Расчет эффективности бетатронных дефектоскопов при контроле изделий из различных материалов

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА

Том 213 1972

РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОСТИ БЕТАТРОННЫХ ДЕФЕКТОСКОПОВ ПРИ КОНТРОЛЕ ИЗДЕЛИЙ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

В. А. БЕРДОНОСОВ, В. А. ВОРОБЬЕВ, В. И. ГОРБУНОВ, А. В. ПОКРОВСКИЙ

Радиометрический метод радиационной дефектоскопии с использованием в качестве детекторов излучения сцинтилляционных счетчиков получил распространение, главным образом, благодаря возможности автоматизации и ускорения процесса контроля. В этом его основное преимущество по сравнению с радиографическим методом. Недостатком радиометрических систем является применение сложной аппаратуры управления и автоматики, что ведет к уменьшению надежности установки и в ряде случаев к увеличению стоимости контроля. Кроме того, при работе с радиоэлектронной аппаратурой требуется более высокая квалификация обслуживающего персонала, что также необходимо учитывать при определении эффективности метода контроля. Эффективность метода определяется чувствительностью, производительностью и затратами на контроль всего изделия или единицы его площади (длины.).

При выборе метода регистрации в радиационной дефектоскопии в тех случаях, когда этот выбор не определяется однозначно чувствительностью, или особыми условиями, связанными со спецификой производства, следует рассматривать, кроме чувствительности, такие показатели, как производительность и затраты на контроль. Возможно, что в ряде случаев при соизмеримой чувствительности более выгодным с точки зрения производительности и стоимости окажется применение радиографического метода.

В настоящей работе на основании трех вышеназванных критериев чувствительности, производительности и затрат рассматривается эффективность применения радиометрических систем бетатронной дефектоскопии на базе сцинтилляционного детектора. Следует отметить, что показатели, применяемые нами для оценки эффективности, являются общими для любых радиометрических систем радиационной дефектоскопии.

Вопросы эффективности применения бетатронной радиографии для контроля изделий из стали рассмотрены в работах [2, 4, 5, 8]. Расчет эффективности в работе [2] проведен на максимальную производительность метода, которая находится для заданной энергии бетатрона и толщины поглотителя. Аналогичные показатели, т. е. чувствитель-

ность, производительность, затраты на контроль взяты за основу и дл# оценки эффективности радиометрического метода регистрации.

В связи с динамикой процесса контроля для радиометрических систем (изделие или источники с детектором непрерывно перемещаются) существует в явном виде зависимость чувствительности от скорости контроля. С увеличением скорости контроля уменьшается число квантов, несущих информацию о дефекте, вследствие чего чувствительность падает. Поэтому оценка производительности метода, согласно методике [2] по формуле

где — производительность контроля, 5 — проконтролированная площадь, Т пр —полное время просвечивания, требует уточнения параметра Тлр и иного подхода, нежели в [2].

При оценке производительности радиометрического метода полное время просвечивания слагается из собственного времени на контроль ¿¿и вспомогательного времени ¿всп , которое, в свою очередь, включает время на подготовку и прогрев аппаратуры время на установку и съем изделия 12 время на балансировку и установку чувствительности каналов Время ¿3 не зависит от типа контролируемого изделия, а время и для изделия близкого класса можно положить одинаковым. В этом случае производительность контроля, определенная по формуле (1), является функцией одной переменной (времени контроля).

Рассмотрим вариант, когда чувствительность контроля задана, что в большинстве случаев соответствует практическим задачам, а величина статической чувствительности, т. е. чувствительности, определенной при скорости контроля, близкой к нулю, лучше заданной. Для сцинтилляционного метода регистрации это соответствует реальным условиям дефектоскопии. Используя в этом случае зависимость чувствительности от скорости контроля, можно выразить время контроля единицы длины, полагая при этом чувствительность постоянной и . равной заданной величине.

