контраст на радиографическом изображении благодаря значительной разнице в поглощении излучения между материалом дефекта и основным металлом. Для плоскостных дефектов (трещины, непровары) критическое значение приобретает их ориентация относительно направления излучения — максимальная обнаруживаемость достигается, когда плоскость дефекта параллельна пучку излучения. При перпендикулярной ориентации выявляемость таких дефектов существенно снижается.

Радиографический контроль не универсален, с его помощью можно выявить не все виды дефектов. Не выявляются радиографией:

• Дефекты, протяженность которых в направлении просвечивания менее удвоенного значения абсолютной чувствительности контроля. Когда протяженность дефекта вдоль оси пучка оказывается меньше порога абсолютной чувствительности, создаваемый им перепад оптической плотности становится статистически незначимым на фоне шума и геометрической нерезкости.
• Трещины и непровары с раскрытием менее 0,1 мм при толщине материала до 40 мм, 0,2 мм – при толщине 40-100 мм, 0,3 мм – при толщине 100-150 мм. Обнаружение подобных дефектов требует создания достаточного контраста на радиографическом изображении, что напрямую зависит от соотношения раскрытия дефекта и общей толщины контролируемого материала. Чем больше толщина материала, тем сильнее должен быть раскрыт дефект для его обнаружения радиографическим методом.
• Трещины и непровары, плоскость раскрытия которых не совпадает с направлением просвечивания. Хорошо обнаруживаются те трещины, плоскость раскрытия которых параллельна пучку просвечивания. Эффективная разность плотности начинает уменьшаться, если дефект расположен под углом, а при перпендикулярном расположении раскрытия дефект становится почти невидимым.
• Дефекты, изображение которых совпадает на снимке с изображением посторонних деталей, острых углов или резких перепадов толщин. В условиях сложной геометрии объекта, когда сигнал от дефекта маскируется артефактами, конструктивными особенностями, интерпретация значительно затрудняется.

Допустимость дефектов сварных соединений регламентируется нормативно-технической документацией. Ключевым документом является ГОСТ 23055-78, который устанавливает единые критерии оценки качества сварных соединений по результатам радиографического контроля. Стандарт классифицирует выявленные несплошности по типам, размерам и расположению, определяя для каждого класса соединений предельно допустимые параметры дефектов. Решения о браке или приемке принимаются на основе сравнения полученных результатов с установленными стандартом критериями.

На выбор рентгеновского аппарата влияют следующие критерии:

• Максимальная толщина контролируемого материала, определяющая необходимую энергию излучения.
• Требуемая чувствительность контроля, зависящая от класса ответственности соединения.
• Геометрические параметры установки, включая размер фокусного пятна и расстояния между источником, объектом и детектором.

Для достижения высокой четкости изображения критически важен малый размер фокусного пятна источника излучения. Уменьшение геометрической нерезкости достигается за счет оптимизации расстояния между источником и объектом контроля — увеличение этого расстояния позволяет снизить искажения и улучшить резкость изображения. Современные микрофокусные рентгеновские аппараты с размером пятна менее 100 мкм обеспечивают максимальное разрешение при контроле ответственных соединений.

Чувствительность радиографического контроля определяется комплексом взаимосвязанных параметров, которые необходимо оптимизировать для достижения требуемого качества дефектоскопии.

