|
|
Методичка. Методичка Контроль качества (2010). Методические указания к лабораторным работам по дисциплине Контроль качества сварки Составители Добрынин В. П
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.
РАДИАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ
2.1. ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ
Рентгеновское и гамма-излучения, как и световые, ультрафиолетовые и радиоволны, имеют электромагнитную природу. Но радиоволны, световые колебания, рентгеновское и гамма-излучения отличаются длинами волн.
Основные свойства рентгеновского и гамма-излучений связаны с тем, что они обладают гораздо большей энергией, чем, например, видимый свет, по-разному поглощаются разными средами. Благодаря этим свойствам рентгеновское и гамма-излучение используют для дефектоскопии сварных соединений. Кроме того, они не подвергаются воздействию электрических и магнитных полей, действуют на фотопленку, вызывают люминесценцию некоторых химических соединений, ионизируют газы, нагревают облучаемое вещество, воздействуют на живые организмы.
Радиационная дефектоскопия – метод получения на радиографической пленке видимого (теневого) изображения внутренней структуры объекта, просвечиваемого ионизирующим излучением.
Р адиографическая дефектоскопия предполагает использование трех основных элементов: источник излучения – контролируемый объект – радиографическая пленка (рис. 2.1).
Задачей радиографического контроля сварных соединений является обнаружение имеющихся в них дефектов типа несплошностей металла – трещин, непроваров, газовых пор, раковин и т.п. инородных включений – шлаковых, вольфрамовых и др., отличающихся по плотности от основного металла.
В общем виде схема радиографического контроля следующая (Рис. 2.1): источник 1 создает поток ионизирующего излучения, который, проходя через контролируемый объект 2, по-разному ослабляется в дефектных и бездефектных сечениях объекта. На пленку 3 под дефектными и бездефектными сечениями объекта попадает различное количество излучения, в результате чего дефекты металла (несплошности, включения, отличающиеся по плотности от основного металла контролируемого объекта) отображаются на пленке после ее фотообработки в виде локальных изменений оптической плотности (темных и светлых пятен и полос, отражающих форму дефекта), наблюдаемых при расшифровке снимка на фонаре – негатоскопе.
Рентгеновское излучение. Это излучение состоит из тормозного и характеристического излучения. Образование его происходит в результате торможения на аноде рентгеновской трубки свободных электронов, обладающих большой скоростью (внеядерный процесс).
Р ентгеновская трубка представляет собой стеклянный баллон, из которого удален воздух (рис. 2.2). В сосуд впаяны два электрода – анод 1 и катод 3, к которым подводится высокое напряжение (U
десятки – сотни кВ). Катод представляет собой нагреваемую током накала до t0 = 2200 – 2500 0С вольфрамовую спираль, помещенную в фокусирующее устройство (металлическая чашка), электрическое поле которого формируется из испущенных нагретой спиралью электронов узкий электронный пучок 2, движущийся к аноду.
Анод представляет собой медный полый цилиндр, на передней части которого укреплена вольфрамовая мишень, о которую ударяются электроны. Электроны, испущенные катодом, ускоряются электрическим полем в промежутке катод-анод, ударяются об анод, теряют свою скорость и набранную в процессе ускорения кинетическую энергию. При этом часть кинетической энергии электронов преобразуется в энергию рентгеновского излучения, часть идет на нагревание анода. Спектр рентгеновского излучения состоит из непрерывного спектра тормозного излучения с наложением линий характеристического излучения. Рентгеновское излучение распространяется во все стороны от мишени. Рабочий пучок формируется геометрией и защитой анодного блока.
Тормозное излучение возникает при торможении (изменении скорости) ускоренных электронов в веществе мишени анода.
Характеристическое рентгеновское излучение возникает в результате энергетических переходов в атомах анода, когда под действием ударов ускоренных электронов выбиваются электроны с внутренних оболочек атомов анода, то атом переходит в возбужденное состояние, а на их место переходят электроны с более удаленных от ядра оболочек и обладающих большей энергией. При этом атом переходит в нормальное состояние и испускает квант характеристического излучения с энергией, равной разности энергии на соответствующих уровнях.
