УСТРОЙСТВО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО РЕНТГЕНОВСКОГО КОНТРОЛЯ СВАРНЫХ КОЛЬЦЕВЫХ ШВОВ ТРУБЧАТЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована при неразрушающем контроле круговых сварных швов вварных элементов на трубах и цилиндрических изделиях, и может быть использована в технологии машиностроения. В частности полезная модель относится к ядерной энергетике и может найти применение при изготовлении оболочек для тепловыделяющих элементов, преимущественно для энергетических ядерных реакторов. Полезная модель так же относится к области дефектоскопии, в частности к неразрушающему контролю качества кольцевых сварных швов магистральных трубопроводов методом панорамного просвечивания проникающим излучением, и может быть эффективно использовано при строительстве газо- и нефтепроводов или их ремонте.
Известен способ неразрушающего контроля качества кольцевых сварных швов магистральных трубопроводов путем панорамного просвечивания сварных швов изнутри трубы с помощью гамма-источника или рентгеновского излучения (далее - излучатель), входящего в состав самоходного дефектоскопа, перемещающегося по трубе по командам, посылаемым источником проникающего излучения (далее - командный аппарат), расположенным снаружи трубы, и воздействующим на устройство управления движением дефектоскопа. Описанный способ контроля реализован с помощью самоходных дефектоскопов фирм X-MAS (США), OIS (АНГЛИЯ), JME LTD (АНГЛИЯ), SOLUS OCEANEERING Int., Inc. (США), ГАММАМАТ (ГЕРМАНИЯ). Самоходный дефектоскоп состоит из рентгеновского или гамма-источника с панорамным излучением (излучатель), самоходной тележки, предназначенной для перемещения излучателя внутри трубы, устройства управления, расположенного на тележке и предназначенного для приема сигналов командного аппарата, обработки их и включения исполнительных органов (двигателя тележки, таймера экспозиций излучателя и т.д.). Управление движения дефектоскопа осуществляют с помощью командного аппарата, подающего сигналы управления движения тележки, ее остановки, включения излучателя (Изотопный испытательный мольх для строительства трубопроводов ГАММАМАТ, проспект Изотопная техника. Др. Зауэрвейн ГмбХ, Германия; Проспект фирмы Oil Field bispecnion Services Ltd (OIS), Англия, 1985 г.; JME Pipeline X-Ray Crawlers, проспект фирмы JME LTD, Англия; SU №1436034, G01N 23/18, 1984 г.; RU №2123683, G01N 23/18, G01N 23/02, опубл. 1998.12.20).
Во всех известных способах контроля кольцевых сварных швов панорамным просвечиванием изнутри трубы, осуществляющихся с помощью самоходных дефектоскопов, в качестве командного аппарата используют радиоактивный изотоп, например, иридий-192, установленный снаружи трубы и излучающий гамма-кванты через стенку внутрь трубы. При подъеме дефектоскопа под пучок гамма-квантов командного аппарата срабатывает электронная схема управления движением дефектоскопа, и он останавливается в положении, когда излучатель устанавливается в положение напротив сварного шва. Далее излучатель автоматически отрабатывает заданную экспозицию, просвечивая панорамно весь кольцевой шов. Регистрируют изображение сварного шва, например, фотопленкой, которую накладывают на контролируемый шов предварительно.
Существенным недостатком данного способа также является радиационная опасность для обслуживающего персонала, поскольку управление движением дефектоскопа осуществляют командным изотопом, который оператор держит непосредственно в руках, совершая при этом необходимые перемещения изотопа (махами) вдоль трубы. Несмотря на принимаемые меры радиационной защиты, опасность облучения, особенно персонала низкой квалификации, весьма вероятна. Кроме того, эксплуатация изотопов сложна, так как требует наличия специальных контейнеров для хранения, а также перезарядки изотопов на специализированных предприятиях по мере выработки их ресурса. К недостаткам известных способов контроля сварных швов с помощью известных самоходных дефектоскопов так же относится возможность контроля швов в трубчатых изделиях только большого диаметра.