• Геометрические условия просвечивания. Ключевым параметром является величина фокусного пятна рентгеновской трубки. Микрофокусные установки с размером пятна менее 100 мкм позволяют минимизировать геометрическую нерезкость, что особенно критично для выявления мелких дефектов. Оптимальное соотношение расстояний «источник-объект» и «объект-детектор» определяется по принципу геометрического подобия. Увеличение расстояния от источника излучения до объекта контроля при фиксированном расположении детектора снижает нерезкость, но требует значительного роста экспозиции.
• Морфология и ориентация дефектов. Объемные дефекты (поры, включения) создают изотропное изменение поглощения излучения, что обеспечивает их обнаружение независимо от ориентации. Плоскостные дефекты (трещины, щели) демонстрируют выраженную анизотропию. Их обнаруживаемость резко снижается при ориентации плоскости раскрытия перпендикулярно направлению просвечивания. Максимальная чувствительность достигается при параллельной ориентации плоскости дефекта пучку излучения.
• Энергетические параметры и свойства материала. Выбор жесткости излучения представляет собой компромисс между проникающей способностью и контрастной чувствительностью. Для материалов с высоким атомным номером требуется более жесткое излучение, что снижает контрастность из-за преобладания комптоновского рассеяния. Оптимальная энергия определяется как минимальная, обеспечивающая полное просвечивание толщины материала при сохранении требуемой контрастной чувствительности.
• Характеристики детектирующей системы. Радиографическая пленка характеризуется тремя основными параметрами: градационной характеристикой (крутизна кривой «оптическая плотность — экспозиция»), зернистостью (определяет собственный шум и разрешение) и спектральной чувствительностью (должна соответствовать спектру излучения). Правильность фотообработки включает контроль температуры, времени обработки и свежести химических растворов.
• Применение усиливающих экранов. Свинцовые экраны толщиной 0.02-0.15 мм выполняют двойную функцию: уменьшают рассеянное излучение и создают вторичные электроны, усиливающие почернение пленки. Флуоресцентные экраны на основе редкоземельных элементов (Gd₂O₂S, LaOBr) обеспечивают значительное световое усиление, но вносят дополнительную нерезкость из-за рассеяния света в люминофоре. Выбор типа и комбинации экранов определяется требуемым балансом между чувствительностью и разрешающей способностью.

Контрастность снимка является фундаментальным параметром, определяющим возможность визуализации дефектов. Она формируется как произведение двух составляющих: контрастности объекта и контрастности детектора.

Контрастность объекта определяется разницей в ослаблении излучения между основным материалом и зоной дефекта, которая зависит от разности плотностей и атомных номеров. Эта разность обратно пропорциональна энергии излучения: с ее ростом вклад фотоэлектрического эффекта уменьшается, а комптоновского рассеяния увеличивается, что снижает общую контрастность.

Контрастность пленки характеризуется градиентом ее характеристической кривой, определяющим способность преобразовывать вариации экспозиции в изменения оптической плотности. Высококонтрастные пленки обеспечивают лучшее выявление малозаметных дефектов, но требуют точного соблюдения экспозиционных параметров.

Резкость изображения определяет пространственное разрешение системы и характеризуется крутизной градиента оптической плотности на границах раздела сред. Высокая резкость обеспечивает возможность раздельного наблюдения близко расположенных дефектов и точного определения их геометрических параметров.

Основными факторами, влияющими на резкость, являются:

• Геометрическая нерезкость. Зависит от размера фокусного пятна и геометрии съемки.
• Нерезкость детектора. Определяется зернистостью пленки или пиксельным шагом цифрового детектора.
• Нерезкость движения. Обусловлена вибрациями установки.

Разрешающая способность радиографической системы определяет минимальное расстояние между двумя точками, при котором они еще воспринимаются как отдельные элементы. Для пленок этот параметр напрямую связан с размером зерна эмульсии — мелкозернистые пленки обеспечивают более высокое разрешение.

На практике чувствительность контроля оценивается с помощью эталонных индикаторов (проволочных по ISO 19232-1 или пластиночных по ГОСТ 23055-78), позволяющих определить минимальный размер дефекта в абсолютных или относительных единицах.

Выбор схемы контроля регламентируется ГОСТ 7512-82 и другими отраслевыми стандартами. Основным критерием выбора является обеспечение максимальной вероятности обнаружения наиболее опасных дефектов с учетом их ожидаемой ориентации и расположения. Стандартные схемы включают:

• Одностороннее просвечивание с расположением пленки со стороны источника.
• Двустороннее просвечивание для сложных конфигураций.
• Тангенциальное просвечивание для выявления ориентированных дефектов.
• Специальные схемы для контроля кольцевых швов и сложных соединений.

Оптимальная схема выбирается на основе анализа рабочей документации, ожидаемых типов дефектов и конструктивных особенностей контролируемого объекта.

Регистраторы рентгеновского излучения

Рентгеновская пленка сохраняет статус основного детектора в российской промышленности благодаря отработанной методологии применения и экономической доступности. Особенностью российского рынка является отсутствие единых стандартизированных требований к характеристикам пленок, что компенсируется разработкой детальных технологических регламентов на уровне предприятий. Эти документы строго регламентируют выбор типа пленки, параметры экспонирования и обработки для каждого конкретного объекта контроля.