Тогда производительность контроля, рассчитанная по формуле (1), включающая полученное указанным путем время контроля, будет максимальной для выбранного материала, толщины (изделия, энергии и интенсивности источника. Дальнейшее повышение производительности может быть достигнуто увличением числа детекторов или, иными словами, увеличением зоны контроля за один ход изделия при неизменной частоте посылок импульсов излучения и их интенсивности. По имеющимся литературным данным, ширина зоны контроля для бетатронных дефектоскопов со счетчиками составляет 10—11 см, а число каналов соответственно равно 5—6 [3, 7]. Поэтому мы в дальнейшем будем рассматривать систему из 5 каналов 'сцинтилляцион-ных счетчиков с шириной зоны /=10 см.

Анализ эффективности радиометрических систем бетатронной дефектоскопии был проведен на трех распространенных в промышленности материалах (стали, алюминии, свинце) для бетатронов с максимальной энергией излучения 15, 25, 30 Мэв. Расчеты выполнены для чувствительности 1,0 и 2,0%. Такие допуски по чувствительности соответствуют промышленным требованиям ¡на контроль.

Чувствительность сцинтилляционного метода регистрации бетатронной дефектоскопии экспериментально исследована для стали в работах [1, 6, 7]. Там же дано аналитическое выражение для расчета чувствительности с учетом динамического режима контроля:

V-

где 6/г — абсолютная чувствительность по толщине;

61 — аппаратурная погрешность;

62 — статистическая погрешность;

ф — коэффициент надежности;

|1 — эффективный коэффициент ослабления.

Таким образом, зная энергию и интенсивность излучения источника, параметры детектора и схемы регистрации, можно провести расчет чувствительности для различных условий.

На рис. 1 а, б, в приводятся расчетные данные по статической чувствительности для трех материалов. Для стали и алюминия эти результаты получены и экспериментальным путем и отличаются от расчетных в среднем на 15—20%.

На том же рисунке представлена зависимость чувствительности от скорости контроля, полученная экспериментально.

Для отыскания времени контроля tк по формуле (1) на графи-ках рис. 1 г, д, е на уровне 1,0 и 2,0% проводятся две параллельные линии. Точки пересечения этих линий со скоростной зависимостью дают максимальную скорость контроля. Исходя из полученной скорости, простым пересчетом ¡находится далее собственное время контроля одного погонного метра. При ширине зоны контроля 0,1 полученному времени соответствует проконтролированная площадь 0,1 м2.

Из опыта заводской эксплуатации бетатронного дефектоскопа со сцинтилляционными счетчиками ¿1^15 мин; ¿2 в среднему 12—15 мин; ¿з^15 мин. Учитывая, что прогрев аппаратуры проводится параллельно с установкой изделия, вспомогательное время на контроль ¿всп =30 мин. Таким образом, полное время просвечивания

ТПр = (¿к 4- 30) мин.

На рис. 2 а, б, в приводятся рассчитанные в соответствии с формулой (1) и данными рис. 1 г, д, е зависимости производительности контроля от толщины металла. Графики функций производительности контроля от толщины просвечиваемого материала имеют максимум для всех энергий излучения. Подобный ход зависимостей = [(/*) объясняется тем, что чувствительность, которая принята в расчете постоянной, как функция толщины, имеет минимум. Точка перегиба на графиках соответствует максимальной для данной энергии излучения и материала статической чувствительности. При определенной максимальной энергии тормозного излучения для всех металлов имеется область толщин, где производительность радиометрического метода контроля меняется незначительно. Увеличение максимальной энергии приводит, кроме общего возрастания производительности, к дополнительному увеличению этого диапазона толщин. Аналогичное влияние на зависимость производительности от толщины просвечиваемого материала оказывает и снижение установленного уровня чувствительности.

На основе полученных ранее данных по зависимости производительности радиографии от толщины (для алюминия и стали) проведен сравнительный анализ производительности радиографического и радиометрического методов контроля. Результаты такого сравнения представлены на рис. 2 г, д, где по оси абсцисс отложена толщина соответствующего материала, а по оси ординат отношение производи-тельностей для радиографии и радиометрической пятиканальной системы дефектоскопа. Как видно из рис. 2 г, д, возрастание отношено *

ния — с увеличением толщины становится более выраженным для

(а

£ * О

41

si

^ о

О О *

ч -о

£

дк

- 15 Мэо ---25 Мэб ---30Мз5 /

О. У

V. —

гоо 400

п

600 600 1000 1200 Толщина алюминий , мм

Рис. I

а) Зависимость статической относительной чувствительности сцинтилляционного метода от толщины алюминия для бетатронов 15, 25 и 30 Мэв

5!

