CC BY
25
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
Том 280 1975
РАЗВИТИЕ СРЕДСТВ И МЕТОДОВ РАДИАЦИОННОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ
В. И. ГОРБУНОВ
Развитие неразрушающих методов и средств контроля материалов' и изделий является закономерным результатом требований технического прогресса и тех качественных изменений, которые наблюдаются с-ироцессе развития науки и техники.
Послевоенный период можно охарактеризовать грандиозным развитием технического прогресса, успехами физики, технической электроники, технической кибернетики и т. п. Для современного развития про мышленности характерно сосредоточение материально-технических средств, научных и инженерных разработок в одном сооружаемом, объекте.
Значительное количество дорогостоящих объектов, таких как тепловые энергоблоки в сотни тысяч киловатт, гидротурбины, ядерные реакторы, магистральные трубопроводы, воздушные лайнеры и космические корабли, уже с начала постройки становятся уникальными. Вот почему затраты общества на их сооружение могут быть оправданы только в том случае, если объекты будут работать бесперебойно. Из вышеизложенного становится совершенно очевидно, что никакой выборочный контроль качества изделий и материалов, из которых изго товляются детали и узлы, не обеспечит гарантию безаварийной и надежной работы объектов. Причиной аварии космического корабля, теплового энергетического или магистрального блока, или магистрального трубопровода, на разработку и создание которых затрачиваются десятки и сотни миллионов рублей, может явиться выход из строя одной из мноючислепных и самой незначительной детали,- некачественно выполненного участка сварного шва и т. п. Таким образом, «проблема стопроцентной гарантии надежности всех жизненно важных узлов и деталей, а также качества всех основных материалов, идущих на сооружение подобных объектов, стала насущной государственной задачей» К
Для многих отраслей промышленности, таких как металлургическая., машиностроительная, химическая и другие, характерно внедрение вы сокоскоростных технологических процессов. Управление такими процессами немыслимо без широкого применения современных средств автоматики и кибернетики. Однако применение мощного современного арсенала технических средств для целей комплексной автоматизации
1 П. К. О щ е и к о в. Интроскопия и се применение в науке. М., Онтипри-бор, 1966.
а.
высокоскоростных технологических процессов в большинстве случаев не является эффективным вследствие отсутствия входных данных, характеризующих качество продукции и технологический процесс.
Отсутствие разработанных методов получения входных данных непосредственно из контролируемых объектов остро поставило вопрос о разработке автомагических средств контроля в поточном производстве. 'Следует указать, что неудовлетворительное состояние-методов и средств автоматического контроля характерно для всей мировой практики.
В программе КПСС и директивах XXIV съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на 1971 — 1975 гг. особое внимание уделяется дальнейшему повышению качества производимой продукции. «Основные задачи промышленности в новом пятилетии заключаются ... в повышении технического уровня и эффективности производства, коренном улучшении качества продукции»2.
Вполне очевидно, что задача всемерного повышения качества продукции во всех отраслях промышленности, связанная в конечном счете с проблемой надежности и технико-экономической эффективности, может быть решена лишь при условии создания новых методов и устройств, позволяющих обеспечивать высокопроизводительный, автоматический контроль качества материалов и изделий. Вместе с тем непрерывный рост требований к надежности агрегатов, машин и конструкций вызывает необходимость дальнейшего увеличения информации о внутренних свойствах и качестве контролируемых изделий без .их разрушения при высокой скорости обработки этой информации. Удовлетворить перечисленные требования с помощью известных методов дефектоскопии, позволяющих осуществлять в большинстве случаев выборочный контроль качества продукции при одноэлементной информации, не представляется возможным.
В последние годы как закономерный результат требований современного технического прогресса как в нашей стране, так и за рубежом возникло и стало развиваться новое направление в науке и технике — интроскопия. Главной задачей интроскопии как раз и является создание методов и средств высокоскоростного получения, обработки и регистрации наиболее полной, т. е. многоэлементной, информации непосредственно из внутренних областей изучаемых или контролируемых тел и процессов. Из сказанного становится ясным, что только интроскопия в конечном счете позволит получить наиболее полную информацию о свойствах и качестве контролируемых изделий.