Гамма-излучение. Это излучение образуется в результате распада ядер радиоактивных элементов (изотопов). Внутриядерные силы притяжения между протонами и нейтронами, входящими в состав ядра радиоактивных элементов, не обеспечивает достаточной устойчивости ядра. В результате наблюдается самопроизвольная перестройка менее устойчивых ядер в более устойчивые. Этот процесс, называемый естественным радиоактивным распадом, сопровождается испусканием положительно заряженных альфа-частиц (α), отрицательно заряженных бета-частиц (β) и гамма-излучения (γ). В результате вылета α- и β-частиц и γ-излучения образуется новое ядро, которое может оказаться в возбужденном состоянии. Возбужденное ядро, переходя в нормальное, невозбужденное состояние, испускает избыток энергии в виде гамма-излучения.
Если поместить источник излучения указанных видов в сильное электрическое или магнитное поле, то можно наблюдать картину, показанную на (рис. 2.3). Поток α-частиц отклонится в сторону отрицательного электрода, а поток β-частиц – в сторону положительного. Поток γ-излучения не реагирует ни на электрические, ни на магнитные поля.
α -, β-частицы и γ-излучения различаются также по способности проникать через различные вещества; α-частицы имеют наименьшую проникающую способность и полностью теряют свою энергию при прохождении через воздух на расстоянии 75 – 80 мм от источника; β-частицы полностью поглощаются 6 мм листом из алюминиевого сплава или воздушной средой на расстоянии 7 – 7,5 м от источника; γ-излучение может проникать через стальные изделия толщиной 500 мм.
Дефектоскопы с радиоактивными источниками гамма-излучения (гамма-дефектоскопы) используются при контроле труднодоступных мест ответственных изделий, в монтажных и полевых условиях, когда применение рентгеновских аппаратов затруднено или технически невозможно.
Из большого числа радиоактивных изотопов, известных в настоящее время, в радиационной дефектоскопии применяют лишь те, которые удовлетворяют трем основным требованиям:
1) достаточно высокая энергия излучения;
2) достаточно высокая интенсивность излучения;
3) достаточно продолжительный период полураспада.
Этим требованиям удовлетворяют искусственные изотопы кобальт, иридий, цезий, тулий и др.
Основными характеристиками радиоактивных источников, применяемых в радиационной дефектоскопии, являются: энергетический спектр (энергия) гамма-излучения, период полураспада радиоактивного вещества источника, активность (радиационный выход) источника, размеры активной части источника.
Энергетический спектр гамма-излучения радиоактивного источника – дискретный (линейчатый). Гамма-излучение возникает в результате энергетических переходов возбужденных ядер атомов, образующихся в процессе радиоактивного распада радиоактивного вещества источника, и состоит из квантов одной или квантов с несколькими значениями энергии. В практической дефектоскопии немоноэнергетическому гамма-излучению приписывают определенную эффективную энергию, соответствующую проникающей способности излучения.
Излучение более высокой энергии является более проникающим, что обусловливает меньшее время просвечивания контролируемого изделия. Источники с более высокоэнергетичным гамма-излучением позволяет просвечивать (при приемлемом для практики времени экспозиции) материалы в большом диапазоне толщин, например, 77Ir192 (Е=0,42 МэВ) – до 100 мм стали, 27Со60 (Е=1,25 МэВ) до 200 мм стали.
Особенностью явления радиоактивного распада является то, что ядра радиоактивных изотопов распадаются с течением времени неравномерно, в то время как доля распада ядер в единицу времени для данного изотопа есть величина постоянная. Она называется постоянной радиоактивного распада ω.
С течением времени число атомов радиоактивного вещества уменьшается в соответствии со следующим соотношением, называемым законом радиоактивного распада:
 , (2.1)
где N0 – число радиоактивных атомов в некоторый начальный момент времени;
Nt – число оставшихся радиоактивных атомов к моменту времени t;
е – основание натуральных логарифмов;
ω – постоянная распада данного изотопа.
Время в течение которого число радиоактивных атомов уменьшается вдвое, называется периодом полураспада
 . (2.2)
Период полураспада разных радиоактивных изотопов варьируется в очень широких пределах от миллиардов лет до миллионных долей секунды.
Количественная характеристика радиоактивного распада определяется активностью радиоактивного вещества, которая характеризуется числом распадов ядер атомов в единицу времени.
Активность радиоактивных источников с течением времени изменяется по экспоненциальному закону
 , (2.3)
где А0 – активность радиоактивного источника в момент времени t и в первоначальный момент времени соответственно.
2.2. РЕНТГЕНОВСКИЕ АППАРАТЫ
Рентгеновская установка состоит из рентгеновского излучателя, источника высокого напряжения и контрольной аппаратуры (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Структурная схема рентгеновской установки.