Ш

£ 3 <£3

ч

(з

i с;

•о ll

- 15 Мзб 25 Мэб $0Мэ$

у

г;..

100 150 200 250 300

Толщина стали, мм

350

б) Зависимость статической относительной чувствительности сцинтилляционного метода от толщины стали для бетатронов 15, 25 и 30 Мэв

Sh

-о

8 5

- 15 Мэб ---25 Мэб --- 30 Мэб / / у / у У

у У у у *

— --- — —

100 ISO 200 250 300 350

g О

^ 1 Толщина сбиниа, мм

в) Зависимость статической относительной чувствительности сцинтилляционного метода от толщины свинца для бетатронов 15, 25 и 30 Мэв

г}

XXX 4 4 11111 II

О 25 50 75 100 <25 150 <75 Скорость перемещения изделия , см/мин

г) Зависимость относительной чувствительности сцинтил-ляционного метода от скорости перемещения изделия при различных толщинах алюминия для бетатронов 15, 25 и 30 Мэв

д)

о к:

§

0

а:

<и

<3 в

Й

1

о о

3: <§

дк

3,2

2.8

2,4

¿.О

1,6

и

0.6

0,4

Ц 1

~.. г

ЙЙЭР-

51г

^ 1л 41

г* й г - *

¡з 8 й »

// # / /// ' а! III / // и

/ / // /о // / / // и I г

У/ / > / / !/а //

У - А п У/

,/у // г/ / ' у У, '//

У * / / - 15Мз6 ---25 Мэв ---30Мз5

—И- — У

V

25

50

15

100

125

150

Скорость перемещения, изделия, см!мин

д) Зависимость относительной чувствительности сцин-тилляционного метода от скорости перемещения изделия при различных толщинах стали для бетатронов 15, 25 и 30 Мэв

е)

И I иадН

-о

р

<о

О

о <ъ

^ с

И

-а

3: $

С)

3.2

2.3

2.4 2.0 1.6 1.2 0,6 0.4

/ ] / ' / / , / / '1/ /// щ. ' // ии III

/ / / / / / * ! V / /7 пи 1 а /а /

м // / / / 1 / / ! / / / / / И / н п II// II

' / / // / 'А ' ///} '/г 7

/У/. 'У ' ///г '///

___ ¿г -л ///> /У// /// -15 Мэб ---25 Мз8 — зо Мэ5

50

75

100

125

150

V

175

Скорость перемещения иъделиА, см/мин

е) Зависимость относительной чувствительности сцинтил-ляционного метода от скорости перемещения изделия при различных толщинах свинца для бетатронов 15, 25 и 30 Мэв

а)

\л/с

<о

I

о ¥

-о -о

I

«а

т>

I

16

х 1.4

1.2

1.0

О.в

0.6

0.4

и * — ---- -

/ // — Л

/ У / ] 1 / V \ \ \ 1.0'/. \

" ё / г \ \ \ го*/.

« / < \ \ - <5МЭБ ---25 Мэб ---30 Мэб

1 1

гоо 400 600 воо I Толщина алюминия, мм

<200

Рис. 2. а) Зависимость производительности сцин-тилляционного метода контроля от толщины алюминиевых изделий для бетатронов 15, 25 и 30 Мэв и чувствительности 1,0% и 2,0%

(б

\Ыс

§

о;

I £

?

о о 3: - -а

е

о «о

о §

1.8 14 1*2 1,0 0,6 0,6 0,4

у / —^ N

/ / / / / / / / > ч 1,0% ч 2,0%

/ г • г,о'/.

в / \ \

1 / • / \ • \ \2.0i. - 15 Мзб --25 Мзб ---30 Мзб

1 \ 1.0'/.

