1. Wstęp

Ultradźwiękowa technika TOFD jest jedną z najdynamiczniej rozwijających się nowych technik w całym obszarze badań nieniszczących. Świadczy o tym duża liczba publikacji i referatów na konferencjach badań nieniszczących [1-3], jak również fakt wprowadzenia przez CEN normy europejskiej ENV 582-6:2000 [4] określającej podstawowe zasady stosowania dyfrakcyjnej techniki czasu przejścia. Norma ENV 583-6 jest obecnie tłumaczona na język polski i przygotowywana do wprowadzenia jako PN-M-70060.

Technika TOFD znalazła największe zastosowanie w badaniach złączy spawanych wykonywanych zarówno w procesie produkcyjnym jak też podczas eksploatacji konstrukcji i urządzeń. Może być ona stosowana jako technika samodzielna lub w połączeniu z techniką echa, jako element większych systemów ultradźwiękowych. O sukcesie dyfrakcyjnej techniki czasu przejścia zadecydowały takie cechy jak dobra wykrywalność wad płaskich (pęknięć, przyklejeń), możliwość dokładnego określania wysokości i długości wad oraz stosunkowo prosta forma wizualizacji wyników w postaci pionowego przekroju spoiny. Cechą wyróżniającą TOFD na tle innych zautomatyzowanych technik ultradźwiękowych jest jej duża elastyczność pozwalająca na łatwe 'dostrajanie' systemu badawczego do kontroli spoin o różnej geometrii i grubości.

Podstawy fizyczne techniki TOFD były szeroko prezentowane w literaturze fachowej, w tym również na wykładach niniejszego cyklu seminariów [5], [6]. Ważne informacje dotyczące tej techniki zawarte są również w normie ENV 583-6.

Celem niniejszego referatu jest zaprezentowanie polskich doświadczeń w zakresie wdrażania i stosowania techniki TOFD. W okresie ostatnich dwóch lat w firmie NDTEST opracowano i wdrożono zmechanizowany system TOFD przeznaczony do rutynowych badań spoin obwodowych rurociągów dalekosiężnych. W urządzeniu tym, opartym na aparaturze elektronicznej firmy AEA Technology, zastosowano kilka nowych rozwiązań nie stosowanych dotychczas w podobnych urządzeniach zagranicznych. Dzięki temu uzyskano istotną poprawę parametrów ultradźwiękowych układu badawczego.

Za pomocą różnych wersji systemów TOFD przebadano ok. 3000 spoin obwodowych na dwóch rurociągach DN 1000 o łącznej długości ponad 40 km. W referacie przedstawiono wyniki tych badań oraz ich porównanie z równolegle prowadzonymi badaniami radiograficznymi.

2. Optymalizacja głowic ultradźwiękowych

Ważnym elementem systemu TOFD jest układ głowic ultradźwiękowych fal podłużnych składający się z głowicy nadawczej i odbiorczej. Właściwie zaprojektowany układ akustyczny jest fundamentem całego systemu i warunkuje jego podstawowe parametry funkcjonalne takie jak czułość, rozdzielczość oraz wielkość strefy martwej.

Aby zapewnić rejestrację sygnałów dyfrakcyjnych pochodzących od wad zlokalizowanych w różnych miejscach spoiny głowice powinny zapewnić pokrycie wiązką ultradźwiękową całego obszaru badania. Oznacza to konieczność stosowania głowic o stosunkowo dużej rozbieżności wiązki, odpowiedniej do wielkości zakładanego obszaru badania. Należy mieć na uwadze również kątową zależność amplitudy fal dyfrakcyjnych ugiętych na krawędzi nieciągłości [7]. Amplituda impulsów dyfrakcyjnych pochodzących z różnych miejsc badanego obszaru zależeć będzie zatem od trzech czynników: amplitudy wiązki nadawczej, współczynnika kierunkowego dyfrakcji oraz czułości głowicy odbiorczej. Uzyskany rozkład amplitudy fal dyfrakcyjnych pochodzących z różnych miejsc badanego obszaru wyznacza efektywną czułość badania TOFD. Powinna ona być możliwie równomierna w całym zakładanym obszarze badania.

Teoretyczne wyznaczenie rozkładu czułości metody TOFD dla określonego układu głowic ultradźwiękowych wymaga przeprowadzenia złożonych obliczeń pola wiązki nadawczej, wiązki odbiorczej oraz współczynnika kierunkowego fal dyfrakcyjnych. Do ich wykonywania opracowano specjalny program komputerowy TOFD HELPER oparty na znanych rozwiązaniach teoretycznych. W szczególności do obliczania rozkładów pól głowic wykorzystano podstawowy wzór Rayleigha uwzględniając modyfikacje związane z przejściem wiązki ultradźwiękowej przez granicę ośrodków. Przy obliczaniu współczynnika kierunkowego fal dyfrakcyjnych skorzystano z rozwiązania podanego w pracy [7].

Rys. 1. Interfejs programu TOFD Helper

Napisany program umożliwia obliczanie i wizualizację pól ultradźwiękowych głowic oraz wynikających stąd rozkładów amplitudy fal dyfrakcyjnych powstających na górnej bądź dolnej krawędzi szczeliny. Rozkłady te obrazowane są na przekroju spoiny umożliwiając szybką ocenę zakładanych rozwiązań. Program umożliwia analizowanie wpływu takich parametrów głowic jak częstotliwość, średnica przetwornika, kąt załamania, materiał i długość klina załamującego oraz odległość między głowicą nadawczą i odbiorczą. W rezultacie możliwe jest zoptymalizowanie parametrów układu ultradźwiękowego TOFD dla danego zadania badawczego.

Przy projektowaniu układu głowic ultradźwiękowych uwzględnić należy kilka innych czynników, nie związanych bezpośrednio z rozkładem amplitudy fal dyfrakcyjnych. Jak wiadomo podstawową informacją wykorzystywaną w badaniu TOFD jest czas przejścia impulsów ultradźwiękowych. Aby rozróżnić impulsy dyfrakcyjne pochodzące od wad położonych blisko siebie czas trwania impulsu ultradźwiękowego musi być odpowiednio krótki. Oznacza to konieczność stosowania silnie wytłumionych głowic szerokopasmowych o możliwie wysokiej częstotliwości podstawowej. Z drugiej strony należy uwzględnić fakt, że zbyt wysokie częstotliwości głowic mogą prowadzić do silnego tłumienia impulsów w materiale lub na jego nierównej powierzchni. Z wytycznych zawartych w normie ENV 583-6, jak również z doświadczeń autorów wynika, że w badaniach spoin, górną granicą częstotliwości głowic jest 15 MHz.

W badaniu TOFD, podobnie jak w innych badaniach ultradźwiękowych, istotnym czynnikiem jest sprzężenie akustyczne głowic z badanym materiałem. W zagranicznych systemach TOFD (np. firm AEA Technology, RTD) stosowane są klasyczne głowice kątowe z klinem załamującym wykonanym z polimetakrylanu metylu. Sprzęgane są one z badanym obiektem za pomocą cienkiej warstewki wody, która wypełnia szczelinę między materiałem a przylgą głowicy. Rozwiązanie takie ma dwie istotne wady. Po pierwsze materiał klina załamującego znacząco tłumi wysokie częstotliwości zawarte w spektrum impulsu ultradźwiękowego. Po drugie, wskutek nierówności powierzchni, grubość warstewki sprzęgającej zmienia się podczas badania co prowadzi do wahań amplitudy rejestrowanych sygnałów ultradźwiękowych. W rezultacie czułość badania TOFD nie jest stabilna podczas skanowania obiektu.

W celu ograniczenia opisanych zjawisk zaprojektowano głowice ultradźwiękowe, w których rolę klina załamującego pełni woda wypełniająca całą przestrzeń między przetwornikiem a powierzchnią materiału. Schemat układu głowic pokazano na rys. 2. Ze względu na stały ubytek wody przez szczelinę między obudową głowicy a powierzchnią materiału jest ona doprowadzana do głowic w sposób ciągły.

Rys. 2. Schemat układu głowic kątowych fal podłużnych z klinem wodnym

3. Próby laboratoryjne

W oparciu o opisane zasady wykonano kilka zestawów głowic ultradźwiękowych zoptymalizowanych pod kątem badań spoin doczołowych rurociągów przesyłowych.

Poniżej przedstawiono wyniki prób laboratoryjnych zestawu zaprojektowanego do badań spoin doczołowych o grubościach ścianki w zakresie od 10 do 15 mm. Testy przeprowadzono na próbce ze stali rurociągowej X60 o grubości 12,5 mm, w której (metodą drążenia elektroerozyjnego) wykonano kilka wąskich szczelin imitujących wady płaskie. Przekrój próbki testowej wzdłuż linii szczelin pokazano na rys. 3.

Poniżej rysunku próbki pokazano zapis skanu TOFD wykonanego na tej próbce przy użyciu omawianego zestawu głowic współpracującego z systemem MinUT-TOFD firmy AEA Technology. Uwidocznione są wskazania dyfrakcyjne od krawędzi wszystkich szczelin z wyjątkiem najpłytszej, która znajduje się w strefie martwej badania TOFD.

Na podstawie uzyskanych wskazań dyfrakcyjnych określić można zarówno długość jak i głębokość wykrytych wad. Wyznaczone głębokości szczelin przedstawiono w tabeli 1 w zestawieniu z wynikami pomiarów wykonanych innymi technikami pomiarowymi: metodą spadku potencjału prądu przemiennego ACPD oraz przy użyciu przyrządów mechanicznych.

Rys. 3. Przekrój próbki testowej ze szczelinami o różnej głębokości oraz zobrazowanie skanu TOFD wykonanego wzdłuż linii szczelin

Jeśli przyjąć za punkt odniesienia wyniki pomiarów mechanicznych to błędy pomiaru głębokości szczelin techniką TOFD nie przekraczają wartości 0,5 mm i są porównywalne z błędami metody spadku potencjału. Pokazany przykład dobrze ilustruje zarówno możliwości jak też ograniczenia techniki TOFD. Prawidłowo zaprojektowany układ akustyczny, współpracujący z odpowiednim układem elektronicznym, zapewnia czułość badania wystarczającą do czytelnego zobrazowania wskazań dyfrakcyjnych pochodzących z różnej głębokości badanego materiału.

Z drugiej strony obecność strefy martwej przy powierzchni skanowania jest nieunikniona gdyż wiąże się z podstawową zasadą techniki TOFD. Fakt ten musi być uwzględniony przy planowaniu całości badań kontrolowanego obiektu. W większości przypadków dla wykrycia typowych wad powierzchniowych (podtopienia, wady lica) wystarcza rzetelne przeprowadzenie badań wizualnych.

