Опыт применения цифровой радиографии при контроле в рамах чемпионата WORLDSKILLS KAZAN 2019

В рамках 45-го Мирового чемпионата WORLDSKILLS KAZAN 2019 в том числе проводились соревнования в компетенции «Сварочные технологии». Качество работ участников проверялось с применением современных способов радиационного контроля – цифровой и компьютерной радиографии. Это позволило в сжатые сроки (16 ч) провести контроль в соответствии с классом В («улучшенный способ») по стандарту ГОСТ ИСО 17636-2 Приведены схемы просвечивания, результирующие снимки, рассмотрены задачи программного обеспечения для анализа качества цифровых снимков.Предложены способы увеличения производительности процесса контроля, сделаны выводы о применимости технологий цифровой радиографии в зависимости от исследуемого объекта.

 

Авторы: к.-ф.-м.н., технический директор ООО «Ньюком-НДТ», К.А Багаев

канд. техн. наук, ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр», Д.И. Галкин

ООО «Ньюком-НДТ», А. В. Пузанов

ООО «Продис НДТ», А. О. Устинов

Статья была опубликована в журнале «Контроль. Диагностика» 2019 

 

В рамках 45-го Мирового чемпионата WORLDSKILLS KAZAN 2019 в том числе проводились соревнования в компетенции «Сварочные технологии». Качество работ участников проверялось с применением современных способов радиационного контроля – цифровой и компьютерной радиографии. Это позволило в сжатые сроки (16 ч) провести контроль в соответствии с классом В («улучшенный способ») по стандарту ГОСТ ИСО 17636-2. Приведены схемы просвечивания, результирующие снимки, рассмотрены задачи программного обеспечения для анализа качества цифровых снимков. Предложены способы увеличения производительности процесса контроля, сделаны выводы о применимости технологий цифровой радиографии в зависимости от исследуемого объекта.

Ключевые слова: цифровая радиография, компьютерная радиография, плоскопанельный детектор, фосфорная запоминающая пластина, дуплексный индикатор нерезкости.

С 22 по 27 августа 2019 г. в Казани прошел 45-й Мировой чемпионат по профессиональному мастерству и стандартам WORLDSKILLS KAZAN 2019. Участники из 63 стран соревновались в различных компетенциях. Одной из таких компетенций были «Сварочные технологии» (39 участников). В соответствии с заданием каждый участник должен был получить качественное неразъемное соединение металлоконструкций, применяя различные технологии сварки. По результатам радиографического контроля (РК) выполнялась оценка качества трех типов стальных металлоконструкций:

• сварное стыковое соединение пластин толщиной 16 мм, длиной 250 мм (корневой шов – сварка сплошной проволокой в активном газе; заполняющие и облицовочный – сварка металлопорошковой проволокой в активном газе);
• сварное стыковое соединение пластин толщиной 10 мм, длиной 250 мм (сварка металлопорошковой проволокой в активном газе);
• сварное стыковое соединение труб ∅114,3x8,56 мм (корневой шов – сварка вольфрамовым электродом в инертном газе; заполняющие и облицовочный – ручная дуговая сварка электродом).

Критерии оценки качества по результатам РК были определены международными стандартами ISO 5817:2014 [1] и ISO 10675-1:2016 [2]. Порядок начисления баллов приведен в табл. 1. В связи с тем что РК необходимо было выполнить в сжатые сроки (16 ч), а результаты контроля представить в цифровом виде для обеспечения дистанционной расшифровки несколькими экспертами, было принято решение использовать технологии компьютерной и цифровой радиографии в соответствии с требованиями ISO 17636-2:2013 [3]. Русскоязычная версия данного стандарта ГОСТ ИСО 17636-2 [4] действует на территории РФ с 1 ноября 2018 г.

Так как оценку качества требовалось провести в соответствии с уровнем приемки 1 согласно стандарту [2], то необходимо было выполнять РК в соответствии с классом В («улучшенный способ») согласно стандарту [4]. Этот класс предъявляет повышенные требования к параметрам и режимам контроля (расстояние источник излучения – объект контроля f, количество экспозиций N), а также к качеству получаемого цифрового изображения (контрастная чувствительность K, нормализованное отношение сигнал/шум SNRN, базовое пространственное разрешение SRb). Для получения дополнительной уверенности в том, что применяемые цифровые технологии в состоянии обеспечить информативность контроля на уровне не ниже пленочной радиографии, авторами предварительно были проведены испытания, описанные в работе [5].

