Автоматизация рентгеноскопических систем для контроля кольцевых сварных соединений магистральных трубопроводов
Автоматизация рентгеноскопических систем для контроля кольцевых сварных соединений магистральных трубопроводов
05.06.2012 / «Научно-технический и производственный журнал нефтегазового строительства, №2 за 2012 год»

Один из авторов статьи — Ксендзов Илья Дмитриевич — главный специалист отдела по контролю качества Дирекции по строительству ООО «СГМ»

Ф. Э. Ксендзов, И. Д. Ксендзов, А. Н. Суворов

Повышение технического уровня сварочного производства во многом определяется развитием направления по неразрушающему контролю качества сварных соединений. В настоящее время при строительстве ремонте и реконструкции нефтегазопроводов используются в обязательном порядке визуальный и измерительный контроль для выявления поверхностных дефектов сварных соединений. Для обнаружения внутренних дефектов используют ультразвуковой и радиографический методы контроля, как раздельно, так и в дополнении друг друга.

Рисунок 1 — Схема радиографического контроля: 1 — источник излучения; 2 — объект контроля; 3 — детектор излучения; 4 — средства расшифровки и оценки результатов контроля

Рисунок 1 — Схема радиографического контроля: 1 — источник излучения; 2 — объект контроля; 3 — детектор излучения; 4 — средства расшифровки и оценки результатов контроля.

Наибольшее применение в практике строительства нашел радиографический метод контроля, основанный на регистрации ионизирующего излучения (гамма или рентгеновского в зависимости от применяемого оборудования) после взаимодействия с контролируемым объектом и преобразовании его в радиографическое изображение или записи этого изображения на запоминающее устройство с последующим преобразованием в световое изображение (Рис. 1). В качестве источников ионизирующего излучения используют гамма-источники или рентгеновские аппараты моноблочного типа. Для контроля кольцевых сварных соединений линейной части трубопроводов так же используют специальные автономные внутритрубные рентгеновские комплексы, получившими название «кроулер».

Для регистрации результатов контроля используют специальную рентгеновскую пленку, в эмульсионном слое которой под действием ионизирующего излучения формируется скрытое изображение сварного соединения. Для его визуализации требуется специальная фотохимическая обработка, включающая проявление и фиксацию и некоторые промежуточные операции. После сушки снимки поступают на ручную расшифровку по результатам которой выдается заключение о годности/не годности сварного соединения.

Достоинствами этого метода является наглядность и возможность документирования его результатов, высокая чувствительность. К основным недостаткам следует отнести: низкая производительность, радиационная опасность поражения персонала, высокая стоимость работ, получение результатов контроля с большим отставанием от процесса сварки, ограниченный срок хранения результатов контроля на пленке, плохая чувствительность к плоскостным дефектам с расположением их плоскости более 35–40° от оси плоскости излучения.

До настоящего времени существовало два основных направления, устранения недостатков пленочной радиографии можно было разделить на две группы. Первое — применение многоразовых фосфорных (люминофорных) запоминающих пластин, в которых под действием ионизирующего излучения накапливается заряд, формируя, подобно рентгеновской пленке, скрытое изображение. Далее пластина загружается в сканер, который сканирует экспонированную пластину лазерным пучком, высвобождая наколенную энергию виде света. Этот свет собирается фотоприемником и конвертируется в цифровой сигнал, преобразуемый в цифровое изображение. Фосфорные пластины обладают большей чувствительностью, что позволяет уменьшить время экспозиции и дозовую нагрузку на персонал, однако высокая стоимость и чувствительность к механическим повреждениям не позволяет применять данные детекторы в трассовых условиях.

Другим направлением служило создание комплексов автоматической расшифровки радиографических изображений сварных соединений путём их сканирования. Данные комплексы позволяют решить задачи архивации радиографических снимков, а также поддерживает все основные операции расшифровки: поиска, определения размеров, классификации и оценки изображений дефектов, оценки наихудшего участка сварного соединения, оценки качества сварного соединения в целом, выпуска заключения о качестве сварного соединения (изделия). Применение данных комплексов упрощает архивацию и увеличивает объективность радиографических изображений, однако в месте с этим увеличивается время контроля за счет дополнительных операций.

В последнее время разработчиками оборудования уделяется большое внимание системам основанным на детекторах, позволяющих напрямую преобразовывать рентгеновское излучение в цифровое изображение (без использования расходных материалов). Данный метод контроля получил название цифровая радиометрия. Суть его заключается в измерении экспозиционной дозы или дозы излучения после взаимодействия с объектом контроля.