4. Ręczne i zmechanizowane badania TOFD

Badania TOFD mogą być wykonywane przy użyciu lekkich, przenośnych zestawów, w których prowadzenie skanera z głowicami odbywa się ręcznie. Niezależnie od sposobu przesuwania głowic po obiekcie system TOFD zapewnia w pełni automatyczną rejestrację danych ultradźwiękowych. Skaner wyposażony jest w hodometr dostarczający informacji o położeniu głowic, w odniesieniu do której układ elektroniczny rejestruje i przetwarza sygnały ultradźwiękowe. Rozwiązania z ręcznym prowadzeniem skanera są efektywne w przypadku badań niewielkich ilości spoin, które mogą być jednak zróżnicowane co do średnicy i grubości ścianki. Wynika to z faktu, że proste, ręczne skanery nie wymagają montowania na spoinie specjalnych obręczy lub prowadnic, które z natury rzeczy muszą być dopasowane do konkretnej geometrii spoin. Typowym polem do stosowania tego wariantu techniki TOFD są grubościenne instalacje technologiczne w przemyśle chemicznym i energetyce.

Odmiennie wygląda sytuacja przy budowie dalekosiężnych rurociągów przesyłowych, gdzie w warunkach terenowych wykonuje się duże ilości spoin o jednakowej geometrii. Praktyczne doświadczenia na budowie odcinka rurociągu DN 1000 wykazały, że przy pomocy ręcznego zestawu TOFD (aparat MinUT-TOFD ze skanerem MANSCAN ) możliwe jest przebadanie do kilkunastu spoin dziennie. Jednym z najważniejszych ograniczeń szybkości i jakości badań były problemy z utrzymywaniem stabilnego sprzężenia akustycznego przy ręcznym prowadzeniu skanera. Przypadkowe zaniki sprzężenia często prowadziły do konieczności powtarzania poszczególnych skanów zaś uzyskanie ciągłego skanu całej długości spoiny było praktycznie niemożliwe. Powodowało to konieczność dzielenia obwodu spoiny na mniejsze odcinki i skanowania ich w oddzielnych podejściach. Warunki środowiskowe na trasie rurociągu (zapylenie, opady, błoto) były dodatkowym, utrudnieniem zarówno w pracy operatorów jak również z uwagi na ryzyko uszkodzenia sprzętu.

Na podstawie uzyskanych doświadczeń podjęto w NDTEST decyzję o budowie zautomatyzowanego systemu TOFD dostosowanego do masowych badań spoin obwo-dowych na rurociągach dalekosiężnych. System zbudowany został na bazie aparatu MinUT-TOFD firmy AEA Technology, zastosowano w nim jednak nowy, zmechanizowany skaner oraz odmienny układ głowic z klinem wodnym. Schemat blokowy urządzenia pokazano na rys. 4. Cała aparatura ultradźwiękowa i sterująca zabudowana jest wewnątrz samochodu terenowego wyposażonego ponadto we własne źródło zasilania (generator 220V) oraz zbiornik wody stosowanej jako sprzężenie akustyczne. Skaner zbudowano na bazie wózka napędzanego silnikiem elektrycznym i dociskanego do powierzchni rury za pomocą naprężonej taśmy stalowej. Konstrukcja systemu napędowego umożliwia jego łatwe dostosowanie do dowolnej średnicy rurociągu w zakresie od DN 400 do DN 1500. Czas montażu skanera na rurociągu jest krótki i na ogół nie przekracza 2 minut. Prędkość i kierunek ruchu skanera może być regulowany z konsoli operatorskiej znajdującej się wewnątrz samochodu.

Rys. 4. Schemat blokowy zautomatyzowanego systemu TOFD firmy NDTEST

Na wysięgniku skanera zamontowano, w specjalnych podatnych uchwytach, głowice ultradźwiękowe oraz hodometr odmierzający drogę przesuwu skanera. Do głowic doprowadzone są kable sygnałowe oraz przewody dostarczające wodę pompowaną ze zbiornika. Wszystkie kable oraz przewody wychodzące ze skanera zebrane są w jedną wiązkę i osłonięte specjalną termokurczliwą koszulką, zabezpieczającą je przed zerwaniem lub uszkodzeniem mechanicznym. Długość połączenia między skanerem a samochodem bazowym wynosi ok. 10 m co umożliwia swobodne operowanie skanerem w typowych warunkach budowy rurociągu.

Funkcjonowaniem całego systemu steruje operator pracujący w stosunkowo wygodnych warunkach, wewnątrz samochodu. Jego zadaniem jest obsługa podstawowego aparatu ultradźwiękowego MinUT-TOFD oraz sterowanie ruchem skanera i pracą pompy wodnej. W czasie skanowania operator, na bieżąco, obserwuje proces akwizycji danych i ma możliwość korygowania pracy systemu. W przypadku zerwania sprzężenia akustycznego może on cofnąć skaner i powtórzyć nieprawidłowy odcinek skanu bez utraty ciągłości zobrazowania.

Zadaniem dwóch pomocników jest montaż i demontaż skanera na rurociągu oraz nadzorowanie jego ruchu wzdłuż obwodu spoiny. W przypadku wystąpienia problemów mechanicznych (np. zahaczenia głowicy o lico spoiny) mają oni możliwość natych-miastowego zatrzymania skanera za pomocą przycisku awaryjnego.

Opisany system zastosowano na budowie, ponad 30 km odcinka rurociągu przesyłowego DN 1000. Zautomatyzowane badania TOFD były tutaj podstawową metodą badań nieniszczących spoin rurociągu. Badaniom TOFD podlegały wszystkie spoiny liniowe przy typowej wydajności ok. 40 szt. spoin dziennie. W szczytowych okresach prac liczba badanych spoin dochodziła nawet do 70 dziennie. Ilustruje to skalę efektów jakie osiągnięto dzięki automatyzacji techniki TOFD w zakresie poprawy wydajności badań.

Niezależnie od zwiększonej wydajności systemu, połączenie mechanizacji ruchu skanera z zastosowaniem nowego typu głowic ultradźwiękowych pozwoliło na znaczące podwyższenie jakości badań. Zasadniczej poprawie uległa stabilność sprzężenia akustycznego podczas skanowania. Ograniczono przypadki występowania zaników sprzężenia wymagające powtórnego skanowania. Istotną zaletą zmechanizowanego skanera była możliwość zbadania całego obwodu spoiny w jednym ciągłym skanie TOFD zamiast w kilku skanach cząstkowych. Pozwoliło to na lepszą wizualizację oraz dokładniejszą ocenę wyników badania. Dalsze zalety systemu wynikają z zastosowania zoptymalizowanych głowic ultradźwiękowych z klinem wodnym. W szczególności osiągnięto lepszy stosunek sygnału do szumu oraz wyższą rozdzielczość badania niż w przypadku standardowych głowic kątowych. W efekcie poprawiła się czytelność i rozdzielczość wskazań dyfrakcyjnych na uzyskiwanych zobrazowaniach ultradźwiękowych.

5. Wyniki badań

Wspomniane badania dwóch rurociągów DN 1000 były pierwszymi w Polsce, zakrojonymi na dużą skalę, zastosowaniami techniki TOFD do badania złączy spawanych. Z uwagi na ryzyko jakie niosło ze sobą wdrożenie nowej techniki badań nieniszczących na obu rurociągach prowadzone były równolegle badania radiograficzne.

W przypadku pierwszego rurociągu DN1000 x 14,2 o długości ok. 9 km podstawową metodą badań spoin była radiografia zaś ręczne badania TOFD traktowano jako metodę uzupełniającą, mającą za zadanie ujawnić ewentualne wady płaskie nie wykryte w badaniu radiograficznym. Badanie TOFD wykonano na 213 spoinach stanowiących ok. 20% wszystkich złączy tego rurociągu.

W przypadku drugiego rurociągu DN 1000 x 12,5, o długości ok. 33 km, podstawową metodą badań nieniszczących były zautomatyzowane badania TOFD. Objęto nimi wszystkie spoiny obwodowe z wyłączeniem spoin wstawkowych, na których wykonywano ręczne badania ultradźwiękowe oraz badania radiograficzne. W sumie metodą TOFD przebadano 1957 spoin z czego 356 było dodatkowo zbadanych metodą radiograficzną.

Wyniki tych badań stanowią cenny materiał porównawczy pozwalający na praktyczną weryfikację ultradźwiękowej techniki TOFD w odniesieniu do tradycyjnej techniki radiograficznej (Gammamat M18 ze źródłem ¹⁹²Ir). Należy jednak zaznaczyć, że przeprowadzona poniżej analiza odnosi się do konkretnego obiektu badania tj. spoin o określonej geometrii i technologii wykonania (spawanie półautomatyczne drutem samoosłonowym).

Najbardziej oczywistym kryterium weryfikacyjnym poszczególnych technik badań nieniszczących jest porównanie ich wyników z rzeczywistym stanem badanych spoin określonym np. przez badania metalograficzne. W przypadku badań wykonywanych na rzeczywistym obiekcie przemysłowym nie ma jednak takiej możliwości. Można natomiast, porównywać i analizować rezultaty różnych technik badawczych wykorzystując dodatkowo informacje uzyskane podczas naprawy wadliwych spoin.

W tym ujęciu jednym z podstawowych kryteriów porównawczych może być łączna długość wad wykrytych przez każdą z technik badawczych na tych samych spoinach. Wykres ilustrujący tą zależność dla 356 spoin zbadanych zarówno techniką TOFD jak też techniką radiograficzną pokazano na rys. 5. W zestawieniu uwzględniono jedynie wady ocenione przez każdą z technik jako niedopuszczalne.

Rys. 5. Sumaryczne długości wad wykrytych na 356 spoinach rurociągu DN 1000
przebadanych dwiema technikami: TOFD oraz RT

Widoczne jest, że technika TOFD wykazała, na tych samych spoinach, wady o sumarycznej długości ponad 3 krotnie większej niż technika radiograficzna. Wadliwość liniowa, obliczana jako stosunek długości odcinków wadliwych do długości całkowitej zbadanych spoin wyniosła odpowiednio: dla techniki TOFD 0,6% zaś dla techniki radiograficznej 0,18%.

Nasuwa się pytanie co było przyczyną tak znaczących różnic w długości wad wykazywanych przez obie techniki badawcze; czy była to duża liczba wad nie wykrytych metodą radiograficzną czy też duża liczba fałszywych wskazań techniki TOFD, nie znajdujących uzasadnienia w obecności rzeczywistych wad. Pomimo wnikliwej analizy radiogramów spoin zakwalifikowanych przez TOFD jako wadliwe wielokrotnie stwierdzano brak jakichkolwiek wskazań radiograficznych. Wzbudzało to wątpliwości co do wiarygodności wskazań TOFD, szczególnie ze strony wykonawcy prac spawalniczych. W efekcie, na kilku spoinach, wykonano szczegółowe badania weryfikacyjne, polegające na szlifowaniu spoiny w miejscach wskazanych przez TOFD i badaniu odkrywanej powierzchni metodą wizualną oraz magnetyczno-proszkową. We wszystkich przypadkach potwierdzono występowanie wad, które zazwyczaj ujawniały się jako ostre wskazania liniowe charakterystyczne dla wad płaskich. Przykładowy ultrasonogram TOFD ze wskazaniem wady niewidocznej na radiogramie pokazano na rys. 6. Wada ta została potwierdzona podczas otwierania spoiny i zinterpretowana jako pękniecie podłużne.