Недостатки указанного известного способа частично устраняются способом неразрушающего контроля качества кольцевого соединения (сварное стыковое соединение труб) (С.А.Иванов, Н.Н.Потрахов, Г.А.Щукин «Специализированная рентгеновская установка для микродефектоскопии. Электронная техника», серия 4. Электровакуумные и газоразрядные приборы, Выпуск 2(125), 1989 г.стр.100). В указанном способе съемка осуществляется контактным методом при расположении источника рентгеновского излучения (вынесенный анод рентгеновской трубки) в полости трубы, а детектора излучения - с наружной стороны шва. Способ позволяет получить изображение шва без наложения изображения диаметрально противоположных участков кольцевого соединения. При этом анод должен быть введен в полость трубы на глубину, достаточную для того, чтобы поле облучения "накрыло" шов по всей его высоте.
Применение указанного способа для просвечивания кольцевого соединения не дает желаемого результата ввиду того, что в непосредственной близости от шва находятся другие элементы конструкции. В силу этого анод не может быть установлен в положение, которое обеспечит съемку шва по всей его высоте.
Таким образом, существует техническое противоречие: известные контактные методы рентгенографического контроля качества кольцевого шва либо имеют недостаточно высокую контрастную чувствительность ввиду наложения изображения противоположной (задней по отношению к источнику излучения) стенки, либо не позволяют осуществить съемку шва по всей его высоте. Кроме того, все известные способы позволяют осуществлять съемку шва только в радиальном направлении. Однако для получения достоверной картины состояния шва необходимо производить дополнительную съемку по высоте шва.
Известен способ неразрушающего контроля качества кольцевого соединения, включающий его просвечивание рентгеновским излучением, при котором исследуемый участок располагают между источником рентгеновского излучения и детектором излучения при исключении возможности попадания в зону прохождения излучения диаметрально противоположного участка соединения, при этом плоскость, в которой располагают фокусное пятно источника излучения, удалена от поверхности крышки в направлении от центра трубчатого изделия на расстояние, не превышающее величину радиуса кольцевого соединения, а "центральный луч" потока излучения источника ориентируют на исследуемый участок под углом, не превышающим 45° к поверхности крышки, фокусное расстояние выбирают соизмеримым с диаметром кольцевого соединения, расстояние между фокусным пятном источника излучения и детектором излучения в 1,5-3 раза превышает расстояние между фокусным пятном и поверхностью исследуемого участка, при этом используют источник, у которого определяющий размер фокусного пятна в 1,5-3 раза меньше, чем абсолютная величина допуска изменения размеров элементов шва (RU №2175126, G01N 23/18, опубл. 2001.10.20).
В известном решении в качестве детектора может использоваться ренттеночувствительная пленка, для экспресс-анализа могут использовать рентгенотелевизионные детекторы, в том числе цифровые с передачей изображения на монитор. Для получения полной картины качества шва при съемке необходимо осуществлять вращение изделия вокруг своей оси. Таким образом, как это видно из рентгенограмм, представленных на чертежах к описанию, способ позволяет получать полное изображение шва, в том числе по всей его высоте как минимум в двух проекциях. С учетом масштаба изображения и благодаря высокой резкости изображения погрешность измерений основных параметров шва не превышает 0,05 мм.
Известен способ контроля и разбраковка сварных швов оболочек с заглушками тепловыделяющих элементов («Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов». Книга 2, Ф.Г.Решетников, Ю.К.Бибилашвили, И.С.Головнин и др.. Под редакцией Ф.Г.Решетникова, М, Энергоатомиздат, 1975, стр.268-271) включает операции выборочного контроля сварных швов оболочек с нижними заглушками путем рентгеновского просвечивания сварных швов с поворотом оболочек вокруг своей оси, преобразования радиационного изображения сварного шва в радиографический снимок с последующим преобразованием в световое изображение и разбраковку
В сварных швах на оболочках из сплавов циркония, выполненных электронно-лучевой сваркой, наиболее часто встречающимися дефектами являются поры, несплавления в корне стыка, газовые каналы в виде корневого вздутия в зоне сопряжения оболочки с заглушкой. Наибольшую трудность представляет выявление непроваров в корне шва с малым раскрытием и мелких пор. Конструкция герметизирующих сварных швов очень неблагоприятна для радиографии, так как толщина просвечиваемого материала изменяется от максимума (по диаметру) до нуля (по касательной). Поэтому радиографию сварных соединений по этому способу проводят в трех-шести положениях оболочки с поворотом вокруг оси на 120-60°. При этом полезная информация о качестве сварного соединения получается лишь на двух небольших диаметрально противоположных участках, что не полно характеризует сварной шов. Важное значение имеет и угол поворота оболочки вокруг своей оси, так как только четкий угол поворота может дать полную информацию о качестве сварного шва оболочки с заглушкой, а приблизительные повороты оболочки вокруг своей оси дадут приблизительную информацию о качестве сварного шва.