Контроль сварных соединений пластин

При РК сварных соединений пластин для регистрации результатов был выбран плоскопанельный детектор (ППД). Это обусловлено тем, что:

• при экспонировании с использованием ППД результат может быть получен в режиме реального времени (без применения промежуточных процессов «фиксации» радиационного изображения), что значительно сокращает время контроля по сравнению с компьютерной и пленочной радиографией;
• при РК плоских объектов установка ПДД требует минимального времени, а сам детектор может быть расположен в непосредственной близости к контролируемому объекту, что обеспечивает одинаковое качество изображения как в центре, так и на краях контролируемого участка.

Для РК пластин применялся детектор «Продис. Марк» (производства российской компании «Продис.НДТ»), представленный на рис. 1, и программное обеспечение X-Vizor (производства российской компания «Ньюком-НДТ»). Данный детектор выполнен на основе КМОП-технологии и может быть использован для РК с применением  рентгеновского излучения  с энергией до 300 кэВ. Применение КМОП-технологии обеспечило размер пикселя 50 мкм, что в сочетании с оптимально подобранными характеристиками сцинтиллятора позволяет удовлетворять требованиям к SRb изображений в соответствии с классом B согласно стандарту [4] при контроле изделий в широком диапазоне радиационных толщин [6].

Размеры объекта контроля превышали размеры детектора, поэтому для контроля всего сварного соединения производили две экспозиции. Время экспонирования составило 10 с для пластин толщиной 10 мм и 15 с – для 16 мм. Для увеличения отношения сигнал/шум применяли суммирование 20 изображений. Для каждого изображения оценивали SRb с помощью дуплексного индикатора, SNRN в зоне тер- мического влияния (ЗТВ) и K по проволочному индикатору (рис. 2).

Достигнутые показатели качества изображения при использовании ППД «Продис. Марк» приведены в табл. 2. Из табл. 2 видно, что при контроле пластин с толщиной 10 мм и менее использование детекторов с размером пикселя свыше 50 мкм не позволило бы добиться результата, соответствующего требованиям класса B согласно стандарту [4]. Теоретическим пределом SRb является размер пикселя детектора.

В этой связи при применении детекторов с размером пикселя, например, 100 мкм получить SRb изображения лучше 100 мкм (D10) невозможно. Учет же таких факторов, как геометрическая нерезкость, рассеянное излучение, тип и толщина сцинтилляционного слоя, приводит к тому, что значение SRb изображения будет больше 100 мкм, что значительно сужает область применения подобных детекторов.

Цифровая радиография предполагает применение специального программного обеспечения, которое позволяет улучшать изображения и проводить измерения обнаруженных проекций несплошностей. В ПО X-Vizor дополнительно реализованы алгоритмы автоматического поиска дуплексного индикатора, контура сварного шва, вычисление значений SRb и SNRN. Данные параметры качества определяются следующим образом.

1.    За значение SRb в соответствии со стандар- том [4], Приложение С принимается первая пара проволочек, дающая отношение глубины впадины dip к высоте двойного пика на профиле распреде- ления значений градаций серого менее 20 % (рис. 3).
2.    Для определения SNRN в ЗТВ выделяется прямоугольная область размером 20 на 55 точек, для которой определяется отношение линеаризованного среднего значения градации серого к его стандартному отклонению. Полученное значение нормируется с использованием ранее полученного значения SRb. Нормирование проводится для того, чтобы не допустить к расшифровке нерезкие изображения, для которых SNR может иметь допустимое значение.

Так как для определения контрастной чувствительности в стандартах не предусмотрен математический критерий, данное значение определяется по результатам субъективной оценки специалиста, осуществляющего расшифровку. Кроме обозначенных функций, в ПО X-Vizor предусмотрены различные цифровые фильтры, применение которых позволяет восстановить часть полезной информации. Этого нельзя сделать с использованием стандартных инструментов работы с цифровым изображением: регулировки яркости и контраста, которые решают вопрос с «подстройкой» под зрение специалиста и конкретный участок динамического диапазона. В результате «правильной» фильтрации зоны, содержащие проекции несплошностей, будут выделены более явно. Пример использования фильтра «Литье» представлен на рис. 4.
Как видно из рис. 4, применение цифрового фильтра «Литье» позволило улучшить четкость изображения пор. Данный фильтр является разновидностью выравнивающего фильтра, выравнивание проводится по окружности заданного радиуса. После процедуры выравнивания гистограмма изображения сжимается, что позволяет специалисту рассмотреть все области изображения одновременно, независимо от толщины объекта контроля.