Rys. 6. Ultrasonogram TOFD spoiny rurociągu DN 1000 ze wskazaniem wady nie ujawnionej w badaniu radiograficznym

Uzyskane wyniki dają podstawę do stwierdzenia, że główną przyczyną rozbieżności między wynikami badań TOFD i RT była słaba wykrywalność wad płaskich (głównie przyklejeń) w badaniach radiograficznych. Wniosek ten jest zgodny z ogólnie przyjętym poglądem na temat różnic w wykrywalności wad płaskich przez obie metody, jednak skala tego problemu wydaje się być większa niż można było oczekiwać. Jedną z przyczyn jest tutaj zapewne stosowana technologia spawania podatna na występowanie wad typu przyklejeń.

W tabeli 2 podano zestawienie pokazujące zakres zgodności co do ostatecznej oceny spoin dokonanej na podstawie badań TOFD i RT.

W powyższym porównaniu zgodność ocen między obiema technikami wynosi 75%. Jeśli chodzi o oceny rozbieżne to dla 56 spoin (15,7 %) spowodowane to było odrzuceniem przez TOFD spoin akceptowanych radiograficznie zaś dla 33 spoin (9,2 %) odrzuceniem przez radiografię spoin akceptowanych przez TOFD.

Przyczyny pierwszego typu rozbieżności były dyskutowane wcześniej, obecnie zostaną przeanalizowane przyczyny, dla których część spoin akceptowanych przez TOFD została odrzucona w badaniu RT. W tabeli 3 zestawiono wszystkie wady, które w badaniach radiograficznych były podstawą odrzucenia spoin akceptowanych przez TOFD.

Zdecydowanie najczęstszą przyczyną powodującą odrzucenie takich spoin (23 przypadki) były pęcherze, w tym szczególnie pęcherze podłużne ulokowane w wycieku z grani. Z uwagi na swoje położenie nie są one wykrywalne techniką TOFD. Pęcherze pojedyncze i kanalikowe były, w większości, wykryte w badaniu TOFD lecz z uwagi na kryterium dopuszczalnej długości wady zostały zaakceptowane.

Drugą, co do liczebności, grupą wad powodującą odrzucenie spoin w badaniu radiograficznym (8 przypadków) były wklęśnięcia grani. W badaniu RT były one odrzucane ze względu na stopień zaczernienia radiogramu, zaś w badaniu TOFD były one wykrywane lecz akceptowane z uwagi na nie przekroczenie dopuszczalnej wysokości. W 4 przypadkach powodem odrzucenia spoin w badaniu RT były podtopienia, które z uwagi na strefę martwą powierzchni skanowania są niewykrywalne w badaniu TOFD. Wady tego typu, powinny być jednak wykryte i ocenione w poprzedzającym badaniu wizualnym.

Biorąc pod uwagę całokształt przedstawionych danych można zauważyć komplementarność obu technik badań nieniszczących. Znalazła potwierdzenie opinia, że wady płaskie są lepiej wykrywalne techniką ultradźwiękową, zaś wady objętościowe techniką radiograficzną. Zarówno łączna długość wykrywanych wad, jak też ich znaczenie dla bezpieczeństwa konstrukcji wskazują jednak na wyższość techniki TOFD. Wniosek ten jest szczególnie umotywowany w odniesieniu do złączy wykonywanych techniką spawania podatną na występowanie wad typu przyklejeń. Z drugiej strony metoda radiograficzna pozwala na lepsze rozróżnianie poszczególnych rodzajów wad i dzięki temu umożliwia dokładniejszą weryfikację pracy spawaczy przez personel nadzorujący. Dobrym rozwiązaniem technicznym jest więc np. zastosowanie techniki TOFD jako podstawowej metody kontroli spoin zaś techniki RT jako metody uzupełniającej stosowanej wyrywkowo, na losowo wybranych spoinach.

6. Podsumowanie

W referacie przedstawiono wyniki prac związanych z wdrożeniem ultradźwiękowej techniki TOFD do badań spoin na rurociągach dalekosiężnych budowanych w Polsce. Poruszono specjalistyczne zagadnienia związane z projektowaniem głowic ultradźwiękowych do badań TOFD oraz różnymi wariantami ich stosowania.

Opisano, zbudowany w firmie NDTEST, zautomatyzowany system ultradźwiękowy do kontroli spoin rurociągów, stanowiący rozwinięcie i udoskonalenie standardowej techniki TOFD. Przedstawiono praktyczne doświadczenia z użytkowania systemu na budowie 33 km odcinka rurociągu DN 1000, a także szczegółowe porównanie wyników badań TOFD z wynikami badań radiograficznych dużej liczby spoin.

Przeprowadzone badania w pełni potwierdziły przydatność techniki TOFD do nieniszczącej kontroli spoin rurociągów. W przypadku stosowania technologii spawania podatnych na występowanie przyklejeń (np. 114, 135 ) technika ta wykazuje zdecydowaną wyższość na badaniami radiograficznymi. Zakończone sukcesem zastosowania techniki TOFD w branży rurociągowej pozwalają mieć nadzieję na kolejne wdrożenia tej nowoczesnej techniki badań także w innych sektorach polskiego przemysłu.

Literatura

1. Wstęp

Kontrola eksploatacyjna rurociągów wykonywana jest klasycznymi technikami NDT metodą odkrywkową lub inteligentnymi tłokami przepuszczanymi wewnątrz rurociągu. W tym drugim przypadku niezbędna jest gwarancja użytkownika rurociągu, że rury wszelkich odgałęzień i króćców pomiarowych nie wystają, w niedopuszczalny sposób, do wnętrza głównej nitki rurociągu oraz że są przystosowane do bezpiecznego przejścia urządzeń pomiarowych i technologicznych (czyszczaków, rozdzielaków itp.). Wystające nadmiernie elementy mogą bowiem uszkodzić kosztowne urządzenie inspekcyjne i spowodować duże straty a nawet zakłócić dalszą eksploatację rurociągu. Niezabezpieczone duże odgałęzienia mogą spowodować rozbicie przyrządów inspekcyjnych a nawet utknięcie przepuszczanych przez rurociąg tłoków.

W referacie przedstawiono techniki badania i rezultaty kontroli wystawania króćców do wnętrza rurociągu gazowego. Wspomniano również o uprzednich doświadczeniach w zakresie sprawdzania konstrukcji i wymiarowania spawanych odgałęzień i króćców rurociągowych. Badania wykonano techniką radiografii tangensowej (po stycznej) oraz ultradźwiękowych pomiarów długości wystających elementów falami płytowymi. Badania te poprzedzone były każdorazowo kontrolą wizualną geometrii połączeń wraz z pomiarami grubościomierzem ultradźwiękowym.

Złożona geometria połączeń odgałęzień i króćców rurociągowych, spotęgowana błędami montażu sprawia, że wiarygodną ocenę można dokonać wyłącznie na podstawie wspólnej analizy wyników badań wizualnych, radiograficznych i ultradźwiękowych. Niepewność pomiaru głębokości wystawania rur odgałęzień do wnętrza głównej nitki oszacowano na 3 mm. W przypadku badania odgałęzień rur bez nakładek wzmacniających główną rurę, niepewność pomiaru byłaby kilkakrotnie niższa, czyli rozrzut pomiarów byłby dużo mniejszy.

2. Przedmiot i cel badań

Przedmiotem badania były węzły w postaci króćców i odgałęzień bocznych na czynnych gazociągach przesyłowych.

Celem badań było określenie w sposób bezinwazyjny geometrii węzłów (z wykorzystaniem technik badania radiograficznego i ultradźwiękowego) umożliwiającej ocenę wymiarów części króćca wystającej poza krawędź powierzchni wewnętrznej rury przewodowej.

3. Podstawowe zależności geometryczne

Geometria połączeń odgałęzień rur wynika z przenikania się dwu walców, z tym, że nieuniknione błędy montażowe sprawiają, że osie obu łączonych rur najczęściej się nie przecinają.

Koniec rury odgałęzienia o większej średnicy jest zwykle przycinany na promień wewnętrzny głównej nitki, gdyż w przeciwnym przypadku za bardzo wystaje do środka rury (Rys.1).

Rys. 1. Wystawanie rur odgałęzień o nieobrobionych końcówkach do środka głównej rury

Jednak nawet prawidłowo przycięte końcówki rur, w końcowej fazie montażu i pasowania bywają czasem przesunięte w głąb rurociągu, pochylone lub obrócone; odgałęzienia są czasem doginane. Jednym słowem po zaspawaniu trudno dokładnie określić kształt połączenia, a co za tym idzie położenie krawędzi króćca względem wewnętrznej powierzchni rurociągu. Kształt krawędzi przenikania robi się bardzo skomplikowany. Geometrię połączenia i badanie komplikują dodatkowo nakładki, wzmacniające otwór pod króciec w głównej rurze, o różnych średnicach i grubościach. Nakładki te często nie przylegają do rury, zdarza się, że szczelina dochodzi do kilku milimetrów. Powoduje to istnienie jak gdyby dwu oddzielnych spoin, jedna nad drugą: połączenie nakładki z króćcem a pod spodem rury z króćcem. Fenomen ten dobrze widać na załączonych ilustracjach radiogramów.

Fakt ten utrudniał badanie ultradźwiękowe falami płytowymi, z względu na powstawanie wskazań w miejscach występowania obu spoin, znajdujących się przed mierzonym czołem (końcem) ścianki króćca.

4. Badania modelowe

Ze względu na niekonwencjonalne techniki badań zarówno radiograficznych jak ultradźwiękowych, koniecznym było przeprowadzenie badań modelowych na makiecie jednego z badanych węzłów. Było to tym bardziej konieczne, że węzły te były specjalnie do badań odkopywane i chodziło o możliwie precyzyjne ustalenie nie tylko parametrów badania, ale i niezbędnego dostępu, to znaczy wielkości i głębokości odkrywek.

Badania próbne dały zachęcające wyniki, jednak zwróciły uwagę na krytyczny wpływ warunków geometrycznych badania, zarówno radiograficznych jak i ultradźwiękowych.

O żadnym przybliżonym ustawianiu źródła promieniowania i głowicy ultradźwiękowej nie mogło być mowy; zostało wykonane specjalne oprzyrządowanie zapewniające dokładną regulację odległości i kątów badania (przy radiografii 5 mm i 1-2°).

Odkrywki musiały być dość obszerne, gdyż najbardziej skomplikowane węzły musiały być prześwietlane z dwu stron, pod ściśle dobranymi kątami wiązki promieniowania i precyzyjnie ustawionej błonie.

Przed wykonaniem badań ultradźwiękowych na obiekcie, przeprowadzono specjalistyczne szkolenie operatorów wykorzystując makietę.

5. Badania w terenie

5.1. Wyposażenie do badań

Źródła promieniowania

W badaniach wykorzystane były źródła promieniowania gamma Ir 192 o wymiarach 2x3 mm w aparatach gammagraficznych typu Sentinel S660.