Известно техническое решение - устройство для исследования внутренней структуры объектов, обеспечивающее получение теневых проекций сечений исследуемого объекта путем его сканирования коллимированным пучком рентгеновского излучения и детектирования прошедшего через объект излучения детектором, который формирует электрические сигналы, представляющие соответствующие теневые проекции (GB №1283915, G01N 23/08, опубл. 1975).
Это устройство положено в основу рентгеновской вычислительной томографии, согласно которой с помощью полученных с различных угловых направлений теневых проекций вычислительными средствами восстанавливают изображение сканируемого слоя исследуемого объекта. В известном устройстве получаемое пространственное разрешение в получаемых теневых проекциях определяется в первую очередь размерами коллимированного пучка и/или детектора в направлении сканирования, т.е. при наличии в исследуемом объекте более мелких деталей структуры, последние могут не выявляться в получаемой теневой проекции.
Известно устройство радиационного исследования внутренней структуры объектов, заключающееся в том, что производят по меньшей мере одну теневую проекцию сечения исследуемого объекта путем его сканирования коллимированным пучком рентгеновского излучения и детектирования прошедшего через объект излучения с формированием электрических сигналов, при этом исследуемый объект и коллимированный пучок перемещают относительно друг друга (RU №2069853, G01N 23/08, опубл. 1996).
Недостаток известного технического решения заключается в том, что для получения теневых изображений перемещают именно коллимированные пучки относительно объекта, что приводит к усложнению общей конструкции, к повышению требований к радиационной защите, к возможности пробелов при контроле объекта из-за резких перемещений излучателя.
th
Известно устройство неразрушающего рентгеновского контроля сварных кольцевых швов трубчатых элементов, содержащее рентгеновский излучатель, коллиматор, систему перемещения, детектор рентгеновского излучения, прошедшего через сварной шов, и индикаторный блок для преобразовании радиационного изображения сварного шва в радиографический снимок (U. Zscherpel, O.AIekseychuk, P. Rost, V. Schid, К. Spardotis, A. Wanikhoff "Anew fully digital system for RT inspection of metal tube to tube sheet joints of heat exchanger." 17 World Conference on Nondestructive Testing, 25-28 Oct 2008, Shanghai, China) (принято в качестве прототипа).
Недостатком данного решения является большая трудоемкость проведения контроля так как для одного шва необходимо проводить четыре исследования и полученные четыре снимка по угловым зонам шва затем совмещать. Это устройство не деть возможности проводить сравнительный анализ нескольких измерений в разных швах. Так как отсутствует регулирование позиционирования рентгеновского излучателя относительно входа в отверстие трубы в зоне сварного шва.
Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении достоверности контроля сварных швов трубчатых вварных оболочек и упрощение проведения операции по получению рентгенограмм (изображения) сварного шва при исключении необходимости перемещения коллиматора относительно трубчатого элемента. Также полезная модель позволяет повысить безопасность контроля качества кольцевых сварных швов трубчатых изделий при обеспечении простоты управления и достаточно высокой скорости проведения контроля.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве неразрушающего рентгеновского контроля сварных кольцевых швов трубчатых элементов, содержащем рентгеновский излучатель, коллиматор, систему перемещения, детектор рентгеновского излучения, прошедшего через сварной шов, и индикаторный блок для преобразовании радиационного изображения сварного шва в радиографический снимок, рентгеновский излучатель представляет собой стержневой формы анод рентгеновского аппарата с мишенью-излучателем, предназначенный для введения в полость трубчатого элемента и осуществления рентгеновского излучения в направлении мишени-излучателя, коллиматор расположен перед детектором рентгеновского излучения и выполнен в виде диска с радиально направленными щелями, при этом указанный диск выполнен с возможностью вращения вокруг продольной оси анода для пропускания через щели отраженного рентгеновского излучения в направлении к детектору рентгеновского излучения, диск смонтирован на втулке конусной формы, закрепленной на аноде для перекрытия входного отверстия трубчатого элемента при вводе анода в полость этого элемента, а система перемещения выполнена с возможностью возвратно-поступательного перемещения анода в горизонтальном направлении и в вертикальном направлении.