Развитие методов и средств интроскопии оказывает определяющее влияние .на развитие современной дефектоскопии. Больше того, практика развития современных методов и средств неразрушающего контроля материалов и изделий показывает, что интроскопия, по сути дела, является новым этапом развития дефектоскопии, основанным на последних достижениях науки и техники.
Интроскопия и современная дефектоскопия основаны на широком использовании са^ых различных видов и спектров проникающих излучений, таких как ультразвуковые колебания, магнитные и электромагнитные ноля, рентгеновские и гамма-лучи, нейтронные потоки, оптические спектры, радиоволны сантиметрового и миллиметрового диапазонов и др.
Разработка методов и средств современной радиационной дефектоскопии и интроскопии, наряду с использованием других источников электромагнитных излучений, представляет значительный как научный, так и практический интерес. Об этом свидетельствует большое число
2 Директивы XXIV съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного .хозяйства СССР на 1971 — 1975 гг.
работ, проводимых как в нашей стране, так и за рубежом в области радиационной дефектоскопии и интроскопии.
Современный мировой уровень развития радиационных неразру-шающих методов и средств контроля материалов и изделий можно охарактеризовать разработкой и внедрением в промышленное производство автоматических и полуавтоматических дефектоскопов и интроскопов, позволяющих вести непрерывный контроль материалов и изделий.
Разработка таких дефектоскопов и интроскопов потребовала прежде всего создание новых и усовершенствование уже известных источников радиационного излучения. В настоящее время рядом зарубежных фирм выпускаются рентгеновскйе, радиоизотопные и ускорительные установки, конструкции которых разработаны специально для целей дефектоскопии и интроскопии. Наряду с совершенствованием стационарных рентгеновских и радиоизотопных установок большое внимание уделяется созданию портативных рентгеновских аппаратов и гамма-установок. Так, фирмами «Дженерал моторе», «Дженерал электрик» (США), «Тосиба», «Симадзу», «Хижаци» (Япония) и др. созданы портативные рентгеновские аппараты с напряжением 30—200 кВ, доступные для переноски 1—2 человеками; создана портативная аппаратура и новые типы контейнеров, что позволяет использовать радиоактивные изотопы с различной энергией. Фирмы «Броун Бовери» (Швейцария), «Тосиба» (Япония) и др. создали и серийно выпускают бетатроны для контроля изделий большой толщины; фирмами «Дженерал электрик» (США), «Метрополитен Викерс» и др. для этих же целей созданы линейные электронные ускорители, ускорители «Ван-Графа» и другие типы ускорителей на энергию 2—3 МэВ.
В области разработки и создания приемников излучения для контроля изделий, наряду с совершенствованием радиографии, основное внимание уделяется визуальным и ионизационным методам контроля. Рядом фирм США, Голландии и Японии созданы новые электронно-оптические преобразователи для визуального контроля, созданы и применяются телевизионные системы, которые используют чувствительность передающих видиконов непосредственно к рентгеновскому излучению; созданы замкнутые телевизионные системы на основе видиконов и ортиконов в сочетании с экранами и усилителями изображения. Ведутся исследования по созданию твердосхемных полупроводниковых преобразователей изображения, продолжаются работы над повышением разрешающей способности замкнутых телевизионных систем, сцин-тилляцианных методов регистрации .излучения при просвечивании изделий, разрабатываются мультидинные системы для приема и усиления слабой радиации.
Успехи, полученные в результате исследовании и разработке методов и средств радиационного контроля, позволили ряду зарубежных фирм создать и внедрить в производство несколько типов полуавтоматических и автоматических дефектоскопов и интроскопов.