Высоковольтный генератор преобразует напряжение сети в напряжение питания рентгеновской трубки. Высоковольтный генератор включает: преобразователи переменного тока в постоянный, конденсаторы для фильтрации и удваивания напряжения, трансформаторы накала рентгеновской трубки, выключатели и защитные устройства.
Контрольно-измерительная часть представляет собой группу приборов, которые служат для изменения и регулирования времени, тока, напряжения и частоты.
Рентгеновский излучатель состоит из рентгеновской трубки (рис. 2.2) и защитного кожуха, заполненного изолирующей средой: трансформаторное масло, воздух или газ под давлением. Лучевая отдача трубки зависит в основном от ускоряющего напряжения и предварительной фильтрации излучения.
С увеличением тока трубки при постоянном напряжении увеличивается интенсивность излучения. Увеличение ускоряющего напряжения при заданном анодном токе изменяет спектр излучения со смещение максимума излучения в сторону коротких волн. Электрические свойства рентгеновской трубки характеризуется ускоряющим напряжением U, анодным током I и током накала Iн.
Оптические свойства рентгеновской трубки определяются формой и размерами оптического фокуса трубки. В настоящее время применяются трубки с круглым или прямоугольным (линейным) фокусом. В рентгеновских трубках с линейным фокусом размеры зоны, в которой электроны взаимодействуют с мишенью, не соответствуют размерам кажущегося фокусного пятна. Эта зона представляет собой прямоугольник, тогда как кажущееся фокусное пятно я вляется квадратом (рис. 2.5).
В радиационной дефектоскопии применяют рентгеновские трубки обычной двухэлектродной конструкции двух- и однополярные; специализированные конструкции с вынесенным полым анодом; с вращающимся полым анодом; импульсные и высоковольтные.
Импульсные рентгеновские трубки предназначены для исследования быстропротекающих процессов. Длительность импульсов – 20 нс. В этих трубках за короткий промежуток времени создается ток 103 – 105 А. Современные отпаянные двух- и трехэлектродные импульсные трубки с холодным катодом работают по принципу вакуумного пробоя, который развивается под действием автоэмиссии электронов, получаемых из острых краев катода под действием сильного электрического поля. Анод в таких случаях выполняется в виде вольфрамовой иглы, а катод – в виде кольца или диска.
Высоковольтные рентгеновские трубки не могут быть двухэлектродными, так как при высоком ускоряющем поле более 400 кВ наблюдается автоэлектронная эмиссия, электрические пробои, рассеяние и отражение электронов. Поэтому высоковольтные рентгеновские трубки делают секционными, состоящими из катода, промежуточных электродов и полого анода. Полый анод практически полностью улавливает отраженные электроны. Возможность высоковольтного вакуумного пробоя исключена благодаря большому расстоянию между анодом и катодом.
Для дефектоскопии материалов и изделий широко используются рентгеновские аппараты с напряжением 10 – 400 кВ. Контроль легких материалов, пластмасс обеспечивается мягким излучением, а толстостенных изделий и материалов – жестким излучением.
В общем виде импульсный рентгеновский аппарат состоит из пульта управления, высоковольтного генератора и рентгеновской трубки в защитном кожухе (рис. 2.6).
Питание аппарата осуществляется от сети переменного тока 220 В, 50 Гц с помощью сетевого пульта управления и (при соответствующем исполнении аппарата) как от сети, так и от аккумуляторной батареи с помощью универсального пульта управления.
Каждый из пультов управления преобразует соответствующее напряжение питания аппарата в высокое напряжение 10 кВ, которое через высоковольтный кабель подается в блок рентгеновский.
Пульт управления включает в себя повышающий силовой трансформатор Т1 и диодно-емкостной удвоитель напряжения С1, С2, V3…V6.
С выхода пульта управления высокое напряжение через высоковольтный кабель поступает в блок рентгеновский, заряжает его накопительные конденсаторы С1…С3 до напряжения срабатывания коммутирующего разрядника V1. После его срабатывания они разряжаются через первичную обмотку импульсного трансформатора Т. При достижении на его вторичной обмотке напряжения срабатывания разрядника-обострителя V2 последний коммутирует высокое напряжение на рентгеновскую трубку V3.
Амплитуда напряжения рентгеновской трубки составляет 140-170 кВ и определяется напряжением срабатывания разрядника-обострителя. Длительность рентгеновского импульса определяется временем разряда питающей емкости через рентгеновскую трубку и составляет 10-8 с.