50 100 150 200 250 300 350 Толщина стали, мм

б) Зависимость производительности сцинтилляци-ного метода контроля от толщины стальных изделий для бетатронов 15, 25 и 30 Мэв и чувствительности 1,0% и 2,0%

«Г

I

I

?

о

о *

-о

•о

О

\Л/с

1.6

1,4

1,2

1.0

0.8

ае

0,4

--

У" --- X --о \ V \ к \ \

/ \ \ \ > \

( 'X го% \ \ 2,0%\

% J \ 1,01. - 15 Мзё --- 25МзЁ --- Юмэё

25 50 75 100 125 Толщина сёиниа, мм

150

в) Зависимость производительности сцинтилля-ционного метода контроля от толщины изделий из свинца для бетатронов 15, 25, 30 М?в и чувствительности 1,0% и 2,0%

г о -о V

ч

. сь

о о

* о. -о ^ ^ о

<Ъ N

з н чздЕ

2 -с

3 О '

С) о ^

о; а 5 а о; О)

\Л'е

/

) ! /

У

У ' - 15Мэ6 ---25Мэ6 ---ЗОМэБ

200 400 600 800 1000 Толщина алюминия , мм

1200

г) Зависимость отношения производительностей сцинтилляционного и радиографического метода контроля от толщины алюминиевых изделий для бетатронов 15, 25 и 30 Мэв

д}

§1

^ Сч

$0

*.о

\л/с Щ>

р О у

•г!

м

<5. а;

3,0

2,0

&

<§1 0

/ /

/ у / / /

/ с

- 15МзВ ---25Мэ§ ---ЗОМэБ

/

£0 100 150 200 250 300 350 Толщина стали, мм

д) Зависимость отношения производительностей сцинтилляционного и радиографического метода контроля от толщины стальных изделий для бетатронов 15, 25 и 30 Мэв

тормозного излучения с меньшей максимальной энергией. На малых толщинах производительность радиографии становится почти соизмеримой с производительностью радиометрического метода регистрации, а для бетатрона 15 Мэв — даже выше. Это можно объяснить применением больших полей облучения в радиографии, малым значением времени экспозиции по сравнению со вспомогательным временем, а также недоиспользованием пучка излучения при радиометрическом методе контроля.

Наряду с производительностью контроля при анализе эффективности необходимо исследовать также стоимость контроля. Нами проведен расчет стоимости контроля 1 м2 для радиографии и радиометрического метода регистрации. Стоимость радиографии определялась по методике [4] с учетом того, что время просвечивания Тпр , коэффициенты сь с2 были пересчитаны на 1 м2. Результаты затрат на просвечивание изделий из стали и алюминия для радиографического метода приведены на рис. 3 а, б. Для бетатронов 25 и 30 Мэв стоимость радиографического контроля на малых толщинах изменяется незначительно с ростом толщины, а затем резко возрастает, что связано со значительным увеличением времени экспозиции.

Расчет затрат на просвечивание 1 м2 контролируемого изделия при радиометрическом методе регистрации проводился по следующему выражению:

где Сс —стоимость контроля 1 м2 изделия, руб\ сх и с2— отпускная цена соответственно дефектоскопа и бетатрона, руб; А\ и А2— нормы амортизации по дефектоскопу и бетатрону, (%; к{ и к2— число часов работы в году дефектоскопа и бетатрона; Зп —средняя заработная плата операторов на 1 часJ руб; Тпр —время просвечивания 1 м2 рассматриваемого изделия.

Величины коэффициентов Зп , А2 и Э взяты из [4], коэффициенты А\, А2, кь к2, С\, с2 и потребляемая бетатронным дефектоскопом мощность определены из соответствующей технической документации НИИ электронной интроскопии и составляют: К\ = к2 = 3000 час; с, = 10000 руб\ с2 = 55 000, 80 000 и 100000 руб для бетатронов с максимальными энергиями соответственно 15, 25 и 30 Мэв. Потребляемая мощность бетатронных дефектоскопов составляет 10, 20 и 45 кет. Время просвечивания Тпр определялось по вышеприведенной методике.

Результаты расчета стоимости контроля 1 м2 для максимальных энергий тормозного излучения 15,25 и 30 Мэв приведены на рис. 3 в, г, Д.