Развитие радиационных неразрушающих методов контроля за рубежом с использованием рентгеновских и ускорительных установок идет по пути создания полуавтоматических интроскопов, основанных на использовании электрооптических преобразователей для визуализации, замкнутых телевизионных систем и т. д.
На некоторых заводах внедрены рентгеновские и бетатронные ннтроскопы. Так, на заводе «Юнайтед Стейт стил» (США) с помощью рентгеновского интроскогта контролируются сварные швы небольшой толщины; на заводе «Напа» фирмы «Кайзер стил» (США) с 1963 г. применяют улучшенную систему контроля сварных труб, где одновременно используют рентгеновскую флуороскопию и телевидение; установка
о
•разработана фирмой «Пикер-ИХС-рей КОРН». На трубном заводе фирмы «Тиссен» (ФРГ) для контроля сварных швов толщиной 20 мм используется рентгеновская установка с электронно-оптическим преобразователем. Производительность установки 14 км швов в 1 месяц работы. На металлургическом заводе фирмы «Феликс Рейнрор» в Дуйсбург-Рурорте (ФРГ) была испытана установка для просвечивания блюмов посредством бетатрона с энергией излучения 31 МэВ. С помощью электронно-оптического преобразователя фирмы «Филлипс» (Голландия) и телевизионной системы наблюдалось видимое изображение усадочной раковины для определения оптимальной длины обрези. Бетатрон-мая установка на 31 МэВ, укомплектованная электронно-оптическим преобразователем и телевизионной системой, также установлена на заводе «Фишер» (Швейцария) для контроля горячих слитков.
Наряду с тормозным изучением для контроля за рубежом успешно применяется гамма-излучение радиоактивных изотопов.
Недостатки фотографического метода гамма-дефектоскопии привели к разработке и созданию наиболее совершенных автоматических сцинтилляционных гамма-дефектоскопов. На заводах «Муаэвр» фирмы «де Вендель Ко» (Франция) гамма-дефектоскоп с сцинтилляционным приемником излучения используется для контроля горячих блюмов. Производительность контроля составляет 3—13 м/мин.
Другой гамма-дефектоскоп, разработанный также во Франции, позволяет контролировать слитки толщиной до 200 мм со скоростью 120 м/мин. Источник излучения СО60 активностью до 1000 кюри. Гамма-дефектоскопы для непрерывного контроля бесшовных труб используются на заводе фирмы «Сумитомо Киндзону Коче» (Япония); для сортировки листов жести по толщине на заводе фирмы «Лай Трейдинч» (США), на заводе фирмы «Дортмунд-Хердер» (ФРГ) гамма-дефектоскопы используются для контроля горячих блюмов.
В СССР разработкой радиационных методов и средств неразруша-ющего контроля занимаются предприятия и учреждения различных министерств и ведомств.
Разработка источников проникающего излучения для радиационной дефектоскопии производится на заводе «Актюбрентген», разработка тамма-дефектоскопов — во ВНИИРТ, линейных электронных ускорите-лей — в МИФИ, микротронов — в институте физических проблем АН СССР, бетатронов, микротронов и синхротронов — в Томском политехническом институте .и СКВ Московского электрозавода. В работах ЗНИИРТ описаны новые конструкции гамма-дефектоскопов типа «Газпром», РИД-21, РИД-22, РИД-33. Линейные электронные ускорители, разработанные в МИФИ с учетом конструктивных разработок, могут быть применены в радиационной дефектоскопии и интроскопии.
Индукционные ускорители электронов — бетатроны, разрабатываемые и изготовляемые НИИ ЭИ и в ТПИ, используются для контроля материалов и изделий на промышленных предприятиях страны.
В НИИ интроскопии разрабатываются средства видения внутри непрозрачных тел и сред на основе преобразования различных видов проникающих излучений в оптически видимые изображения или другую многоэлементную и кодированную информацию, отображающую качества и свойства контролируемых сред. В этом же направлении ведутся работы в НИИ электронной интроскопии ТПИ.