Błony i okładki wzmacniające

Błony radiograficzne stosowane do badań odpowiadają klasie jakości C5 wg klasyfikacji EN 584-1. Do badań zastosowano błony Agfa Structurix D7 o wymiarach 30x40 cm. Grubości ołowianych okładek wzmacniających zawierała się w granicach: okładka przednia: 0,02 - 0,2 mm, okładka tylna: 0,02 - 0,2 mm.

Defektoskopy ultradźwiękowe

Do badań zastosowano standardowe defektoskopy ultradźwiękowe spełniające wymagania normy EN 12668-1, typu Epoch III posiadające możliwość zapamiętywania wyników badania. Defektoskopy te posiadają aktualny atest wydany przez producenta.

Głowice ultradźwiękowe

Do pomiarów grubości używana była głowica normalna o częstotliwości f=10 MHz firmy Panametrics V202-RM z linią opóźniającą, którą w razie potrzeby można zdemontować.

Do pomiarów głębokości zamocowania króćców stosowane były miniaturowe głowice fal poprzecznych, odpowiednio profilowane w zależności od średnicy zewnętrznej króćca. W wyniku badań wstępnych postanowiono wybrać głowice firmy Krautkraemer MWB70-N4, o kącie załamania 70° i częstotliwości f= 4MHz. Głowice stosowane do badań powinny posiadać atest producenta potwierdzający ich parametry i wynik kontroli technicznej.

Ponadto, przed każdym badaniem, głowice podlegają kontroli bieżącej polegającej na sprawdzeniu kąta głowicy, środka głowicy, a system pomiarowy sprawdzeniu na liniowość oraz zapas wzmocnienia, zgodnie z zaleceniami normy EN 12668-3.

5.2. Wykonanie badań

Wykonanie badań króćców i odgałęzień rurociągu przesyłowego przebiegało w trzech etapach:

• badania wstępne, polegające na wykonaniu ultradźwiękowych pomiarów grubości ścianek elementów wchodzących w skład węzła,
• badania radiograficzne, polegające na prześwietleniu węzła i udokumentowaniu na błonie jego konfiguracji,
• badania ultradźwiękowe, polegające na pomiarze głębokości zamocowania króćca (odgałęzienia) w rurze przewodowej w wybranych przekrojach.

Badanie ultradźwiękowe były wykonane zgodnie z zaleceniami ogólnej normy europejskiej EN 583-1 oraz EN 583-2.

Przy wykonywaniu badań radiograficznych posłużono się ogólną normą europejską EN 444.

Zdecydowano się na kontrolę węzła dwoma, niezależnymi od siebie metodami, z powodu wagi problemu technicznego, który ma zostać rozwiązany. Końcowym, interesującym Zleceniodawcę wynikiem, było określenie maksymalnego wymiaru wystawania króćca ponad wewnętrzną średnicę rury przewodowej (wymiar X - por. rys.1 i 4). Potwierdzenie tego wyniku dwiema metodami: radiograficzną i ultradźwiękową, podwyższa wiarygodność badań i zmniejsza prawdopodobieństwo błędnych ocen wymiaru X.

Rys. 2. Przekrój i widok z góry węzła na rurociągu (z nakładką)

5.2.1. Badania wstępne

Badania te polegały na określeniu grubości ścianek elementów wchodzących w skład węzła w 8 przekrojach pokazanych na rys. 2. Pomiar grubości został wykonany przy wykorzystaniu cyfrowego aparatu ultradźwiękowego Epoch III i głowicy normalnej V202 z linią opóźniającą. Wynik pomiaru, dla każdego z elementów węzła, podany został jako wartość uśredniona z kilku pomiarów wykonanych w danym przekroju.

Wyniki pomiarów grubości króćca g_k, rury przewodowej g₁ i nakładki g₂ dla wszystkich 8 przekrojów węzła są zapamiętane w pamięci aparatu Epoch III i zamieszczone zostały w protokole badań. Dla ilustracji przebiegu tych pomiarów dołączone zostały przykładowe kopie "zamrożonych" i zapamiętanych obrazów cyfrowych ekranu defektoskopu przedstawiających pomiary grubości omawianych elementów dla jednego z przekrojów.

Wyniki badań wstępnych niezbędne są do przeprowadzenia kolejnych etapów badania węzła.

5.2.2. Badania radiograficzne

Wykorzystując pomierzone grubości elementów węzła dobierano parametry ekspozycji radiograficznej węzła, schemat ideowy której pokazano na rys. 3.

Rys. 3a. Prześwietlenie z osią wiązki prostopadłą do osi króćca

Rys. 3b. Prześwietlenie z osią wiązki styczną w punkcie przecięcia osi króćca z zarysem średnicy wewnętrznej rury

Do udokumentowania geometrii węzła zastosowano niezbyt rozpowszechnioną w Polsce, lecz dobrze znaną i stosowaną w świecie (np. przy badaniach korozji pod izolacją) metodą radiografii tangensowej. Dobór parametrów ekspozycji polega na optymalnym dobraniu geometrii układu film – obiekt badany – źródło promieniowania tak aby zminimalizować nieostrość geometryczną na filmie i czas ekspozycji oraz uzyskać pożądaną rozróżnialność elementów węzła. Ze względu na dosyć złożoną geometrię badanego obiektu parametry i czas ekspozycji dobiera się doświadczalnie przez wykonanie próbnych prześwietleń.

Obróbka fotochemiczna naświetlonych błon wykonywana będzie bezpośrednio na miejscu w ruchomym Laboratorium firmy NDTEST, przy użyciu automatycznej wywoływarki typu Agfa Structurix NDT-M.

Badania każdego węzła zostało udokumentowane radiogramami wykonanymi z dwóch ekspozycji: pierwszej - gdzie oś symetrii wiązki jest prostopadła do osi króćca i filmu (por. rys.3a) oraz drugiej - gdzie oś wiązki jest nachylona pod pewnym kątem do osi króćca wchodzącego skośnie do gazociągu i jest jednocześnie styczna do rury przewodowej w punkcie przecięcia osi króćca z zarysem średnicy wewnętrznej gazociągu (por. rys. 3b). W niektórych przypadkach drugi radiogram może dotyczyć tej samej pozycji lecz przy dłuższym czasie naświetlania, co ma na celu wyeksponowanie określonych fragmentów węzła (np. zarysu ścianki wewnętrznej rury). Obydwa filmy służą od oceny geometrii węzła, obliczenia interesującego Zleceniodawcę maksymalnego wymiaru X – wystawania króćca ponad wewnętrzną średnicę rury oraz wytypowania przekrojów węzła do pomiarów głębokości króćca przewidzianych w trzecim etapie.

Radiogramy posłużyły również do oceny niedopasowania pomiędzy rurą przewodową i nakładką i pozwolą ocenić wymiar – D_g, który należy uwzględnić przy pomiarach ultradźwiękowych wykonywanych w trzecim etapie.

5.2.3. Badania ultradźwiękowe głębokości króćca

Po przeanalizowaniu geometrii węzła na radiogramach i dysponując wynikami wstępnych badań ultradźwiękowych można przystąpić do trzeciego etapu badania – ultradźwiękowych pomiarów głębokości króćca przy pomocy fal poprzecznych wprowadzanych pod kątem do rury króćca. Schemat ilustrujący sposób wykonania pomiaru pokazano na rys. 4.

Do wykonania badań zastosowano aparat ultradźwiękowy Epoch III z głowicą fal poprzecznych MWB70-N4, o kącie załamania 70° i częstotliwości f=4MHz. Układ ten powinien zostać wyskalowany w rzucie poziomym drogi fali ultradźwiękowej. Umożliwia to odczytanie położenia echa od końca króćca przy właściwym zlokalizowaniu go na ekranie defektoskopu. Z monitora aparatu odczytywany jest wymiar a, który wyświetlany jest również w postaci cyfrowej na monitorze defektoskopu przy odpowiednim ustawieniu bramki. "Obraz" tego pomiaru zostaje zapamiętany w pamięci aparatu i dołączony jako dokumentacja do protokołu badań. Jednocześnie operator odczytuje pomierzoną w sposób mechaniczny odległość b. Dysponując pomierzonymi wcześniej grubościami rury g₁ i nakładki g₂ oraz wyznaczoną z radiogramu przerwą między nakładką i rurą przewodową (wynikającą z niedopasowania krzywizny nakładki do rury przewodowej) – D_g można obliczyć interesująca wielkość x w każdym wybranym przekroju króćca:

Rys. 4. Schemat ultradźwiękowego pomiaru głębokości króćca przy pomocy głowicy fal poprzecznych

Badania głębokości króćca były wykonane w przekrojach 1, 2, 3, 4 pokazanych na rys. 2. Pozostałe przekroje pomiarowe 5 – 8 zostały wybrane po przeanalizowaniu radiogramów w miejscach, które oceniono jako najbardziej "wystające" ponad zarys średnicy wewnętrznej rury. Wszystkie wyniki pomiarów zostały przedstawione w protokole badania. Dodatkowo każdy pomiar w przekrojach 1 – 4 badanego węzła został udokumentowany wskazaniami z ekranu defektoskopu ultradźwiękowego zapamiętanymi w czasie pomiaru (ograniczenie to wynika z możliwości zapamiętywania obrazów ekranu w pamięci defektoskopu).

5.3. Zapisy i dokumentowanie wyników badań

Wyniki badania, dla każdego węzła oddzielnie, zostały przedstawione w postaci protokołów, oddzielnych dla badania ultradźwiękowego i radiograficznego oraz udokumentowane w postaci radiogramów i zapisów z ekranu defektoskopu ultradźwiękowego zapamiętanych w czasie pomiaru w wybranych przekrojach węzła (Rys. 7).

Na rys. 5 podano przykład radiogramu odgałęzienia z nakładką na którym widać, że króciec wystaje w znaczący sposób do środka rury. Na radiogramach przedstawionych na rys. 6 można zmierzyć wielkość szczeliny między nakładką i rurą oraz grubość nakładki i ścianki rury.

6. Wnioski

Zastosowanie, w sposób komplementarny, specjalnych technik radiografii i ultradźwiękowych pozwoliło w sposób wystarczająco szczegółowy i wiarygodny dokonać oceny kształtu i zwymiarować połączenia króćców i odgałęzień rur z głównym rurociągiem gazowym. Ma to kapitalne znaczenie dla dobrego przygotowania rurociągu do badań eksploatacyjnych tłokami inteligentnymi. Nadmierne wystawanie króćców i odgałęzień do środka rury uniemożliwia bowiem przepuszczanie tłoków, ze względu na niedopuszczalne ryzyko ich uszkodzenia, a nawet uszkodzenia samego rurociągu.

Badania takie są również przydatne przy normalnej eksploatacji rurociągów, gdyż tłoki czyszczące rurociąg od wewnątrz lub rozdzielające, w przypadku naftociągów, różne rodzaje produktu, mogą zostać zniszczone lub utknąć na wystających przeszkodach lub w niezabezpieczonych dużych odgałęzieniach. Przypadki takie wielokrotnie miały miejsce i pomoc badań nieniszczących w rozwiązywaniu tych problemów eksploatacyjnych jest niezbędna.