Классификация пленок по структурным и эксплуатационным характеристикам:

• Крупнозернистые низкоконтрастные пленки находят применение при контроле толстостенных объектов, где допустимые размеры дефектов относительно велики. Их ключевое преимущество — высокая скорость съемки повышенной светочувствительности эмульсии. Это достигается за счет увеличения размера кристаллов галогенида серебра, что, однако, снижает разрешающую способность.
• Высококонтрастные мелкозернистые пленки обеспечивают детализацию и способность выявления субмиллиметровых дефектов. Компенсацией повышенных требований к экспозиции служит использование усиливающих экранов.

С рентгеновскими пленками используется три типа экранов:

• Свинцовые экраны (толщина 0.02-0.15 мм) работают по принципу генерации вторичных электронов под воздействием рентгеновского излучения. Коэффициент усиления 1.5-3 достигается за счет дополнительной экспозиции пленки этими электронами. Дополнительная функция — фильтрация рассеянного излучения.
• Флуоресцентные экраны на основе редкоземельных люминофоров обеспечивают коэффициент усиления 20-30 за счет конверсии рентгеновских квантов в видимый свет. Недостаток — повышенная структурная нерезкость рассеяния света в слое люминофора.
• Флуорометаллические экраны сочетают свойства свинцовых и флуоресцентных — металлическая подложка генерирует электроны, а люминофорный слой обеспечивает световое усиление. Это дает чувствительность при сохранении приемлемого разрешения.

На практике чаще всего применяется сэндвич-конфигурация из пленки между двумя экранами. Выбор толщины и материала экранов определяется энергией излучения и требованиями к качеству изображения. Для высокоответственных объектов (атомная энергетика, авиация) применение флуоресцентных экранов ограничено из-за требования к максимальному разрешению. В таких случаях используют тонкие свинцовые экраны в сочетании с высококонтрастными пленками, несмотря на увеличение времени экспозиции.

Гибкие запоминающие пластины представляют технологию переходного этапа между пленочной и цифровой радиографией. Они основаны на фотостимулируемой люминесценции: специальный слой на гибкой подложке сохраняет скрытое изображение при экспонировании, которое затем считывается лазерным сканером.

Основные преимущества:

• многократное использование (до 1000 циклов);
• широкий динамический диапазон;
• возможность цифровой обработки изображений.

Недостатки: ограниченное разрешение в сравнении с пленкой, необходимость регулярной калибровки сканера.

Цифровые детекторы прямого преобразования трансформируют рентгеновское излучение непосредственно в электрический сигнал с помощью матрицы полупроводниковых элементов, как правило, это аморфный селен или кремний. Системы непрямого преобразования используют промежуточный сцинтиллятор, который трансформирует рентгеновские кванты в видимый свет, регистрируемый CCD или CMOS матрицей.

Оборудование для радиографического контроля

Рентгеновские аппараты и гамма-дефектоскопы представляют два основных класса оборудования для промышленной радиографии, каждый из которых имеет четко определенную область применения.

Рентгеновские аппараты постоянного действия характеризуются стабильным выходным параметрами излучения с возможностью точной регулировки напряжения и тока. Это позволяет оптимизировать жесткость спектра и интенсивность излучения под конкретные задачи контроля. Ключевые преимущества:

• Высокая мощность излучения (до 450 кВ и более).
• Возможность регулировки параметров для разных материалов и толщин.
• Высокое качество изображения с оптимальным соотношением резкости и контрастности.
• Стабильность параметров в течение всего срока службы.

Основные ограничения связаны с большими габаритами и массой генераторных блоков, а также зависимостью от стационарного электропитания. Кроме того, их применение требует повышенной радиационной безопасности.

Гамма-дефектоскопы используют радиоизотопные источники, что обеспечивает их принципиальные преимущества:

• Малый эффективный размер фокусного пятна, который представляет собой практически точечный источник.
• Компактность и автономность, независимость от внешнего питания.
• Возможность работы в полевых условиях и труднодоступных местах.
• Способность просвечивать сложные геометрические конфигурации.