В области исследования и разработки приемников излучения для радиационной дефектоскопии и интроскопии значительные работы проведены в НИИ интроскопии по разработке и созданию универсальных электронных преобразователей типа «Уникон» и мультидинных систем.
На основе теоретических и экспериментальных исследований и полученных результатов, а также используя разработанные методы ра-
диационного контроля материалов и изделий, в некоторых учреждениях были изготовлены, внедрены или готовятся к внедрению в производство полуавтоматические и автоматические радиационные дефектоскопы и иптроскопы. Внедрены на предприятиях Министерства авиационной промышленности рентгеновские и изотопные нитроскопы, разработанные в НИИ интроскопии. Ряд полуавтоматических изотопных дефектоскопов разработан в ЦНИИТМаш.
В НИИ электронной интроскопии разработано и внедрено в производство несколько типов радиационных дефектоскопов и интроскспов. Так, разработан и внедрен впервые комплексный бстатронпый дефектоскоп для контроля толстостенных сварных соединений на Барнаульском котельном заводе. Дефектоскоп позволяет вести непрерывный автоматический контроль сварных швов толщиной до 300—350 aim и шириной до 100 мм с производительностью до 300 км швов за один месяц.
Созданы и внедряются в производство другие типы комплексных бетатронных дефектоскопов и интроскопов. Разработанный для Ижор-ского завода им. А. А. Жданова комплексный бетатронный дефектоскоп БД-3 позволяет контролировать сварные соединения толщиной до 400 мм со скоростью 1,5 м/мии и высокой чувствительностью к обнаружению дефектов.
Помимо бетатронных высокопроизводительных дефектоскопов в НИИ ЭИ разработаны и внедрены на предприятиях различных министерств другие типы рентгеновских и изотопных дефектоскопов, позволяющих вести высокопроизводительный автоматический контроль изделий из различных материалов.
Внедрены вертикальные изотопные дефектоскопы ВИД-1, ВИД-2, ВИД-4 и рентгеновские дефектоскопы РДС-1-200, «Редхорд» и др.
Установки ВИД-1, ВИД-2, ВИД-3 позволяют производить автоматический контроль изделий с плотностью около 2 г/см3 и толщиной до 700 мм, алюминиевые изделия толщиной до 350 мм и стальные с толщиной до 150 мм с использованием в качестве источника излучения Со60 активностью 50 г-эквИа. При одинаковой производительности контроля, которая составляет 1 м2/час, выявляемость дефектов для ВИД-1, ВИД-2, ВИД-3 соответственно составляет 1,5, 1 и 0,5%.
Дефектоскоп ВИД-4 обеспечивает при прочих равных условиях и при выявляемости дефектов 0,5% производительность контроля 5 м2/час.
Рентгеновский сцинтилляционный дефектоскоп РДС-1-200 позволяет контролировать изделия диаметром 400 мм при выявляемости дефектов 0,25% и производительности контроля до 2 м2/час.
В настоящее время в НИИ электронной интроскопии разрабатывается автоматическая установка радиационного контроля длины прибыльной части горячего раската блюминга. Источником излучения служит бетатрон 35 МэВ с частотой импульсов излучения 100—150 Гц и мощностью дозы 600 р/мип на метре. Контроль горячего раската толщиной до 250—300 мм может проходить при скорости 1—2 м/сек с автоматической выдачей информации на систему управления ножницами и систему рационального раскроя металла.
Таково вкратце состояние методов и средств радиационного исраз-рушающсто контроля в нашей стране и за рубежом.
Как уже ранее отмечалось, на современном этапе развития промышленности для осуществления стопроцентного контроля необходимо создание автоматических методов и средств контроля материалов и изделий.