Nasuwa się również przypuszczenie, że podobne do opisanych operacje kontrolne przeprowadzane w czasie montażu rurociągów pozwoliły by uniknąć wielu problemów w czasie ich eksploatacji, gdy wszelkie poprawki są kosztowne, ryzykowne i zakłócają pracę odbiorców medium.

Rys. 5. Obraz radiograficzny odgałęzienia z nakładką wystającego do środka rury; typowy radiogram (po lewej), obraz po obróbce cyfrowej (po prawej)

Rys. 6. Radiogramy wykonane w układach: pozwalających zmierzyć grubość nakładki i rury oraz szerokość szczeliny między nimi (po lewej), umożliwiających przybliżoną ocenę stanu spoiny odgałęzienia z rurociągiem, widocznej w kształcie zbliżonym do elipsy (po prawej)

Rys. 7. Obrazy ekranu aparatu ultradźwiękowego przy pomiarze wielkości X w dwóch przekrojach

1. Wstęp

Podstawowe problemy badań radiograficznych wynikają z:

1. szkodliwości promieniowania jonizującego,
2. dość pracochłonnego i kosztownego oraz trudnego do zautomatyzowania,
3. systemu obrazowania wyników badań na błonie,
4. konieczności dostępu do obu stron badanego obiektu.

Problematyką wspólną dla wszystkich metod nieniszczących jest sprawa czułości i wiarygodności badań, prawdopodobieństwo wykrycia wad i niepewność związana z ich pomiarami.

Mając na względzie współczesne problemy radiografii, omówiono kolejno: zabezpieczenia, źródła i detektory, radiograficzne symulacje i analizę niepewności pomiarów radiograficznych.

2. Zabezpieczenia

Mimo, że radiografia jest jedną z najstarszych metod badań nieniszczących i cieszy się wysokim, jak na atomistykę, poziomem akceptacji społecznej dzięki, przede wszystkim, powszechnemu stosowaniu w diagnostyce medycznej, to problemy związane z ochroną przed promieniowaniem coraz częściej ograniczają jej stosowanie w przemyśle.

Obecność promieniowania szkodliwego powoduje:

1. powiększenie kosztów samych badań (konieczność wytyczania i nadzoru nad strefami ograniczonego przebywania personelu, budowa osłon, konieczność stosowania specyficznych procedur administracyjnych związanych z użytkowaniem źródeł promieniowania, itp.),
2. straty wynikłe z zakłócania a nawet z konieczności zarządzania przerw w pracy ekip wytwarzania, eksploatacji i remontów badanych obiektów. Często badania radiograficzne wykonywane mogą być tylko nocą.

Wiadomo z różnych innych dziedzin, że ograniczanie zagrożeń i zakłóceń środowiska najbardziej skuteczne jest u źródła tych zagrożeń (np. zanieczyszczeń, hałasu). Odnosi się to również do promieniowania.

Opracowanie elastycznych, silnie osłabiających materiałów osłonowych z tworzyw sztucznych z wypełniaczem w postaci ziaren a właściwie pyłu wolframowego, znacznie upraszcza formowanie osłon tuż przy źródle promieniowania - pojemniku roboczym (lampie rentgenowskiej). To co dawniej robiono przy pomocy blach ołowianych jest obecni dużo łatwiejsze, gdyż przycinanie i wyginanie "plastrów" z nowego materiału osłonowego o grubości kilku lub kilkunastu milimetrów jest dużo łatwiejsze i dużo łatwiej jest ukształtować osłony bez niepożądanych szczelin. Nawet przewód wysuwu źródła promieniowania można otulić warstwą materiału osłonowego, elastycznego i łatwo mocowanego do węża taśmą samoprzylepną.

Współczynnik osłabienia materiału zbudowanego z niesłychanie drobnej dyspersji ciężkiego absorbenta w lekkiej matrycy jest lepszy niż by to wynikało jedynie z gęstości powierzchniowej osłony. Mimo pewnych informacji uzyskanych w czasie kontaktów ze specjalistami z Ukrainy i Wielkiej Brytanii, oraz publikacji [1,2], autorowi nie udało się dotrzeć do wiarygodnego opisu mechanizmu oddziaływania fotonów X i gamma z tego typu materiałem, do danych dotyczących grubości czynnej i współczynnika wzmocnienia (build-up) oraz liniowego współczynnika osłabienia (m) w funkcji energii promieniowania. Brak danych porównawczych dot. ciężaru osłon wykonanych z opatentowanego w Wielkiej Brytanii kompozytu "Gammablock" w stosunku do tradycyjnych materiałów (Pb, U, W).

Elastyczne, wysokowydajne osłony, w połączeniu ze źródłami o niższej energii niż ¹⁹²Ir, pozwalają zmniejszyć promień strefy ograniczonego przebywania (7,5 mSv/h) do 2-3 metrów i uzyskać tym sposobem znaczące oszczędności podczas konstrukcji i remontów zagęszczonych instalacji przemysłowych, takich jak energetyczne, petrochemiczne czy platformy off-shore. Według autorów tych prac, radiografia wykonywana może być praktycznie bez zakłóceń dla sąsiadujących prac montażowych i remontowych, zwłaszcza, gdy pracuje się wiązką skolimowaną bez wysuwu źródła z pojemnika roboczego. Według danych firmy SafeRad Ltd z Wielkiej Brytanii, warstwa półchłonna tego materiału wynosi dla źródeł ¹⁷⁵Se 6 mm (dla Pb 2,2 mm). Dostarczane są arkusze standardowe o wymiarach 350 x 750 mm i grubości 8 i 16 mm.

Skuteczne osłony źródła promieniowania są wykonywane również ze starannie dopasowanych kształtek ołowianych [3], ale ciężar takich osłon wydaje się być większy od wykonanych z materiałów elastycznych. W obu przypadkach jednak oferowane są obecnie "bezpieczne" badania radiograficzne, z gwarancją, że promień strefy kontrolowanej nie przekroczy kilka metrów. Postęp w zabezpieczeniach przed promieniowaniem pozwala uporać się z zasadniczym problemem badań radiograficznych, to jest z zagrożeniem otoczenia promieniowaniem.

Rys. 1. System osłon przy badaniu radiograficznym rur (“LORA” – RTD Holandia)

3. Źródła promieniowania


⁷⁵Se, po kilkuletniej promocji, nie pozbawionej dramatycznej dyskusji na temat temperatury topienia i wrzenia selenu, źródło to wydaje się być następcą powszechnie stosowanego ¹⁹²Ir, w każdym razie w zakresie grubości 5-20 mm, ze względu na:

1. niższą od irydu energię promieniowania a więc lepszą przydatność do badań stali w zakresie 5-20 mm, obejmującym znakomitą większość wyrobów spawanych (rurociągi, zbiorniki, statki, konstrukcje metalowe itd.),
2. znacznie dłuższy od irydu okres półrozpadu (120 dni, praktycznie jedna wymiana źródła w roku).

Rys. 2. Zakresy zastosowania ⁷⁵Se do badań centrycznych rur w miejscu techniki RX – przez dwie ścianki

Współczesne problemy związane ze stosowaniem źródeł ⁷⁵Se polegają na ograniczonej jeszcze ofercie tych źródeł i stosunkowo wysokiej ich cenie oraz na opóźnieniach we wprowadzeniu selenu do niektórych ważnych przepisów i specyfikacji technicznych.

Rozpowszechnienie selenu stało się możliwe po udostępnieniu instalacji jądrowych w byłym Związku Radzieckim (wirówki do wzbogacania selenu, wysoko strumieniowe reaktory ) firmom niemieckim i innym, co zaowocowało ofertą źródeł o silnym wzbogaceniu i aktywności właściwej rzędu dziesiątków terabekereli na gram (3,7 TBq z kształtki 3x3 mm).

Zwiększająca się ostatnio ilość dostawców źródeł selenowych może spowodować obniżenie ich ceny, bardzo oczekiwane przez radiologów [4].

W kraju źródła selenu zaczynają być stosowane w energetyce i do zmechanizowanej kontroli rurociągów samojezdnymi czołgaczami. W zakresie grubości ok. 10 mm jakość radiogramów jest wyraźnie lepsza od irydowych. Wprowadzanie ⁷⁵Se do przemysłu bardzo ułatwiło umieszczenie go w normie europejskiej PN-EN 1435.

Polski dystrybutor źródeł selenowych i odpowiedniej aparatury jest bardzo pomocny w transferze tej nowej techniki badania na rynek krajowy. Nie można, jak na razie, oczekiwać krajowej produkcie tych źródeł gdyż liczący się niegdyś w Europie potencjał ośrodka jądrowego w Świerku (mowa o źródłach ¹⁶⁹Yb, ¹⁵³Gd i ¹⁹²Ir) wyraźnie osłabł.

Gadolin 153, niegdyś intensywnie promowany przez instytut w Świerku, zaczyna się pojawiać w przenośnych, lekkich systemach do badań radiograficznych w czasie rzeczywistym, np. korozji izolowanych rurociągów techniką tangensową . Ze względu na niską energię ¹⁵³Gd i starannie wykonane osłony, urządzenie jest operowane ręcznie; strefa zagrożenia jest znikoma.

Warto tu przypomnieć, że już 25 lat temu autor demonstrował badane rur źródłem ¹⁶⁹Yb przy zachowaniu promienia strefy kontrolowanej ok. 3 m.

Miniaturowe aparaty rentgenowski o niskiej energii rzędu 50-70 KeV stosowane są zamiennie ze źródłami ¹⁶⁹Yb, ⁷⁵Se, np. w radioskopach operowanych ręcznie nie stwarzających zagrożenia dla otoczenia.

Rys. 3. Przenośny radioskop z miniaturową lampą rentgenowską (RTD – Holandia)

Impulsowe aparaty rentgenowskie są coraz lżejsze, zasilane z akumulatorów, generatorów spalinowych lub z sieci, emitują promieniowanie o dużym natężeniu w formie krótkich "błysków" promieniowania X. Są wykorzystywane m.in. w czołgaczach radiograficznych do kontroli rurociągów od środka. Odporne są na wysokie temperatury panujące w rurociągach budowanych na terenach pustynnych i w tropiku.

Zminiaturyzowane przyspieszacze liniowe do radiografii wysokoenergetycznej, powyżej 1 MeV, ze względu na wysoką wydajność promieniowania umożliwiają wykonywanie badań diagnostycznych nawet w środowisku o wysokim tle promieniowania gamma (siłownie jądrowe) gdyż zapewniają wystarczająco wysoki stosunek sygnału do szumów.

Źródła do badań w czasie rzeczywistym były niegdyś wyłącznie rentgenowskie ze względu na ograniczone możliwości przetworników obrazu. Obecnie, w wyniku rozwoju niskoenergetycznych źródeł izotopowych oraz udoskonalenia przetworników i obróbki cyfrowej obrazu, coraz częściej budowane są systemy gamma radiografii cyfrowej (¹⁵³Gd, ¹⁶⁹Yb, ⁷⁵Se, ¹⁹²Ir) oraz z wykorzystaniem wysokoenergetycznych generatorów promieniowania X.

