Контроль качества сварных соединений

Различие между радиоволнами, световыми колебаниями, рентгеновскими и γ -излучениями заключаются в различных длинах волн:

Рентгеновское и γ -излучения обладают гораздо большей энергией по сравнению со световой, что обусловливает их высокую проникающую способность.

Контроль сварных соединений радиоактивными методами основан на изменении рентгеновского и γ -излучений в результате потери части энергии при прохождении ими материала в зависимости от его плотности и толщины.

Собственная частота колебаний ν и длина волны λ определяют свойства любого вида излучения, распространяющегося в пространстве со скоростью света λ = cν, с/λ – энергия Е излучения, т.е. преоблада-

ют квантовые свойства частиц.

При радиационных методах контроля используется проникающее ионизирующее излучение для выявления внутренних и невидимых при внешнем осмотре дефектов. Определяемые дефекты:

–трещины, непровары, поры, раковины, металлические и неметаллические включения;

–превышение проплавления, подрезы, прожоги, смещение кромок.

3.2. ИОНИЗАЦИОННЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ

Ионизационные излучения обусловлены процессами, происходящими с ядром атома и частицами, окружающими его.

Процессы, происходящие в ядре атома, вызывают γ -излучение, а процессы, происходящие сэлектронами, вызываютрентгеновское излучение.

3.2.1. Гамма-излучение

Гамма-излучение образуется в результате распада ядер радиоактивных элементов (изотопов), содержащих одинаковое число протонов, но различное число нейтронов. Процесс распада объясняется следующим образом. Внутренняя сила притяжения между протонами и нейтронами, входящими в состав ядра радиоактивных элементов, не обес-

51

печивает достаточной устойчивости ядра. В результате наблюдается самопроизвольная перестройка менее устойчивых ядер в более устойчивые. Этот процесс называется радиационным распадом.

Радиационный распад сопровождается испусканием положительно заряженных α -частиц, отрицательно разряженных β -частиц и электромагнитного γ -излучения.

Альфа-частицы (рис. 3.2) представляют собой ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Они несут положительный заряд, равный двум одинарным зарядам, отклоняются в магнитных и электрических полях. Пробег α -частиц в веществе мал (на воздухе – 11 см , в биологической ткани – 0,1 мм ) и полностью поглощается слоем алюминия 0,1 мм.

Бета-частицы (см. рис. 3.2) – это электроны или позитроны. Под действием магнитного и электрического полей они отклоняются от прямолинейного направления. Пробег β -частиц в воздухе составляет 10 м, в биологической ткани – 10–12 мм, полностью β -частицы поглощаются слоем алюминия 6 мм или слоем свинца 1 мм.

Гамма-излучение представляет собой электромагнитное излучение с очень маленькой длиной волны (≈ 0,1 нм), заряд не несет, магнитным и электрическим полем не отклоняется (см. рис. 3.2). Может проникать сквозь стальные изделия толщиной до 500 мм.

Рис. 3.2. Отклонение излучений в электрическом поле

52

В результате вылета α -, β - и γ -частиц образуется новое ядро, которое может оказаться в возбужденном состоянии. Возбужденное ядро, переходя в нормальное невозбужденное состояние, испускает избыток энергии в виде γ -излучения. Спектр γ -излучения не является сплошным, а включает излучение одного или нескольких дискретных энергий.

Пример радиационного распада:

22688 Ra → 22286 Rh+ 42 He+ →γ 21884+Po 42+He → γ …20682 Pb.

Испустив α -частицы ( 42 He ) и потеряв при этом два положительных заряда и четыре массы, радий ( 22688 Ra ) превращается в новый элемент − газ радон ( 22286 Rh ). В этом случае часть образовавшихся ядер радона имеет избыток энергии (находится в возбужденном состоянии). Этот избыток излучается в виде кванта энергии γ -излучения. Вновь образовавшийся радон ( 22286 Rh ) оказывается также неустойчивым и испускает, в свою очередь, α -частицу, превращается в новое, тоже неустойчивое радиоактивное вещество полоний ( 21884 Po ). Этот процесс образования и распада последующих поколений радиоактивных веществ остановится только тогда, когда все исходное количество радия превратится в изотопсвинца ( 20682 Pb ).

Скорость, с которой распадается радиоактивный элемент, постоянна и не зависит от физических и химических условий. У разных элементов скорость распада различна. Активность изотопа определяется числом атомов радиоактивного вещества, распадающегося в единицу времени. Напрактике характеристикой устойчивости ядра радиоактивного элемента служит период полураспада T1/2, т.е. время, в течение которого число радиоактивных атомов уменьшается вдвое. Период полураспада не зависит от количества, формы и геометрических размеров источника излучения, и у разных радиоактивных элементов, применяемых в дефектоскопии, колеблется от несколькихднейдодесятка лет (табл. 3.1).

3.2.2. Рентгеновское излучение

Образование рентгеновского излучения происходит в электронных оболочках атомов при воздействии на них свободными электронами, обладающими большой скоростью.

Процесс получения свободных электронов, их ускорения (придания им достаточной кинетической энергии) и возникновения при их помощи рентгеновского излучения происходит в рентгеновских трубках. Рентгеновское излучение состоит из тормозного и характеристического спектров излучения.

Рентгеновская трубка (рис. 3.3) представляет собой стеклянный баллон, из которого удален воздух. В сосуд впаяны два электрода – анод и катод. Катод изготовлен из вольфрамовой проволоки в виде спирали. Катод раскаливается источниками тока до высоких температур и испускает электроны. Анод трубки изготовляют в виде пластины из вольфрама или молибдена. Чтобы электроны приобретали необходимую кинетическую энергию, к аноду и катоду трубки прикладывают высокое напряжение − более 10 кВ.