Это является одним из основных требований практически всех отраслей промышлености. Чтобы удовлетворить это требование, в частности, по методам и средствам радиационной дефектоскопии и интроскопии, па наш взгляд, необходимо:
1. Организовать разработку и серийный выпуск различных источников радиации применительно к требованиям современной дефектоскопии и интроскопии. Источники радиаций для неразрушающих методов контроля должны включать в себя:
а) рентгеновские аппараты в диапазоне энергий 20—300 КуВ;
б) ускорители прямого действия в диапазоне энергий 0,5—3 МэВ для генерации тормозного излучения;
в) ускорители электронов (линейные, малогабаритные бетатроны, мнкротроны) в диапазоне энергий 3—6 МэВ для генерации тормозного-излучения;
г) ускорители электронов (бетатроны, мнкротроны, сильноточные бетатроны) в диапазоне энергий 6—-35 МэВ для генерации тормозного и электронного излучения;
д) пзотогшые источники гамма-излучения;
е) нейтронные генераторы быстрых нейтронов;
ж) изотопные источники (и-частиц) для получения быстрых нейтронов.
2. Организовать разработку и серийный выпуск детекторов радиации применительно к требованиям современной дефектоскопии и интроскопии. Детекторы радиаций для неразрушающих методов контроля должны включать в себя:
а) электронно-оптические преобразователи рентгеновского, гамма-л жесткого тормозного излучения с высокой разрешающей способностью:.
б) мультндппиые приемники излучения;
в) твердотельные полупроводниковые преобразователи изображении;
г) чувствительные передающие видпконы для рентгеновского и гаммч-пзлуч^ний;
д) высокочувствительные замкнутые телевизионные системы на основе виднконов и ортиконов в сочетании с экранами и усилителями изображений;
е) сцинтплляционные монокристаллы и мозаики для регистрации излучений.
На основе перечисленных источников и приемников различных видов излучений возможно организовать разработку и изготовление опьп-по-промышлеипых и промышленных полуавтоматических и автоматических дефектоскопов и иптроскопов, отвечающих требованиям отраслей. В частности, уже сейчас представляется возможным, при условии усиления конструкторских бюро и опытного производства приступить к разработке и созданию автомагических и полуавтоматических дефектоскопов для различных отраслей отечественной промышленности.
Если же рассматривать в целом предложения по основным направлениям развития научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области создания и внедрения средств и методов неразрушающего радиационного контроля, то, на наш взгляд, развитие научно-пс-следовагсльскнх и опытно-конструкторских работ должно вестись по крайней мере по трем направлениям:
Разработка и развитие активных методов и средств неразрушающего контроля
Указанное направление находится (как в СССР, так и за рубежом) в основном па стадии перспективных научно-исследовательских разработок. Конечной целью исследований по этому направлению является создание средств и методов активного неразрушающего контроля.
не допускающих в самом технологическом процессе создание материалов и изделии появления скрытых дефектов.
Разработка и создание методов и средств неразрушающего контроля материалов и изделий после их изготовления
Наиболее развитое направление в настоящее время как в СССР, так и за рубежом — это направление в развитии неразрушающих методов контроля.
Основными задачами в научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработках по этому направлению в стране являются вышеперечисленные мероприятия по разработке и выпуску источников и приемников излучения и в конечном итоге создание высокопроизводительных, автоматических систем иптроскопов и дефектоскопов.
Разработка и создание методов и средств неразрушающего контроля изделий в процессе их эксплуатации или длительного хранения
В настоящее время работы в этом направлении находятся в основном па стадии перспективных научно-исследовательских разработок.
Конечной целью НИР и опытно-конструкторских работ по этому и а правлению является автоматический контроль качества эксплуати-руемой или находящейся в стадии длительного хранения продукции (в том числе и усталостных характеристик материалов).
Таковы в оощем направления в развитии научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области создания и внедрения средств п методов неразрушающего контроля.
Особо необходимо отметить, что по всем указанным направлениям научно-исследовательские разработки должны проводиться комплексно, т. е. при одновременном использовании различных видов и спектров проникающих излучений, начиная от гамма-квантов высоких энергий до радиоволн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов и от упругих колебаний высокой частоты до корпускулярных излучений.