При этом в качестве детектора рентгеновского излучения может быть использована рентгеновская пленка, с тыльной стороны которой расположена свинцовая защита. А по сторонам от анода могут быть смонтированы направляющие элементы в виде распложенными стержней, предназначенные для ввода в полости трубчатых элементов, смежно расположенных с трубчатым элементом, в полость которого вводится анод. А на корпусе рентгеновского излучателя смонтировано устройство включения питания рентгеновского излучателя при вводе анода в полость трубчатого элемента до упора в конусную втулку.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 показана схема устройства рентгеновского контроля;
фиг.2 - конструкция дискового коллиматора;
фиг.3 - кольцевые сварные швы в оболочке;
фиг.4 - рентгеновский снимок кольцевого сварного шва.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается устройство неразрушающего контроля круговых сварных швов вварных трубчатых элементов, основанное на том, что рентгеновским излучением просвечивают сварной шов вварного трубчатого элемента, затем принимают детектором рентгеновское излучение, прошедшее через сварной шов и преобразуют радиационное изображение сварного шва в радиографический снимок.
Особенностью настоящего устройства является то, что в качестве источника рентгеновского излучения используют анод рентгеновского аппарата стержневого типа, который вводят в полость трубчатого элемента с перемещением мишени-излучателя через зону кругового сварного шва. После прохождения мишени-излучателя через зону кругового сварного шва осуществляют остановку этой мишени (фиксацию) ее на расстоянии от этого шва при размещении зоны кругового сварного шва между излучателем и детектором.
На участке кругового сварного шва осуществляют рентгеновское излучение в направлении, а детектором рентгеновского излучения осуществляют прием рентгеновского излучения, прошедшего через зону сварного шва, через вращающийся щелевой коллиматор, щели которого выполнены радиально направленными.
Устройства рентгеновского контроля круговых сварных швов вварных трубчатых элементов (фиг.1, 2) представляет собой анод 1 стержневой формы (выполнен в виде стержня) рентгеновского аппарата 2, детектор 3 приема рентгеновского излучения 4 (например, в качестве детектора использована рентгеновская пленка, за которой расположена свинцовая пластина 5 - защита). Перед детектором расположен коллиматор 6 в виде диска с радиально направленными щелями 7. Диск выполнен с возможностью вращения вокруг продольной оси 8 анода для пропускания через щели рентгеновского излучения в направлении к детектору. Привод вращения диска включает в себя ведущее колесо 9 (ведущий шкив), связанное кинематически с электродвигателем и охваченное пассиком 10, который уложен в кольцевую канавку на диске (диск выполняет функцию ведомого колеса - шкива).
Диск с возможностью вращения смонтирован на втулке 11 конусной формы, закрепленной на аноде для перекрытия входного отверстия проверяемого трубчатого элемента 12 при вводе анода в полость этого элемента.
Например, в представленном примере в качестве детектора рентгеновского излучения использована рентгеновская пленка, с тыльной стороны которой расположена свинцовая пластина.
На корпусе рентгеновского излучателя смонтировано устройство включения питания рентгеновского излучателя при вводе анода в полость трубчатого элемента до упора в конусную втулку. Например, на корпусе излучателя (он справа и из него выходит трубка анода) есть блокировочный микровыключатель (не показан), который разрешает включать высокое напряжение, то есть рентгеновское излучение, только когда излучающий конец анодной трубки вошел в контролируемую трубу, тем самым обеспечивая поглощение излучения, идущего не назад, а вбок массой всей этой трубной доски. Излучение (лишнее), идущее назад вдоль анодной трубки, поглощается слоем свинца, одетого на анод сзади пленки. Все это для обеспечения радиационной безопасности. Устройство снабжено направляющими элементами 13 в виде распложенными по сторонам от анода стержней, предназначенных для ввода в полости трубчатых элементов, смежно расположенных с трубчатым элементом, в полость которого вводится анод. Данные стержни (направляющие) предназначены для позиционирования анода в полости проверяемого трубчатого элемента и возможности его перемещения из одной полость в другую полость (смежно расположенного трубчатого элемента) при обеспечении одинаковых условий по положении, анода в полости.