Рис. 3.3. Рентгеновская трубка

Процесс образования рентгеновского излучения происходит следующим образом. В рентгеновской трубке электроны с определенной скоростью, сообщаемой им электрическим полем высокого напряжения, попадают на поверхность анода, тормозятся в нем, теряют свою скорость и, следовательно, кинетическую энергию. При этом кинетическая энергия электронов частично превращается в лучистую энергию, выделяющуюся

ввиде фотонов рентгеновского излучения, а большая ее часть переходит

втепловую энергию и расходуется на нагрев анода (97 %).

54

Полученное рентгеновское излучение характеризуется непрерывным и дискретным энергетическими спектрами (рис. 3.4). Непрерывный спектр возникает в результате торможения электронов при попадании их на анод (тормозное излучение). Дискретный спектр (характеристическое излучение) возникает в результате проникновения некоторых электронов с высокой энергией в глубь материала анода и возникновения процессов, происходящих в возбужденных при этом атомах материала и сопровождающихся энергетическими переходами (рис. 3.5).

Рис. 3.4. Спектры излучения рентгеновской трубки: 1 – непрерывный спектр; 2 – K-серия; 3 – L-серия характеристического излучения

Рис. 3.5. Схема атома

55

3.3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫЯВЛЯЕМОСТИ ДЕФЕКТОВ

Выявление внутренних дефектов при просвечивании основано на способности рентгеновского и γ -излучения неодинаково проникать через различные материалы и поглощаться в них в зависимости от толщины, рода материала и энергии излучения.

Общий закон поглощения рентгеновского и γ -излучения описывается выражением

Is = I0 e−µs ,

где Is – интенсивность излучения на детекторе; I0 – первоначальная ин-

тенсивность; µ– линейныйкоэффициент ослабления, определяемый родом материала иэнергией излучения; s – толщина просвечиваемого материала.

Интенсивность излучения − это отношение потока энергии частиц или квантов ионизирующего излучения за некоторый промежуток времени к этому времени.

Линейный коэффициент ослабления µ представляет собой сумму линейных коэффициентов взаимодействия, определяемых фотоэффектом, комптоновским рассеиванием и процессом образования пар.

Следовательно, ослабление происходит под действием трех основных процессов:

1)фотоэлектрического поглощения (фотоэффекта);

2)комптоновского рассеивания;

3)образования пар электрон − позитрон .

Фотоэлектрический эффект (рис. 3.6, а) − это процесс поглоще-

ния кванта (фотона) излучении атомов вещества. Он сопровождается вырыванием из оболочки атомов одного из электронов. При вырывании электрона из атома фотон расходует свою энергию и прекращает свое существование.

В результате комптоновского рассеивания (рис. 3.6, б) фотонов всреде они меняют направление своего движения и свою энергию. Вследствие рассеяния фотонов происходит ослабление первоначального излучения. Фотоны рассеиваются главным образом на электронах. В результате комптоновского рассеяния фотон передает часть своей энергии электрону (комптоновскому электрону). Вероятность комптоновского рассеяния прямо пропорциональна числу электронов в атоме и обратно пропорциональна энергииквантаэлектрона.

56

При радиографическом методе контроля интенсивность излучения, прошедшего через объект (радиационное изображение просвеченного объекта), регистрируется на радиографическую пленку, ксерорадиографическую пленку или фотобумагу. Радиографический снимок объекта называют радиограммой. Радиографический способ контроля является самым распространенным методом радиографической дефектоскопии изза его более высокой чувствительности по сравнению с другими методами контроля, простоты и наличия документальности контроля.

При радиоскопическом методе контроля радиационное изображение просвеченного объекта преобразуется в светотеневое, передаваемое на экран видеоконтрольного устройства. В качестве детектора используется флуоресцентный монокристаллический экран или радиационно-опти- ческие преобразователи, изображения с которых через оптическую систему передаются на телевизионную трубку. Производительность радиоскопического метода в 3–10 раз выше радиографического. Однако по сравнению с радиографическим методом чувствительность радиоскопического метода примерно в 2 раза ниже.

При радиометрическом методе контроля проводят измерения интенсивности ионизирующего излучения, прошедшего через контролируемый объект. В качестве детектора излучения чаще всего используют сцинтилляционные счетчики и ионизационные камеры. Интенсивность излучения измеряют последовательно в различных точках за объектом, просвечивая его узким коллимированным пучком излучения. Выходной сигнал детектора после преобразования регистрируется на диаграммной ленте. Радиометрический метод контроля по сравнения с радиографическим более экономичный, производительный и не менее чувствительный к дефектам. Однако область его применения ограничена, так как им можно просвечивать изделия только одной толщины.

59

4.РАДИОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ

4.1.ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Взависимости от используемого излучения различают несколько разновидностей радиографии (рис. 4.1):

– рентгенография – применяется преимущественно в цеховых и реже в полевых условиях, когда к контролю предъявляются наивысшие требования по чувствительности (δ изделий до 50 мм в зависимости от аппаратуры);

– гаммаграфия – для контроля изделий, расположенных в труднодоступных, в полевых и монтажных условиях (δ изделий до 60–70 мм);

–бетатронная радиография – для контроля сварных конструкций большой толщины, преимущественно в цеховых условиях (δ изделий до 400–500 мм).

–нейтронная радиография – для контроля сварных конструкций из тяжелых металлов, водородсодержащих материалов и радиоактивных изделий.

Рис. 4.1. Классификация радиографических методов

4.1.1. Рентгеновские аппараты

Рентгеновская установка состоит:

–из рентгеновского излучателя;

–источника высокого напряжения;

–пульта управления.

60