Зависимость стоимости контроля от толщины просвечиваемого материала имеет минимум, происхождение которого определяется максимумом в зависимости производительности от толщины изделия.

Диапазоны толщин изделий из алюминия, стали, свинца, в которых стоимость контроля изменяется не более чем на Ш% (табл. 2), практически не отличаются от пределов по толщинам, приводимым в табл. 1 для производительности контроля. Кроме того, увеличение максимальной энергии излучения и снижение установленного уровня чувствительности расширяет эти диапазоны при уменьшении абсолютной величины стоимости контроля. Таким образом, при выборе энергии излучения из условия неизменной производительности или стоимости контроля в каком-либо интервале толщин с точностью до определенной величины можно исходить как из зависимости производительности, так и из зависимости стоимости от толщины просвечива-

П

vo or cl

15

Cp

r 10

1 5

£ C_J

- 15 Мэв ---25 МэЬ --30 Мэв / 1

у /

-— _ ~7i. — > /

200 £.00 600 800 1000 170

То/ицина алюминия. ММ Рис. 3

а) Зависимость затрат на просвечивание 1 м2 алюминиевых изделий при радиографическом методе контроля для бетатронов 25 и 30 Мэв

- ГзМэЬ ---?5Мэ8 ---ЗОМзБ  /

/ /.

/j? 1

50 100 150 2 D0 250 300 350

ч

То/ниша стали мм

б) Зависимость затрат на просвечивание 1 м2 стальных изделий ¡при радиографическом методе контроля для бетатронов 15, 25 и 30 Мэв

1 101

1 1 /

\ \ 1 1 го"/. 1 юг

ч \ х \ V ч V 1 У 1 у У гоТу У

----^ •--- [г

--г5МзЬ ___«МэЬ

о 50 юо «о гоо г5о мо по

Толщина стали мм

в) Зависимость затрат на просвечивание 1м2 алюминиевых изделий при сцинтилляционном методе контроля для бетатронов 15, 25 и 30 Мэв

гоо ш боо мо шоо цоо Толщина алюминия, мм

г) Зависимость затрат на просвечивание 1 м2 стальных изделий при сцинтилляционном методе контроля для бетатронов 15, 25 и 30 Мэв

емого материала, которые являются с данной точки зрения равнозначными.

Ё

6

£2-

Ъ 5

£ s

ё О

1 1 1 / / /

10Г/. \ 1 А.о7. / / /г. о%

\ ) / / / / / / /

\ __ / / У / го'/./ /

— -р/ "* """ .у « j

- 11Мз6 ___гч мэЬ ---30Мэ&

15 30 75 Толщина сбинца. мм

100

125

150

lift

д)

лий

Зависимость затрат на просвечивание 1 м2 изде-из свинца при сцинтилляционном методе контроля для бетатронов 15, 25 и 30 Мэв

Таблица I

Диапазоны толщин в мм для различных материалов, в которых производительность радиометрического метода контроля изменяется не более чем на 10%

Максимальная энергия тормозного излучения, Мэв Материал Чувствительность 1,0% Чувствительность 2,0 %

толщины, мм толщины, мм

начальная конечная диапазон начальная конечная диапазон

15 25 30 алюминий 400 330 670 930 270 600 310 210 150 670 830 1140 360 620 990

15 25 30 сталь 125 95 175 245 50 150 95 80 60 185 235 305 90 155 245

15 свинец 40 65 25

25 45 70 25 30 95 65

30 30 95 65 20 120 100

Отношения стоимостей при радиометрическом и радиографическом контроле, рассчитанные для эквивалентных условий, приведены на рис. 4 а, б. 14

Как видно из данных зависимостей, снижение стоимости радиометрии по сравнению с радиографией с ростом толщины просвечиваемого изделия особенно заметно при максимальной энергии тормозного излучения 15 Мэв, хотя именно для этой энергии имеется диапазон толщин, при которых переход к радиометрическому методу регистрации фактически не эффективен.