Устройство позиционируют относительно входного отверстия трубчатого элемента 12, круговым сварным швом 14 приваренного к базовой поверхности 15, например, к оболочке для тепловыделяющих элементов энергетического ядерного реактора (фиг.3). Затем продольным перемещением анод вводят в полость трубчатого элемента до упора конусной поверхности втулки в кольцевой сварной шов. Конец при этом находится за швом в полости трубчатого элемента (фиг.1). Приводят во вращение диск коллиматора и осуществляют рентгеновское излучение. Излучение направляется в сторону вращающегося коллиматора, через который на рентгеновскую пленку проходят только прямые лучи, попущенные через радиальные щели. В итоге, на пленке формируется рентгенографическое изображение 16 кольцевого сварного шва, по которому визуально определяют качество сварки, наличие трещин, непровара и других дефектов (фиг.4). При качественно проваренном шве на изображении наблюдается однородная по цвету и тону кольцевая картинка, а при наличии трещин на картинке видны светлые полосы.
Особенностью такого устройства является то, что за один импульс излучения проверяющий получает полную информацию о состоянии сварного шва по всей его окружности. При использовании в качестве детектора, например, рентгенотелевизионной установки, в том числе цифровой, передача изображения может осуществляться непосредственно на монитор. Устройство имеет следующие важные особенности:
- в режиме ручного управления источник излучения (рентгеновский аппарат) размещен на раме и имеет 6 степеней свободы за счет возможности движения его несущих рам. Это позволяет точно согласовать перемещения источника излучения с шагом отверстий в теплообменнике, который имеет массу более тонны и не перемещается относительно устройства.
- контроль проводится в автоматическом режиме по заданной программе перемещений и режимов экспозиции. Ручной частью работы является только смена кассет с пленкой и перестановка направляющих стержней, о необходимости которой в некоторых точках трубной доски сообщает программа.
- анод рентгеновского аппарата при вводе его в трубу страхуется от повреждений тремя направляющими стержнями, которые входят в соседние отверстия, на случай несовпадения шага движения аппарата с шагом отверстий, что может возникнуть, например, в силу мелких неточностей при сверлении этих отверстий под вставляемые в них трубы.
- крепление рентгеновского аппарата в подвижной раме подпружинено с тем, чтобы в случае указанного выше несовпадения шага перемещения с шагом отверстий источник излучения мог центрироваться относительно очередного отверстия за счет усилия направляющих (страхующих) стержней, возникающего при контакте этих стержней со стенками соседних отверстий.
С использованием такого устройства появляется возможность проведения неразрушающего контроля круговых сварных швов вварных трубчатых элементов в системе «труба-трубная доска». Контроль основан на том, что стержневой формы анод рентгеновского аппарата вводят в полость трубчатого элемента, перемещают через зону кругового сварного шва, где излучатель фиксируют на расстоянии от этого шва (зона кругового сварного шва размещается между мишенью и детектором). Затем осуществляют рентгеновское излучение в направлении шва. Детектором рентгеновского излучения (например, на рентгеновскую пленку) осуществляют прием рентгеновского излучения, которое прошло через зону шва и проходит через щели вращающегося щелевого коллиматора, щели которого выполнены радиально направленными. Особенностью данного способа является то, что при таком процессе на детекторе проецируются только прямые лучи отраженного от мишени потока рентгеновского излучения. Потоки излучения, отраженные от стенок трубчатого элемента, которые вносят помехи в изображение радиографического снимка, не попадают на детектор, что позволяет получить «чистое» просвечивание кругового сварного шва.
Наличие втулки с конусной частью позволяет гарантированно установить анод в полости трубчатого элемента в заданном позиционном положении примерно по продольной оси этого элемента, что позволяет при равноудаленном положении мишени сформировать однородное по окружности отраженное излучение. Такой подход позволяет получать на радиографическом снимке равномерно засвеченное круговое поле (для качественно проваренного шва) и выявить неоднородности структуры сварного шва, не скрытые влиянием на снимок вторичного отраженного от стенок трубки излучения.
Настоящая полезная модель промышленно применима, проверена в лабораторных условиях и показало высокую эффективность в получении достоверной информации о структуре кругового сварного шва за один импульс рентгеновского излучения. При этом за счет фиксируемого позиционирования анода в трубчатом элементе обеспечивается возможность сравнения швов смежно расположенных вварных трубок теплообменных аппаратов ядерных реакторов.