Рисунок 2. Схема регистрации рентгеновского излучения

Рисунок 2. Схема регистрации рентгеновского излучения

Детектором для радиометрического контроля был выбран фотодиод с нанесенным на него слоем сцинтиллятора (Рисунок 2) . Рентгеновские кванты сначала взаимодействуют со сцинтиллятором, с образованием фотонов света, а затем свет преобразуется в электрический сигнал.

Радиометрический контроль относится к системам цифровой радиационной дефектоскопии. Отличием от радиографии является то, что радиометрия работает в режиме построчного сбора (сканирования), а не накопления информации.

В рамках исследовательской работы ОАО «Стройтрансгаз» и ООО «Нефтегазстройконтроль» была создана опытно-промышленная радиометрическая установка РМУ-1. В нее входят (Рисунок 3.):

  • Блоки детектирования;
  • Блок сбора и передачи информации;
  • Бандаж c фиксирующей застежкой;
  • Каретки перемещения блоков сбора и передачи информации;
  • Механизм перемещения установки к сварным соединениям с шаговым двигателем;
  • Транспортная тележка с аккумулятором и кабелем питания;
  • Персональный компьютер;
  • Кабель передачи информации от РМУ-1 к ПК;
  • Рентгеновский аппарат РПД-250 с возможностью установки на кроулер;
  • Маячок, сигнализирующий о наличии рентгеновского излучения;
Рисунок 3. Установка радиометрического контроля РМУ-1

Рисунок 3. Установка радиометрического контроля РМУ-1

Принципиальная схема проведения контроля представлена на рисунке 4. Источник рентгеновского излучения размещается по панорамной схеме просвечивания внутри трубы напротив контролируемого сварного шва. В качестве источника излучения для радиометрического контроля применяют рентгеновские аппараты только постоянного напряжения с отклонением не более 1% от номинальной величины напряжения; рентгеновские аппараты могут быть установлены на «кроулеры» (самоходные установки) или ручные тележки.

Рисунок 4. Схема просвечивания трубы с использованием РМУ-1

Рисунок 4. Схема просвечивания трубы с использованием РМУ-1

Для повышения производительности контроля радиометрическую РМУ-1 оснащают несколькими, параллельно работающими, детекторными блоками. Каждый детекторный блок считывает информацию со своего участка кольцевого сварного соединения. В установке в качестве рентгеночувствительных элементов были применены фотодиодные линейные массивы (128 пикселей на 0.4 мм).

Для точного позиционирования начала и конца участков сканирования в механизм перемещения включен шаговый двигатель, позволяющий точно устанавливать систему в начало просвечивания и возвращать ее в исходное положение автоматически.

При перемещении детекторов, изображение с них регистрируется в реальном времени с каждого датчика, что позволяет оператору отслеживать формирование снимка и оценивать параметры контроля.

Перемещая блоки детектирования относительно контролируемого сварного соединения, получаем непрерывно считываемый массив данных (Рисунок 5.). Этот массив записывается на жесткий диск для последующего более детального исследования и архивирования, а в обработанном виде выводится в виде полутонового изображения на монитор для оперативной оценки качества контролируемого участка в реальном времени.

Рисунок 5. Процесс контроля сварных соединений с применением РМУ-1

Рисунок 5. Процесс контроля сварных соединений с применением РМУ-1

При сканировании сварного шва, оператор должен производить текущий просмотр результатов контроля на мониторе, установленном в кунге автолаборатории. При несоответствии фактических параметров контроля установленным требованиям (недостаточная чувствительность контроля, нестабильная и сомнительная идентификация дефектов сварки и т. д.) оператор должен произвести повторный контроль для получения результатов, соответствующих установленным требованиям.

Просмотр, расшифровка и оценка качества сварного соединения проводится по изображению контролируемого соединения на мониторе персонального компьютера с применением прикладных программ, которые позволяют улучшить изображение и провести его анализ (Рис. 6). Просмотр изображения контролируемого участка проводится в двух основных режимах:

В режиме «реального времени»(on line) — изображение выводится на монитор ПК одновременно с процессом считывания информации с контролируемых участков сварного соединения (четыре участка).

В режиме «стоп — кадр», когда записанная ранее информация считывается с жесткого носителя.

Рисунок 6. Изображение сварного шва на экране оператора

Рисунок 6. Изображение сварного шва на экране оператора

Скорость перемещения и масштаб изображения в режиме «стоп — кадр» регулируются с помощью специальных программ, работающих в диалоговом режиме. Привязкой для определения местоположения обнаруженных дефектов служит изображение мерного пояса, установленного на контролируемое сварное соединение.

Чувствительность контроля соответствует 2 классу по ГОСТ 7512. Ее значения зависят от скорости сканирования. При уменьшении скорости сканирования, чувствительность возрастает.

Машинное время контроля кольцевого сварного соединения труб 1420*12–25 мм. составляет не более 5 минут в зависимости от контролируемой толщины, а время перемещения от стыка к стыку (11 — 12 м.) не более 6 минут. Время подготовки к работе не превышает 10–15 минут.