 Следует отметить, что применение фильтров не может заменить расшифровку первичного изображения и должно рассматриваться прежде всего как дополнительная возможность улучшить качество изображения сомнительного участка, обнаруженного по результатам расшифровки первичного изображения. Определение размеров проекций несплошностей в любом случае должно проводиться по первичному изображению. В процессе контроля стало очевидно, что для данных объектов можно значительно повысить производительность, применив простую механизацию: если пластины перемещать между источником и детектором, не открывая кабину, то скорость контроля возрастает более чем в 2 раза.

 Контроль сварных соединений труб

Для увеличения производительности контроля сварных соединений труб было принято решение использовать схему контроля рис. 2, а [4] в комбинации с панорамным источником излучения, что позволило одновременно проводить экспонирование 21 участка труб (рис. 5).

Для реализации данной схемы был необходим малогабаритный детектор, способный изгибаться и принимать форму объекта контроля. Этому условию соответствуют запоминающие (фосфорные) пластины, применение которых позволяет получить изображение в цифровом виде после их экспонирования и последующего сканирования. С учетом того, что компьютерная радиография позволяет добиваться пространственного разрешения до 30 мкм [7], было принято решение использовать их в качестве детектора.

Для РК труб применяли систему «КАРАТ КР-35ВР» с запоминающими пластинами Duerr CRIP и программным обеспечением X-Vizor – производства ООО «Ньюком-НДТ» (рис. 6). Выбор типа пластин был обусловлен их существенно большей чувствительностью к ионизирующему излучению, чем у пластин высокого и ультравысокого разрешения. За счет этого удалость снизить время экспозиции, которое в рассматриваемом случае составило 36 с.

Для РК использовали панорамный рентгеновский аппарат RayCraft GP-200 с размером фокусного пятна 1x2 мм. В соответствии со стандартом [4], рис. А.1 для класса B при расстоянии источник излучения – объект контроля f = 350 мм требуется не менее 17 экспозиций, т.е. длина контролируемого за одну экспозицию участка составила 21 мм. При выборе напряжения на рентгеновской трубке основным критерием является достижение требуемой контрастной чувствительности контроля K, однако во внимание необходимо принимать и требуемое согласно стандарту [4] значение SNRN . Так, в рассматриваемом случае в соответствии со стандартом [4], рис. 20 значение напряжения на трубке не должно превышать 160 кВ.

Для достижения лучшей контрастной чувствительности K необходимо уменьшать напряжение, но при величине менее 150 кВ резко ужесточается требование стандарта [4], табл. 3 к значению SNRN: с 140 до 168. В этой связи было принято решение выполнять контроль при напряжении 152 кВ, при котором требуемое значение SNRN в ЗТВ составляет 140.

Для упрощения работы по позиционированию участков труб относительно источника излучения зоны расположения образцов и зоны контроля были размечены на ватмане в масштабе 1:1. На торец образцов в свою очередь была нанесена маркировка с границами контролируемых участков. Фотография реализации описанной схемы контроля приведена на рис. 7.

Достигнутые показатели качества изображения при использовании запоминающих пластин Duerr CRIP в комбинации с комплексом «КАРАТ КР-35ВР» приведены в табл. 3.

Пример полученного изображения с применением системы   «КАРАТ КР-35ВР»   приведен на рис. 8.

Так же как и в случае получения изображений с использованием плоскопанельных детекторов, применение цифровой обработки помогает существенно улучшить восприятие изображения и выявляемость дефектов (рис. 9).

Для оформления заключений по результатам РК было разработано специальное программное обеспечение (рис. 10), использование которого позволило в автоматическом режиме оформлять протоколы по результатам контроля (рис. 11), вводя лишь сведения о типах обнаруженных несплошностей и их размерах.

В процессе проведения РК базу ООО «Аттестационный научно-технический центр сварочного оборудования и технологий», в лаборатории которой проводился контроль, посетили международные эксперты Worldskills из Бельгии, Японии и Тайланда (рис. 12). Эксперты провели аудит процедуры РК, по результатам которого они подтвердили высокий уровень организационной и технической готовности российских организаций, участвующих в выполнении РК в рамках чемпионата WORLDSKILLS KAZAN 2019.