Promieniowanie rozproszone, komptonowskie i koherentne, mimo wielu zalet takich jak możliwość budowy systemów radiografii komptonowskiej - jednostronnej (źródło i detektor po tej samej stronie badanego obiektu) oraz rozróżniania materiałów o podobnym współczynniku osłabiania promieniowania (m), stosowane jest stosunkowo rzadko i rozwój w tej dziedzinie ograniczony jest do specjalnych zastosowań jak np. badanie lekkich stopów i tworzyw sztucznych, wykrywanie narkotyków i materiałów wybuchowych, rozproszeniowy pomiar grubości ścianki, pomiar naprężeń promieniowaniem X (na powierzchni) i neutronowym (na przekroju próbki).

Promieniowanie kosmiczne po studyjnych zastosowaniach do radiografii piramid i budowli podziemnych (metro tokijskie) nie stanowi obecnie przedmiotu systematycznych badań radiograficznych.

Promieniowanie anihilacji pozwala uzyskiwać obiecujące rezultaty w badaniach pełzania materiałów ale wydaje się być marginalną dziedziną we współczesnej problematyce badań radiacyjnych.

Promieniowanie pozytronowe pozwalające uzyskiwać wysoki kontrast i czułość badań radiograficznych w określonych warstwach badanego materiału nie pojawia się we współczesnych publikacjach w dziedzinie radiografii. Zresztą źródła promieniowania pozytronowego dostępne są tylko w specjalistycznych ośrodkach.

Źródła do mikro radiografii w postaci mało ogniskowych aparatów rentgenowskich, mimo szybkiego rozwoju zastosowań mikro radiografii, są nadal drogie i stosowane coraz częściej w systemach radiografii cyfrowej w czasie rzeczywistym (np. do kontroli łopatek turbin energetycznych i lotniczych oraz w przemyśle elektronicznym, zbrojeniowym i kosmicznym).

Źródła neutronowe w postaci elektronicznych generatorów neutronów wyposażonych w układy spowalniania i kolimacji wiązki neutronów termicznych stały się stosunkowo łatwo dostępne i sprawiły, że neutronografia na skalę przemysłową nie ogranicza się obecnie do wykorzystywania stanowisk instalowanych przy reaktorach jądrowych, ale stosuje się przewoźne urządzenia neutronograficzne wykorzystywane w przemyśle rakietowym (badanie paliwa stałego), diagnostyce korozji samolotów, zawartości i degradacji pojemników z odpadami radioaktywnymi (tomografia neutronowa) i inne. Izotopowe źródła neutronów, z których jedynie ²⁵²Cf posiada wydajność wystarczająco wysoką do prowadzenia badań radiograficznych, stosowane są tylko sporadycznie, ze względu na bardzo wysoką cenę.

Gazowe źródła promieniowania gamma (np. ⁸⁵Kr, CH₃Br⁸²) są nadal wykorzystywane w badaniach radio-penetracyjnych i szczelności. Ze względu jednak na niski poziom społecznej akceptacji zastosowań źródeł otwartych, problematyka ta dotyczy jedynie zastosowań specjalnych. Trzeba jednak podkreślić, że przy lokalizacji złożonych nieszczelności oraz super czułych badaniach penetracyjnych, źródła te pozwalają uzyskać wyniki trudne do osiągnięcia innymi metodami badań nieniszczących.

Źródła ^xB (klatratowe) oparte również na gazowym ⁸⁵Kr mimo obiecujących wyników badań metodycznych i pierwszych zastosowań nie wydają się być przedmiotem współczesnych badań czy też zainteresowania przemysłu.

Źródła powierzchniowe stosowane do cyfrowej "radiografii odwrotnej" (duże źródło - mały detektor odcinający promieniowanie rozproszone) mimo obiecujących rezultatów w postaci prawie całkowitego wyeliminowania promieniowania komptonowskiego, dalej pozostają na marginesie problematyki radiograficznej.

Źródła autoradiograficzne-metryczne. Są nimi same przedmioty badane, aktywowane w reaktorach i przy pomocy przyspieszaczy (synchrotrony) lub posiadające domieszki (implanty) promieniotwórcze, naturalne (rudy, minerały) lub sztuczne. Mogą to być np. próbki do badania segregacji i dyfuzji, aktywowane w reaktorze stare obrazy (do badania falsyfikatów) i inne. Poza rozwojem techniki aktywacji cienkich warstw do badań trybologicznych oraz monitorowania korozji i zużycia części maszyn i instalacji przemysłowych, problematyki tej nie można zaliczyć do głównego nurtu badań radiograficznych.

Pewnego rodzaju źródłami autoradiograficznymi są folie dysprozu, indu, złota czy gadolinu stosowane jako przetworniki n›y w neutronografii. Problemem jest dostępność tych materiałów ale brak doniesień o wydajnych i łatwo dostępnych materiałach przetwornikowych.

Źródła izotopowe niskoenergetyczne - tak nazwano tutaj źródła izotopowe o energii poniżej 100 keV - t.j.: ¹⁷⁰Tm (tul-170), ¹²⁵I, ²⁴¹Am (ameryk-241). Tul stosowany jest od dawna, jednak niska aktywność właściwa i wydajność tych źródeł nie rokuje gwałtownego rozwoju zastosowań tulu. Ameryk wytwarzany z produktów rozszczepienia jest bardzo dobrym źródłem radiograficznym dla grubości stali rzędu 0,2 - 2mm ale też "cierpi" na niską aktywność właściwą. Jod, o bardzo małych wymiarach, był stosowany do badania cienkich wyrobów metalowych i z tworzyw, o utrudnionym dostępie do badania, przy czym część aktywna źródła znajdowała się na końcu drucika wsuwanego w miejsca trudnodostępne. Brak jednak doniesień o szerszych zastosowaniach tego źródła.

4. Detektory

Błony radiograficzne oferowane są w coraz szerszym asortymencie, przeznaczone do stosowania z tradycyjnymi okładkami metalowymi, fluorometalicznymi oraz w nowych systemach błona – okładka – wywoływanie. Błony radiograficzne osiągnęły już bardzo wysoką rozdzielczość i znaczącego postępu tutaj się nie notuje. Znaczną poprawę wydajności procesu radiograficznego na błonie uzyskano dzięki zmechanizowanej obróbce (wywoływaniu) błon. Wprawdzie związane jest to z reguły z podwyższeniem temperatury wywoływania, a to sprzyja rozwojowi ziaren emulsji i pogorszeniu rozdzielczości, ale obecnie nie występują już ograniczenia w stosowaniu automatycznego wywoływania, jak niegdyś w przemyśle jądrowym.

Warto wspomnieć o tomografii na błonie, bardzo przydatnej w warunkach badań terenowych. Radiogramy tego samego przedmiotu (spoiny) wykonywane są w różnych układach geometrycznych a cyfrowy wynik badania uzyskuje się drogą komputerowej rekonstrukcji wykrytych na radiogramie wad. W terenie wykonuje się kilka radiogramów w ściśle określonych warunkach geometrycznych, cała reszta dzieje się w laboratorium.

Emulsje zdzieralne stosowane są od lat w autoradiografii, a ostatnio w badaniach radio-penetracyjnych. W przypadku tych ostatnich istotną zaletą tego detektora jest łatwość podwyższania czułości badań penetracyjnych poprzez wydłużanie czasu ekspozycji emulsji, t.zn. czasu pozostawienia emulsji na badanym przedmiocie (np. łopatce turbiny, precyzyjnym odlewie itp.). Efekt o podobnym charakterze występuje z resztą przy zastosowaniu jako detektora zwykłych błon.

Detektory do radiografii natychmiastowej (instant). Radiografia na papierze nie zyskała większej popularności, choć autor z własnych doświadczeń uważa tę technikę za wielce użyteczną. Trudno wytłumaczyć dlaczego zastosowanie papieru radiograficznego ogranicza się właściwie tylko do szkolenia spawaczy, poza może jedną próbą (zresztą pozytywną) przeprowadzoną przed laty w Gaz de France.

Materiały termo obrabialne lub wywoływane w styku z powietrzem również nie stały się przedmiotem poważnych prac porównawczych i walidacji.

Płyty selenowe, fosforowe, krzemowe – radiografia cyfrowa. We współczesnej problematyce radiograficznej, cyfrowa obróbka obrazu uzyskiwanego w czasie rzeczywistym zajmuje naczelne miejsce. Przyczyny są oczywiste: technika cyfrowa w czasie rzeczywistym pozwala rozprawić się z dwoma zasadniczymi problemami radiografii wspomnianymi na wstępie - przyspieszyć i zautomatyzować proces badania i uniknąć kosztownej błony jako detektora. Pozwala również obrabiać elektroniczne obraz radiograficzny i podwyższać tą drogą wykrywalność wad oraz zmniejszać niepewność pomiaru radiograficznego oraz archiwizować komputerowo wyniki badań. Trzeba jednak pamiętać, że najlepsze systemy radioskopii cyfrowej zbliżają się (wg. niektórych doniesień nawet przewyższają) standardową radiografię na błonie. Badania radiograficzne o podwyższonej czułości na błonach drobnoziarnistych, posiadają wciąż jeszcze wyższą rozdzielczość i wykrywalność szczegółów.

Rys. 4. Porównanie wykrywalności uzyskiwanej na błonie I techniką radiografii cyfrowej w systemie ADR – DPS AGFA

Radioskopia cyfrowa rozwijana jest na bazie mikro detektorów scyntylacyjnych z fotodiodami oraz płyt detekcyjnych z materiałów w stanie bezpostaciowym (amorficznym). W pierwszym przypadku fotony promieniowania X lub gamma przetwarzane są w impulsy świetlne (scyntylacje) a następnie zamieniane w impulsy elektryczne, wzmacniane i przetwarzane w obraz cyfrowy. Poszczególne piksele takiego obrazu odpowiadają pojedynczemu mikro detektorowi z fotodiodą. Wymiary tych detektorów są zazwyczaj rzędu 0,1 mm. Kofigurowane one są w formie detektorów liniowych lub powierzchniowych. W drugim przypadku odpada konieczność transformacji promieniowania jonizującego w światło. Fotony wywołują sygnały elektryczne zbierane przez układ tranzystorowy. Poniżej przedstawiono opis obu systemów radioskopii cyfrowej zaczerpnięte z literatury.

W pierwszym z opisywanych systemów [5], zastosowano liniowy detektor o wysokiej rozdzielczości równej 50mm, przy 2048 pikseli w linii. Źródłem promieniowania jest aparat rentgenowski 225 kV obracany wraz detektorem wokół rury i rejestrujący, linia po linii, obraz spoiny. Każda strefa (linia) badana jest przy prostopadłym ułożeniu źródła wobec detektora; nie występuje więc rzutowanie ukośne jak przy radiografii na błonie. Wiązka promieniowania i detektor są ściśle skolimowane / osłonięte, co zmniejsza wpływ promieniowania rozproszonego. System ten, według jego autorów, pozwolił osiągnąć jakość obrazu podobną jak przy użyciu błony. Stosowane było również skanowanie pod różnymi kątami (m.in. równolegle do ścianki rowka) co znacznie podwyższyło POD nieciągłości płaskich, takich jak pęknięcia i przyklejenia (braki wtopu). Zastosowanie algorytmów "tomosyntezy" i "tomografi płaszczyznowej", znacznie wzbogaciło możliwości interpretacji obrazu.