После окончания рентгеновского импульса процесс заряда повторяется вновь. Частота следования рентгеновских импульсов составляет 8 – 9 Гц и зависит от величины напряжения питания. Поэтому, при работе от частично разряженной аккумуляторной батареи время экспозиции следует соответствующим образом увеличивать.
Конструктивно импульсный трансформатор, разрядник-обостритель и рентгеновская трубка объединены в высоковольтный блок, залитый трансформаторным маслом.
В аппарате используется рентгеновская трубка с взрывной эмиссией электронов, не требующая накала и подогрева для подготовки к работе. Напряжение на трубке и ток в ней не регулируются.
Время экспозиции аппарата устанавливается с помощью одного из двух таймеров экспозиции К2 и К3, расположенных на лицевой панели пульта управления. Подключение нужного таймера производится тумблером S3. Установка требуемого времени экспозиции осуществляется совмещением лимба шкалы с нужным делением.
2.3. МАТЕРИАЛЫ И СРЕДСТВА РАДИОГРАФИИ
Радиографическая пленка состоит из семи слоев (рис. 2.7). Слой, называемый подложкой, представляет собой тонкий прозрачный слой из нитроцеллюлозы или ацетатцеллюлозы, обычно окрашенный в голубой или сине-зеленый цвет. Подложка покрывается с обеих сторон специальным клеем (подслоем), на который наносятся светочувствительные эмульсионные слои.
Д ля предохранения от механических повреждений на эмульсионный слой наносится слой желатины (защитный слой).
При действии квантов излучения с энергией Е на эмульсию пленки происходит ионизация зерен бромистого серебра, вызывая так называемое скрытое изображение. При этом ион брома в кристаллической решетке бромистого серебра теряет свой электрон, превращаясь в нейтральный атом брома. Свободный электрон, взаимодействуя с положительно заряженным ионом серебра, нейтрализует его, превращая в нейтральный атом металлического серебра:
 (2.4)
или
 . (2.5)
Таким образом, под действием излучения в эмульсии пленки образуются частицы металлического серебра, так называемые центры кристаллизации. Чтобы вызвать почернение пленки, ее подвергают фотообработке, при которой процесс кристаллизации серебра из эмульсии пленки и появление изображения на рентгеновском снимке (негативе).
При этом, если дефектами являются несплошности поры, шлаковые включения, непровары и т.п., полости которых заполнены газами или материалами с меньшей плотностью, чем металл сварного соединения, то на рентгеновском снимке в местах дефектов образуются потемнения. Степень потемнения пленки пропорциональна глубине дефекта, поскольку в этом месте на пленку попадает излучение большей интенсивности. В случае дефектов в виде включений материалов большей плотности, чем основной металл, например, вольфрам, на пленке образуются светлые пятна.
Степень почернения пленки определяется величиной называемой оптической плотностью почернения. Согласно ГОСТ 7512, нормальная плотность рентгеновских снимков при дефектоскопии сварных соединений должна составлять 1,5…3 ед.
В общем случае на плотность негатива влияют экспозиционная доза, зависящая от продолжительности и интенсивности облучения, фотографические свойства пленки и режимы фотообработки. К основным фотографическим свойствам пленки относятся чувствительность и контрастность. Чувствительность рентгеновской пленки характеризуется размером экспозиции, необходимым для достижения после проявления определенной плотности потемнения.
Контрастность – это разница в почернении наиболее темного и светлого соседних участков снимка. Чем больше контрастность пленки, тем резче на ней выявляются изображения дефектов сварных соединений.
Зернистость пленок определяется зернистым строением фотоэмульсии, обуславливающим зернистость изображения на снимке. В процессе проявления микрокристаллы восстановленного серебра могут собираться в различимые глазом локальные образования – зерна, что приводит к ухудшению выявляемости дефектов на снимке. Зернистость изображения на снимке зависит от типа пленки (размеров зерен серебра в эмульсии), энергии излучения – растет с ростом энергии излучения, времени проявления – растет с увеличением времени проявления снимка.
Разрешающая способность пленок определяется числом раздельно воспринимаемых на снимке изображений линий на одном миллиметре. Пленки с более высокой разрешающей способностью обеспечивают лучшее раздельное восприятие изображений близлежащих дефектов.
Рентгеновские пленки, применяемые для контроля радиографическим методом, можно разбить на две группы – применяемые с флуоресцентными экранами – экранные пленки и используемые без флуоресцентных экранов – безэкранные пленки.
|
|
|
Скачать 2.3 Mb.