Выводы

1. Применение цифровой радиографии позволило провести РК 117 образцов (более 800 участков контроля), сваренных участниками чемпионата WORLDSKILLS KAZAN 2019 в соответствии с классом В по стандарту [4] в течение 16 ч.
2. При выборе способа цифровой радиографии следует исходить из задачи. Универсального решения не существует. Для ряда задач предпочтительным является применение плоскопанельных детекторов, для других – фосфорных запоминающих пластин и компьютерной радиографии.
3. Для увеличения производительности контроля для случая применения плоскопанельных детекторов целесообразно применять автоматизацию процесса контроля – перемещение объекта контроля либо источника и детектора. Увеличение производительности контроля контрольных сварных соединений труб с применением запоминающих пластин возможно за счет оптимизации схемы контроля с использованием панорамного рентгеновского аппарата.
4. Для большей объективности оценки контрастной чувствительности контроля с применением цифровой радиографии необходимо установить математический критерий для определения выявляемости проволочки индикатора чувствительности.

Библиографический список

5. ISO 5817:2014. Fusion-welded joints in steel, nickel, titanium and their alloys (beam welding exclud- ed). Quality levels for imperfections, 2014.
6. ISO 10675-1:2016. Non-destructive testing of Acceptance levels for radiographic testing. Part 1: Steel, nickel, t ISO 17636-2:2013, 2013.
7. ISO 17636-2:2013. Non-destructive testing of Radiographic testing. Part 2: X- and gamma-ray tech- niques with digital detectorsitanium and their alloys, 2013.
8. ГОСТ ИСО 17636-2–2017. Неразрушающий контроль сварных соединений. Радиографический кон- троль. Часть 2. Способы рентгено- и гаммаграфического контроля с применением цифровых детекторов. М.: Стандартинформ,
9. Сорокин А. С., Галкин Д. И., Иванайский Е. А. Количественная оценка информативности радиографи- ческого контроля с помощью ROC-анализа // Контроль. Диагностика. № 5. С. 4 – 12.
10. Протокол испытаний детектора «Продис. Марк 1215СС» на соответствие стандарту ISO 17636-2. URL: http://prodis-tech.ru/ispyitaniya-detektorov-po-iso-17636-2/
11. Сертификат Федерального института исследо- вания и тестирования материалов ВАМ о соответствии системы компьютерной радиографии Duerr HD CR 35 NDT Plus с запоминающими пластинами HD IP Plus требованиям EN 14784 1:2005, ISO 16371 1:2011 и ASTM E 2446 05, № ВАМ/ZBF/002/14, срок действия с 05.2018 по 04.05.22.

Библиографический список

1. ISO 5817:2014. Fusion-welded joints in steel, nickel, titanium and their alloys (beam welding exclud- ed). Quality levels for imperfections, 2014.
2. ISO 10675-1:2016. Non-destructive testing of Acceptance levels for radiographic testing. Part 1: Steel, nickel, t ISO 17636-2:2013, 2013.
3. ISO 17636-2:2013. Non-destructive testing of Radiographic testing. Part 2: X- and gamma-ray tech- niques with digital detectorsitanium and their alloys, 2013.
4. ГОСТ ИСО 17636-2–2017. Неразрушающий контроль сварных соединений. Радиографический кон- троль. Часть 2. Способы рентгено- и гаммаграфического контроля с применением цифровых детекторов. М.: Стандартинформ,
5. Сорокин А. С., Галкин Д. И., Иванайский Е. А. Количественная оценка информативности радиографи- ческого контроля с помощью ROC-анализа // Контроль. Диагностика. № 5. С. 4 – 12.
6. Протокол испытаний детектора «Продис. Марк 1215СС» на соответствие стандарту ISO 17636-2. URL: http://prodis-tech.ru/ispyitaniya-detektorov-po-iso-17636-2/
7. Сертификат Федерального института исследо- вания и тестирования материалов ВАМ о соответствии системы компьютерной радиографии Duerr HD CR 35 NDT Plus с запоминающими пластинами HD IP Plus требованиям EN 14784 1:2005, ISO 16371 1:2011 и ASTM E 2446 05, № ВАМ/ZBF/002/14, срок действия с 05.2018 по 04.05.22.

ПРОСМОТРЕТЬ СТАТЬЮ