Rys. 5. Systemy radioskopowe do kontroli spoin obwodowych rur: (a) system do badań przez dwie ścianki (pod wodą) z detektorem płaskim, (b) system do badań przez jedną ściankę (źródło promieniowania X w środku rury) z detektorem płaskim, (c) system do badania przez dwie ścianki z detektorem liniowym

Radiografią "bezpośrednią" został nazwany drugi system [6], w którym zastosowano detektor w postaci warstwy bezpostaciowego selenu, przetwarzającego fotony X w ładunki elektryczne, które mogą być zbierane i rejestrowane przez układ tranzystorowy w formie cienkiej warstwy amorficznego krzemu. Nazwa "bezpośrednia" radiografia wynika z faktu, że pomijany jest etap przetwarzania promieni X w światło i dopiero po tym w sygnał elektryczny. Dzięki ominięciu pośredniej transformacji świetlnej, uzyskano bardzo wysoką, zbliżoną do błony funkcję przekazu modulacji i czułość kontrastową. Warstwa bezpostaciowego selenu o wymiarach 14"x17" (ok. 355 x 430 mm) zawiera 7,9 milionów pikseli o wymiarze 139 mikronów. Podano charakterystykę jakości obrazu "bezpośredniego" i porównanie z detektorami "pośrednimi" i błoną radiograficzną. Nowy detektor pozwala osiągnąć jakość obrazu porównywalną z błoną, od której jest znacznie szybszy.

W obu przypadkach obrazy są rejestrowane na CD-ROM i dzięki temu mogą być łatwo archiwizowane, drukowane na drukarkach o wysokiej rozdzielczości i przesyłane elektronicznie.

5. Symulacje – radiografia wirtualna

Mówiąc o radiografii wirtualnej, autor miał na myśli wszelkiego rodzaju komputerowe modelowanie i symulację procesu radiograficznego lub jego elementów, używane przy opracowaniu i sprawdzaniu technologii badań i systemów radiograficznych. Dobre programy symulacyjne pozawalają skrócić cykl badań metodycznych i poważnie zmniejszyć jego koszty. Są doskonałym narzędziem przy szkoleniu personelu.

Oprogramowanie SINDBAD [7] służy do symulacji całego procesu radiograficznego. Wykorzystywane jest przy projektowaniu systemów NDT i przy szacunkach wykrywalności określonych nieciągłości. Biorąc pod uwagę, że rozdzielczość metody radiograficznej jest podstawowym czynnikiem przy szacowaniu wykrywalności wad, opracowano moduł symulujący nieostrość obrazu oparty na funkcji przeniesienia modulacji (MFL - Modulation Transfer Function). Układ symulacyjny był utworzony z modeli MFL opracowanych dla poszczególnych elementów systemu radiograficznego, takich jak źródło promieniowania X i detektor. Syntetyczny obraz radiograficzny otrzymywany jest stosując splot funkcji MFL. Oprogramowanie podlegało walidacji droga predykcji wyników badań prostych przedmiotów i porównania z wynikami badań rzeczywistych. Korelacja była zadawalająca.

Oprogramowanie nazwane "Moderato", symulujące cały proces radiograficzny, opracowano dla konsorcjum francuskiego EDF [8], celem dostarczenia obiektywnych dowodów poprawności i skuteczności okresowych badań radiograficznych integralności rurociągów siłowni jądrowych wykonywanych źródłami ¹⁹²Ir i ⁶⁰Co. Nieciągłości odlewanych kolan i spoin są opisywane w systemie CAD, detektorem jest błona z okładkami wzmacniającymi. Model obliczeniowy jest mikroskopowy i opiera się na symulacji metodą Monte-Carlo, tak więc analizuje zachowanie się każdego fotonu po kolei. Podczas ewaluacji można obserwować rozmycie obrazu wynikające z rozpraszania fotonów w badanym przedmiocie, mierzone następnie na radiogramach próbnych. Otrzymane obrazy komputerowe są poprawne i wykorzystywane są do dalszej obróbki wyników badań i trójwymiarowej rekonstrukcji 3D.

Określanie maksymalnych rozmiarów strefy badanej w przedmiotach o skomplikowanym kształcie (np. odlewy), z zachowaniem na krańcach strefy akceptowalnego poziomu wykrywalności, jest przedmiotem oprogramowania symulacyjnego umożliwiającego predykcję prawdopodobieństwa wykrycia określonych nieciągłości w odpowiednim miejscu przedmiotu badanego[9]. Odpowiednie algorytmy umożliwiają utworzenie struktury ziarnistej 3D i umieszczanie w niej, w odpowiednim miejscu, defektów o określonej wielkości i morfologii. Dla każdej nieciągłości generowany jest obraz i określany jego kontrast. Skomplikowane, rzeczywiste kształty badanych obiektów (odlewy) utrudniają stosowanie symulacji ze względu na ograniczoną pamięć komputerów, zarówno RAM jak i kart graficznych. Z tego względu opracowano procedurę umożliwiającą zagęszczanie siatki ziaren tylko w wybranych strefach symulowanego obiektu. Program generuje trójwymiarową mapę POD, dla wybranego lub kilku kierunków badania.

6. Niepewność pomiarów radiograficznych

Informacje na temat prawdopodobieństwa wykrycia nieciągłości (POD) i związanej z tym wiarygodności badań radiograficznych (PW) różnią się w dość szerokim zakresie w zależności od rodzaju nieciągłości i innych czynników branych pod uwagę przy określaniu tych wartości. POD i PW uzyskiwane w badaniach radiograficznych jest, ogólnie rzecz biorąc, wyższa niż przy innych, RĘCZNYCH badaniach nieniszczących i niższa od zmechanizowanych badań ultradźwiękowych. POD i wiarygodność badań radiograficznych ocenia się zwykle na poziomie odpowiednio 0,6-0,7 (POD) i 0,55-0,6 (PW).

Przewodnik ISO [10] podaje następującą definicję pojęcia "niepewność": parametr towarzyszący wynikowi pomiaru, charakteryzujący rozkład wartości, które mogą być w rozsądny sposób przypisane mierzonej wielkości fizycznej.

1. Parametrem tym może być na przykład odchyłka standardowa (lub podana jej wielokrotność) lub poziom ufności odpowiadający połowie szerokości pewnego przebiegu (interval).
2. Niepewność pomiaru zawiera zwykle wiele składowych. Niektóre z tych składowych mogą być oszacowane z rozkładu statystycznego serii wyników pomiaru i mogą być określone przez doświadczalną odchyłkę standardową. Inne składowe, które także mogą być określone przez odchyłkę standardową, są szacowane w oparciu o przypuszczalne rozkłady prawdopodobieństwa wynikające z doświadczenia lub innych informacji.
3. Przyjmuje się, że wynik pomiaru jest najlepszą formą oceny wartości mierzonej i że wszystkie składowe niepewności, włączywszy w to składowe powstałe na skutek zjawisk systematycznych związanych z korekcją i wzorcami odniesienia, wpływają na rozkład (rozrzut) wyników badań.

Niepewność wyników pomiaru jest nieodłącznym elementem każdego procesu pomiarowego. Przewodnik ISO 25 (1990), normy ISO dotyczące laboratoriów badawczych i wzorcowania, zawierają wymagania określania stopnia niepewności każdego pomiaru celem dostarczenia dodatkowych informacji o wielkości mierzonej i jakości pomiaru.

O ile metody obliczania niepewności pomiarów ilościowych, takich jak pomiar długości, temperatury i innych, są dobrze rozumiane, to nie dotyczy to oceny wyników takich badań jak radiograficzne i innych badań nieniszczących.

W procesie oceny jakości wyrobu na podstawie radiogramów, tylko w przypadku wystąpienia niedopuszczalnych wskazań ze względu na swój charakter (np. pęknięcie, luźna część lub brak części) nie występuje konieczność dokonywania pomiarów. W innych przypadkach pomiary są dokonywane w następującym zakresie:

• określenie rodzaju nieciągłości i jej kształtu (np. pomiar czy pęcherz jest podłużny czy sferoidalny),
• lokalizacji (pomiary rzutowania na błonę, zwłaszcza w radiografii 3D),
• dystrybucji (odległości wskazań między sobą),
• wielkości (pomiar szerokości i długości wskazań, głębokości wskazań),
• nasilenia (sumowanie wymiarów geometrycznych wskazań, porównanie z polem lub odcinkiem odniesienia).

Ocenia się nieciągłości zarówno ze względu na ich obecność jak i wymiary, celem podjęcia decyzji o zaakceptowaniu lub odrzucenia wyrobu. Należy więc określić niepewność pomiaru nieciągłości.

Niektóre parametry kontroli są szczególnie ważne przy wykonywaniu pomiarów wad (np.: charakterystyka aparatury, intensywność oświetlenia matówki negatoskopu, rodzaj błony, energia promieniowania itp.). Są one przyczyną powstawania niepewności pomiarów, tak więc również niepewności decyzji o zaakceptowaniu lub odrzuceniu wyrobu.

Pomiar jest oceną rzeczywistej i nieznanej nieciągłości, tak więc jeśli nie jest podana niepewność pomiaru, podejmujący decyzję nie będzie wiedział jak bliska jest jego ocena do realnego wymiaru nieciągłości.

Jakość radiogramu, tak jak opisują ją normy radiograficzne, jest podana w formie czułości badania, t.j. najmniejszej wykrywanej nieciągłości o określonym, szczególnym kształcie, takim jak otwór lub drucik wzorca jakości obrazu radiograficznego (IQI). Odpowiedni odczyt IQI powinien być dokonany (wykrywalność pręcików lub otworków wzorca) jako dowód wystarczającej jakości obrazu, lecz nie zaspakaja to potrzeb związanych z oceną rzeczywistych wymiarów anomalii.

Przewodnik ISO-25 (1990) zawiera wymagania, by laboratoria badań i wzorcowania podawały swoje wyniki łącznie z wartością niepewności pomiarów. Niektóre pionierskie badania w tym zakresie zostały wykonane w dziedzinie niepewności pomiarów w badaniach ultradźwiękowych [11] i radiograficznych [12].

W wyniku tych badań powstały wzory do obliczania łącznej niepewności standardowej. Analizowano każdy parametr badania oddzielnie a następnie rozpatrzono je wspólnie. Niektóre z tych parametrów były analizowane eksperymentalnie inne zaś w oparciu o teorię.