В связи с появлением на рынке новых детекторов в рамках научно-исследовательской работы для ОАО «Газпром» в РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина была проведена замена линейных детекторов на матричные массивы 100×50 мм с размером пикселя 100 мкм. Сравнительные данные характеритстик детекторов представлены в таблице 1.

Таблица 1. Сравнительные данные применяемых детекторов

Сравнивая изображения, полученные при применении матричного детектора (Рис. 7) следует обратить внимание на проволочные эталоны чувствительности по ГОСТ 7512: на изображенном слева снимке (фотодиодная линейка) сварного соединения просматриваются 4 индикатора-проволоки, что свидетельствуют о чувствительности 0,63 мм., а для изображения справа (матричный детектор) — 7 индикаторов-проволоки (чувствительность 0,32 мм.).

Рисунок 7 Сравнение изображений сварных соединений одинаковой толщины на диодную линейку (слева) и на матрицу (справа)

Рисунок 7 Сравнение изображений сварных соединений одинаковой толщины на диодную линейку (слева) и на матрицу (справа).

Была также проведена адаптация программного обеспечения аппаратно-программного комплекса «КАРС» (АПК «КАРС») для расшифровки изображений, получаемых с помощью радиометрии с применением матричных детекторов. Для подтверждения результатов повышения чувствительности проводился сравнительный анализ результатов автоматической расшифровки АПК «КАРС» изображений, полученных сканированием радиографических снимков (далее изображений радиографических снимков), и изображений, сформированных РМУ-1 (далее РМУ-изображений). Для этого были проконтролированы образцы сварных соединений толщиной стенки 13 мм с характерными дефектами, различного типа. Далее были изготовлены радиографические снимки этих образцов.

Рисунок 7 Сравнение изображений сварных соединений одинаковой толщины на диодную линейку (слева) и на матрицу (справа)

Затем после сканирования радиографических снимков были получены их изображения. Были также сформированы РМУ-изображения указанных образцов.

На рисунке 1 представлены соответственно фрагмент изображения радиографического снимка и фрагмент РМУ-изображения одного из образцов, на которых выделены контуры обнаруженных дефектов.

Рисунок 7 Сравнение изображений сварных соединений одинаковой толщины на диодную линейку (слева) и на матрицу (справа)

Рисунок. 7. Фрагмент изображения радиографического и радиометрического снимков

Следует отметить, что, с одной стороны, количество и расположение обнаруженных (выделенных на рис. 7) дефектов совпадает, с другой стороны, дефекты отличаются формой контуров и размерами.

Проводилось количественное сравнение результатов расшифровки изображений радиографических снимков и РМУ-изображений. В качестве примера, на рис. 3 и рис. 4 приведены таблицы с результатами поиска одиночных ИД, на фрагментах, изображения которых представлены соответственно на рисунках 8 и рисунках 9. Изображения всех образцов были расшифрованы. Затем были вычислены средние по множеству дефектов всех образцов относительные разности их соответствующих размеров. В результате вычислений было установлено, что средняя относительная разность трёх основных размеров (длина, ширина и глубина) не превышает 10%, а её предельные значения (отдельные выбросы) могут достигать 30%. Отличия в результатах расшифровки можно несколько уменьшить, если при получении изображений разными способами, во-первых, использовать один экземпляр эталона чувствительности контроля. Во-вторых, точно фиксировать его расположение на поверхности образца. Однако на практике выполнить эти условия было достаточно сложно, так как изображения были сформированы в разное время и в различных организациях.

Рис. 8. Результаты расшифровки фрагмента изображения радиографического снимка

Рис. 8. Результаты расшифровки фрагмента изображения радиографического снимка

Рис. 9. Результаты расшифровки фрагмента изображения, сформированного РМУ

Рис. 9. Результаты расшифровки фрагмента изображения, сформированного РМУ

На основании проведённого сравнительного анализа можно сделать вывод о том, что результаты расшифровки радиографических изображений образцов, которые (изображения) получены по разным технологиям на различном оборудовании, являются согласованными.

В настоящее время идут работы по конструктивному оформлению установки на новых детекторах. В перспективе ведется разработка установки, позволяющей контролировать сварные соединения по схеме «Черед две стенки» (при отсутствии внутреннего доступа к стыку).

Развитие цифровых радиометрических методов неразрушающего для непосредственного преобразования ионизирующего излучения в цифровое изображение является перспективным направлением в области рентгеноскопии сварных соединений. Применение радиометрических комплексов повысит производительность контроля, позволит значительно сократить затраты на расходные материалы и оборудование для фотохимической обработки, а также упростит архивацию результатов контроля.