Однако они также имеют ограничения. Энергия излучения фиксированная, определяется используемым изотопом. Активность источника постепенно уменьшается, что требует его периодической замены. По сравнению с рентгеновскими аппаратами, они дают более низкое качество изображения. Также есть сложности с обеспечением радиационной безопасности из-за непрерывного излучения.

Критерии выбора оборудования определяются техническими требованиями контроля:

• Для высокоответственных объектов с требованиями максимального качества изображения предпочтительны рентгеновские аппараты.
• Для полевых условий, сложных геометрических конфигураций и при отсутствии питания применяют гамма-дефектоскопы.
• Толщина материала определяет выбор типа источника: Ir-192 (до 100 мм стали), Se-75 (до 40 мм), Co-60 (свыше 100 мм).
• Требуемый класс чувствительности влияет на выбор геометрии контроля и типа оборудования.

Также достаточно широко используются импульсные рентгеновские аппараты, которые сочетают в себе мобильность гамма-дефектоскопов и преимущества рентгенаппаратов.

Также для радиографического контроля используются дополнительные принадлежности: трафареты, шаблоны, эталоны чувствительности, маскировочные знаки, мерные пояса, магнитные прижимы, рамки, кассеты, фонари.

Оценка качества сварных соединений

Оценка качества сварных соединений после радиографического контроля осуществляется в соответствии с ГОСТ 23055-78. Этот стандарт устанавливает единые критерии для классификации дефектов и определения уровня качества сварных швов на основе радиографических данных.

Расшифровка радиографических снимков включает последовательный анализ:

1. Идентификация дефектов. Определение вида каждого выявленного дефекта согласно ГОСТ 23055-78.
2. Измерение параметров. Определение геометрических размеров дефектов: длина, ширина, площадь.
3. Оценка расположения. Анализ локализации дефектов и их удаленности от края шва.
4. Оценка качества. Отнесение соединения к категории качества согласно критериям НТД.

Контролю подлежат как сам сварной шов, так и околошовная зона шириной не менее 10 мм в каждую сторону. В околошовной зоне выявляют трещины, выходящие из шва, зоны термического влияния, дефекты краев основного металла. При наличии недопустимых дефектов, превышении их допустимых концентраций, расположении в критических зонах изделие бракуется.

Протокол оценки должен содержать полную информацию о выявленных дефектах с указанием их координат, размеров и классификации согласно установленной системе кодирования. Результаты оформляются в виде заключения с указанием соответствия или несоответствия требованиям нормативной документации.

Для корректной оценки снимок должен соответствовать ряду критически важных критериев:

• Отсутствие артефактов обработки (пятна, подтеки, царапины), механических повреждений эмульсии, паразитных засветок и затемнений.
• Отсутствие механических повреждений эмульсии.
• Четкая видимость маркировочных знаков (номер шва, клеймо оператора), наличие ограничительных меток зоны контроля, эталона чувствительности.
• Разборчивое изображение контролируемого участка шва.
• Оптическая плотность в диапазоне 1,5-3,5 D (оптимально 2,0-2,5 D).
• Снижение плотности на любом участке шва относительно эталона не более 1,0 D.
• Соответствие чувствительности требованиям НТД (обычно 1-2% от толщины).

Организация радиографического контроля

Радиографический контроль должен быть организован в установленном порядке. Проведение таких работ требует обязательного лицензирования. Для получения разрешения должны быть обеспечены условия безопасной эксплуатации источников излучения.

Проводят радиографический контроль не менее двух дефектоскопистов, каждый из которых должен иметь разрешение. У руководителя группы должен быть II или III уровень квалификации по радиографическому контролю.

Обследование объектов, поднадзорных Ростехнадзору РФ, проводится на основании технологической карты. Документ должен содержать:

• перечень материалов и оборудования;
• последовательность выполнения работ;
• схему просвечивания;
• требования к чувствительности контроля;
• нормы контроля;
• схемы зарядки кассет и другую информацию.

Для проведения радиографического контроля необходима аттестация лаборатории на соответствие требованиям СДАНК-01-2020, а требования к работникам должны соответствовать правилам аттестации персонала СДАНК-02-2020.