Таблица 2

Диапазоны толщин в мм для различных материалов, в которых стоимость радиометрического метода контроля изменяется не более, чем на 10%

Максимальная энергия тормозного излучения, МЭВ Материал Чувствительность 1,0% Чувствительность 2,0 %

толщины, мм Толщины, мм

начальная конечная диапазон начальная конечная диапазон

15 25 30 алюминий 400 340 670 900 270 560 32Э 220 160 660 830 1103 340 610 940

15 25 30 сталь 125 100 170 240 45 140 95 80 60 180 220 290 85 140 230

15 свинец 40 68 28

25 45 70 25 26 90 64

30 30 80 50 15 120 105

Сравнивая зависимости абсолютных величин стоимости контроля от толщины просвечиваемых материалов 'рис. 3 а, б, в, г. д и отношения стоимостей для радиометрии и радиографии рис. 4 а, б, видим подтверждение существующих в настоящее время тенденций к переходу в дефектоскопии на ридометрические методы регистрации и выгодность использования бетатронов с максимальными энергиями излучения 25 и 30 Мэв, несмотря на их сравнительно высокую стоимость. Эти бетатроны дают не только большую производительность контроля и меньшую стоимость, но и обеспечивают сохранение постоянной производительности и стоимости контроля в более широких диапазонах толщин.

Выводы

1. Из анализа полученных результатов следует, что при радиометрическом методе регистрации так же, как и при радиографическом, для различных бетатронов существуют диапазоны толщин, в которых при фиксированной чувствительности достигается максимальная производительность и минимальные затраты на контроль.

Так, при чувствительности 1,0% для всех материалов во всем диапазоне толщин более эффективен бетатрон с максимальной энергией излучения 30 Мэв, однако, учитывая сравнительно небольшую разницу в производительности и затратах для эквивалентных толщин по стали (120—170) мм, в этом диапазоне можно рекомендовать бетатроны с максимальной энергией 25 Мэв.

а)

Рис. 4

а) Зависимость отношения затрат на просвечивание 1 м2 при социнтилляционном и радиографическом методах контроля от толщины алюминиевых изделий для бетатронов 15, 25 и

30 Мэв

6)

б) Зависимость отношения затрат на просвечивание 1 м2 при сцинтилляционном и радиографическом методах контроля от толщины стальных изделий для бетатронов 15, 25 и 30 Мэв

При чувствительности 2,0% до 200 мм по стали можно применять бетатрон с максимальной энергией 15 Мэв, в диапазоне толщин (200—300) мм, — бетатрон с энергией излучения 25 Мэв и, начиная с 300 мм, бетатрон с энергией 30 Мэв.

2. Отношения производительностей и затрат на контроль для радиометрического и радиографического методов показывают, что при контроле изделий по площади радиометрический метод эффективно применять для всех бетатронов на больших толщинах, а именно после (100—120) мм по стали.

ЛИТЕРАТУРА

1. В. И. Горбунов и А. В. Покровский. Дефектоскопия, № 5, 38, 1965.

2. В. А. Воробьев, В. И. Горбунов и А. В. Покровский. Дефектоскопия, № 1, 93, 1967.

3. О. Ф. Булаев, В. А. Воробьев, В. И. Горбунов и А. В. Покровский. Сварочное производство, № 1, 29, 1968.

4. В. И. Постников. Методика определения эффективности применения радиоактивных изотопов. М., Атомиздат, 1964.

5. А. Е. Б у з ы н о в. Эффективность применения гамма-излучения бетатрона для контроля качества стальных изделий, ГОСИНТИ, М, 1963.

6. Н. И. Давиде н к о, А. А. Самохвалов. И. Г. Ф а к и д о в. Сб. Бетатрон-ная гамма-дефектоскопия стали. М., Изд-во АН СССР, 1961.

7. А. В. Покровский. Исследование сцинтилляционного метода бетатронной дефектоскопии и его применение для контроля толстостенных сварных соединений, канд. диссертация, Томск, 1967.

8. А. А. В о р о б ь е в, В. А. Воробьев, В. И. Горбунов, Г. В. Т и т о в. Бетатронная дефектоскопия материалов и изделий. М., Госатомиздат, 1965.

2. Заказ 5039,