Nie wchodząc w szczegóły omawianych prac, podano poniżej przykład obliczenia niepewności dla podanych poniżej parametrów badania:

• Wartość zmierzona: 5 mm
• Metoda pomiaru: przymiar (linijka)
• Energia promieniowania: 200 kV
• Gęstość błony D: 2,0
• Jaskrawość ekranu negatoskopu: 60.000 lux
• Wymiar ogniska: 4 mm
• Odległość źródło – błona: 200 mm
• Odległość wada – błona: 20 mm
• Typ błony: Agfa Gevaert D7
• Czułość kontrastowa: 0,005 D
• Oświetlenie otoczenia: 10 lux
• Rozproszenie wsteczne: 50 mm betonu poza próbką

Wyniki obliczeń:

• Obliczony systematyczny błąd ES = 0,94 mm
• Obliczony błąd losowy Eg = 0,497 mm

Najlepsze oszacowanie (z poprawką na powiększenie):

• pomiędzy 4,06 a 1,038 (96%, 30 df) gdzie: df-diversity factor (wsp. niejednoczesności)

Z wieloletnich doświadczeń autora wynika, że pomiary radiograficzne trudno jest prowadzić z dokładnością większą niż 0,5 mm. Wyniki przytoczonych tu analiz niepewności wydają się potwierdzać te obserwacje praktyczne.

Rys. 6. Źródła niepewności w radiografii

Literatura

1. Wstęp

Źródła selenowe zaczęto stosować na skalę przemysłową w latach 70-tych w byłym Związku Radzieckim. Były one propagowane przez instytut rosyjski WN1RT w Moskwie. Źródła te miały jednak zbyt duże wymiary i niską aktywność właściwą. Dostarczane były w specjalnych aparatach gammagraficznych i wraz z Tulem-170 proponowane były głównie do kontroli wyrobów z metali lekkich.

W latach 1973-76 przeprowadzono w Instytucie Badań Jądrowych w Świerku próby ze źródłami ⁷⁵Se w ramach prac nad rozwojem gamma-radiografii niskoenergetycznej [1]. Jednak bardzo niska aktywność właściwa tych źródeł spowodowała zaniechanie dalszych porób i zajęcie się przede wszystkim Iterbem-169.

W latach 90-tych, w wyniku zmian politycznych a co za tym idzie gospodarczych, nawiązano współpracę w dziedzinie radiografii selenowej między firmami zachodnimi (Isotopen Technik - Dr Sauerwein, AGFA), specjalistami rosyjskimi z dawnego instytutu WNJJRT oraz ośrodkami jądrowymi w Rosji, posiadającymi wirówki umożliwiające wzbogacanie selenu oraz wysoko strumieniowe reaktory umożliwiające uzyskanie źródeł radiograficznych selenu-75 o wysokiej aktywności właściwej. Strona niemiecka zapewniła szeroki marketing oraz przeprowadziła prace badawcze, które umożliwiły wprowadzenie ⁷⁵Se do normy PN/EN-1435 dotyczącej badań radiograficznych spoin.

2. Podstawowe własności fizyczne i chemiczne selenu

Selen jest pierwiastkiem chemicznym o liczbie atomowej 34 i masie atomowej 78,96 należącym do VI grupy układu okresowego pierwiastków (tlenowce, pół metal). Występuje w kilku odmianach alotropowych z których najtrwalszą jest selen szary, zwany metalicznym, który jest półprzewodnikiem, posiadającym temperaturę topnienia 220°C i wrzenia 688°C. Gęstość selenu metalicznego wynosi 4,8 ^g/_cm³. Znane są też nietrwałe odmiany krystaliczne (a i P) o barwie czerwonej oraz selen bezpostaciowy występujący jako czerwony proszek lub w postaci szklistej. Selen ogrzewany łączy się z tlenem (tworząc SeCh i SeOs) oraz z fluorem i z metalami alkalicznymi. Występuje w przyrodzie w niewielkich ilościach, głównie w złożach siarki i jej związków; rzadko tworzy własne minerały. Selen wykazuje fotoprzewodnictwo.

Niska temperatura topnienia i wrzenia selenu jest przeszkodą, w niektórych krajach, w uzyskaniu atestu prób bezpieczeństwa opakowań typu "B" oraz samych źródeł zamkniętych, co w efekcie utrudnia w pewnym stopniu rozpowszechnienie ⁷⁵Se w niektórych państwach wspólnoty europejskiej. Poza zagadnieniami czysto technicznymi występują tu prawdopodobnie również czynniki rynkowe, gdyż w wielu przypadkach selen jest bardzo konkurencyjnym źródłem w stosunku do ¹⁹²Ir i ¹⁶⁹Yb.

3. Własności radiograficzne ⁷⁵Se

Energia promieniowania

Selen naturalny zawiera izotopy o następującej masie atomowej, w kolejności ich występowania: ⁸⁰Se, ⁷⁸Se, ⁷⁶Se, ⁸²Se 78, ⁷⁷Se, ⁷⁴Se [2].

Izotopy promieniotwórcze selenu i ich okresy półrozpadu przedstawiają się następjąco: ⁷⁰Se (0,68 godz.); ⁷³Se (7,15 godz.); ^73mSe (0,65 godz.); ⁷⁵Se (120 dni); ⁷⁹Se (6,5-104 lat); ⁸¹Se (0,32 godz.); ^81mSe (0,95 godz.); ⁸³Se (0,38 godz.).

Selen-75 rozpada się przez wychwyt elektronów, nie emituje więc promieniowania korpuskularnego a jedynie promieniowanie charakterystyczne arsenu i fotony gamma. Jego charakterystyka energetyczna wygląda następująco [2]:

Rys. 1-2. Widmo ⁷⁵Se wzbogaconego (po lewej) i jego schemat rozpadu (po prawej) [2]

Aktywność właściwa – rozmiary i aktywności źródeł ⁷⁵Se

Źródła Se-75 uzyskuje się drogą napromieniowania w reaktorze neutronami materiału tarczowego ⁷⁴Se. Proces naświetlania w reaktorze trwa dość długo (zwykle kilka miesięcy) gdyż przekrój czynny selenu na neutrony wynosi ok. 30 barnów (dla reakcji ¹⁶⁸Yb^-jt¹⁶⁹Yb przekrój czynny wynosi 5000 barnów).

Izotopu ⁷⁴Se jest w selenie naturalnym zaledwie 0,87%, co pozwalało uzyskiwać, w warunkach polskich w latach 75-77, aktywność właściwą źródeł ok. 67 ^GBq/_g (1,8 ^Ci/_g). Z selenu wzbogaconego można było uzyskać ok. 1,8 ^TBq/_g (54 ^Ci/_g) i źródła "przemysłowe" o aktywności 5,5 GBq (150 mCi) z kształtki ø1x1 mm i 44,5 GBq (1,2 Ci) z kształtki ø 2x2 mm. Rosjanie oferowali wtedy standardowe źródła ⁷⁵Se ø5x5mm o aktywności ok. 8 Ci (300 GBq).

Jeśli wziąć pod uwagę, że firma Isotopen Technik oferuje obecnie źródła ⁷⁵Se o aktywności:

• 2 – 4 Ci (75-150 GBq) z kształtki 1x1 mm,
• 18 – 33 Ci (670 – 1220 GBq) z kształtki 2x2 mm,
• 65 – 80 Ci ( 2,4 – 3 TBq) z kształtki 3x3 mm,

to znaczy o aktywności właściwej rzędu 800 Ci/g (29,6 ^TBq/_g), to jasne staje się, dlaczego 20 lat temu źródła selenu nie znalazły wielu entuzjastów. Informacje ze źródeł rosyjskich są jeszcze bardziej optymistyczne i podają następujące maksymalne aktywności źródeł ⁷⁵Se:

• 75 Ci (2,8 TBq) z kształtki 2,8 x 2,8 mm,
• 100 Ci (3,7 TBq) z kształtki 3x3 mm.

Wydajność źródeł ⁷⁵Se i nieostrość wewnętrzna

Stała jonizacyjna Se-75 wynosi 0,203 ^R∙m2/_Ci∙godz czyli jest ok. 2,5 razy niższa niż dla ¹⁹²Ir i dwa razy wyższa od ¹⁶⁹Yb. Nieostrość wewnętrzna dla ⁷⁵Se podana w publikacji [6] wynosi:

Okres połowicznego rozpadu i efektywność użytkowania

Okres połowicznego rozpadu ⁷⁵Se wynosi 120 dni. Jest więc 1,6 razy dłuższy od ¹⁹²Ir oraz 4 razy dłuższy niż ¹⁶⁹Yb. Przynosi to wymierne korzyści ekonomiczne gdyż zmniejsza ilość koniecznych wymian źródeł promieniowania w ciągu roku zarówno w stosunku do ¹⁹²Ir jak też, w znacznie silniejszym stopniu, w porównaniu z ¹⁶⁹Yb. Poza tym, gdy porównać czasy ekspozycji dla źródeł ¹⁹²Ir i ⁷⁵Se, to tylko w początkowym okresie użytkowania czasy badania irydem są krótsze Dość szybko wolniejszy rozpad promieniotwórczy selenu daje mu przewagę nad irydem i po pewnym czasie selen staje się coraz bardziej efektywny.

Rys. 3. Czas ekspozycji w funkcji czasu użytkowania źródeł Se-75 i Ir-192.
Badana grubość: 10mm Fe, błona: D7, FF=50cm, D=2,5 [2]

Wykrywalność

Ze względu na niższą energię promieniowani od ¹⁹²Ir, wykrywalność nieciągłości w stalowych wyrobach uzyskiwana źródłem ⁷⁵Se plasuje się między ¹⁶⁹Yb, ¹⁷⁰Tm oraz RX a ¹⁹²Ir.

Krzywe teoretycznej wykrywalności nieciągłości w stali obliczone dla źródeł ¹⁹²Ir, ⁷⁵Se, ¹⁶⁹Yb przedstawione są na poniżej. Obliczenia wykonano według wzoru Radwana [4]:

gdzie:
S – wykrywalność; wyrażony procentowo stosunek wielkości nieciągłości do grubości badanego przedmiotu
x – grubość badanego przedmiotu
ΔD – najmniejsza różnica zaczernień wykrywana gołym okiem (przyjmuje się 0,02)
γ – współczynnik kontrastowości błony, przyjęto γ = 4,0 dla D7 i D=2,0
μ_z – zastępczy liniowy współczynnik osłabienia promieniowania

Zastępczy liniowy współczynnik osłabienia promieniowania, określono z następującej zależności:

gdzie k=I₀/I dla różnych grubości absorbent wyznaczono z krzywych osłabienia promieniowania. Po podstawieniu i uproszczeniu:

Rys. 4. Teoretyczne krzywe wykrywalności nieciągłości w stali dla źródeł ⁷⁵Se, ¹⁶⁹Yb, ¹⁷⁰Tm oraz błony AGFA Geavert D7, D=2

Rys. 5. Krzywe doświadczalne wykrywalności pręcikowej dla stali i źródeł ⁷⁵Se, ¹⁶⁹Yb, ¹⁹²Ir i RX-200 kV; błona D7 bez okładek lub z okładkami Pb 0,02mm (dla ¹⁹²Ir i RX), linią zębatą oznaczono wymagania jakościowe obrazu dla klasy B

Rys. 6. Porównanie jakości radiogramów irydowych i selenowych dla różnych grubości I średnic rurociągów stalowych

Literatura