Радиационный контроль

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение

высшего профессионального образования

Национальный  минерально-сырьевой университет «Горный»

Кафедра ТХНГ

Курсовая  работа

По дисциплине: Основы технической диагностики

Тема:   Радиационный контроль

Выполнил: студент    гр. ТНГ- 08-1          _____________  /Ледовский Г.Н./

Проверил:                                            ________________ /_____________/

Санкт-Петербург

2012

Аннотация

Курсовая работа  представляет собой отчет по дисциплине: «Основы технической диагностики», на тему: «Радиационный контроль».

В работе рассматриваются радиационные методы, источники ионизирующего излучения, объем радиационного контроля на нефтегазовых промыслах, определение уровней загрязнения поверхностей бета-и альфа-активными нуклидами.

Страниц — 38,  рисунков —11.     

 
Inhaltsangabe

 
        Jahresarbeit ist ein Bericht über die Disziplin: "Grundlagen der technischen Diagnostik" auf "Radiation Monitoring." Wir betrachten Strahlung Methoden, Quellen ionisierender Strahlung, die Menge der Strahlung Überwachung auf Öl-und Gasfeldern, die Definition der Oberfläche Kontamination von beta-und alpha-Nuklide.

Seiten -38, Zahlen -11.

Содержание

Введение 4

1. Анализ методов и средств радиационного контроля. 5

2. Общие положения по радиоционному контролю и пробоотбору 19

3. Источники ионизирующего излучения 20

4. Радиографический контроль сварных соединений 23

5. Объем радиоционного контроля на нефтегазовых промыслах 27

6. Определение мощности и дозы гамма-излучения 29

7. Определение уровней загрязнения поверхностей бета-и альфа-активными нуклидами 30

8. Санитарные  правила при проведении рентгеновской  дефектоскопии…………………..33

Заключение…………………………………………………………………………………...…37

Список литературы……………………………………………………………………………..38

Введение

В настоящее время ко многим конструкциям и изделиям ответственного назначения предъявляются повышенные требования, вследствие чего возникает необходимость  проведения 100%-ного комплексного неразрушающего контроля.

Радиационный контроль – вид  неразрушающего контроля, основанный на регистрации и анализе проникающего ионизирующего излучения после  взаимодействия его с контролируемым объектом.

В основе радиационного контроля лежит  получение дефектоскопической информации об объекте с помощью ионизирующего  излучения, прохождение которого через  вещество сопровождается ионизацией атомов и молекул среды Радиационный неразрушающий контроль основан на использовании проникающих свойств ионизирующих излучений и является одним из наиболее эффективных и распространенных видов контроля. Преимущественная область применения радиационного контроля – дефектоскопия паяных и сварных соединений, литья, поковок, штампованных объектов и прочих изделий из металлов, их сплавов, пластмасс, керамики и т.д., а также толщинометрия стальных листов и металлических покрытий. В нефтегазовой отрасли применяется прежде всего для контроля сварных соединений магистральных и промысловых трубопроводов, резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов, сосудов под давлением и других объектов. Реализация данного вида контроля предусматривает использование как минимум трех основных элементов: источника ионизирующего излучения; объекта контроля; детектора, регистрирующего результаты взаимодействия ионизирующего излучения с объектом контроля.

1. Анализ методов и средств радиационного контроля

Радиационные методы контроля основаны на регистрации и анализе ионизирующего  излучения при его взаимодействии с контролируемым изделием. Наиболее часто применяются методы контроля прошедшим излучением, основанные на различном поглощении ионизирующих излучений при прохождении через  дефект и бездефектный участок сварного соединения (рис. 1). Интенсивность прошедшего излучения будет больше на участках меньшей толщины или меньшей плотности, в частности в местах дефектов - несплошностей или неметаллических включений.

Рис. 1. Схема радиографического контроля: 1—источник излучения; 2—прямой пучок; 3—сварной шов; 4—кассета с детектором и экранами; 5—эпюра интенсивности излучения за объектом; F—фокусное расстояние; d толщина основного материала; D — толщина сварного шва.

Методы радиационного контроля классифицируются прежде всего по виду (и источнику) ионизирующего излучения  и по виду детектора ионизирующего  излучения.

Ионизирующим называют изучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов. Так как ионизирующее излучение, состоящее из заряженных частиц, имеет малую проникающую способность, то для радиационного контроля сварных соединений обычно используют излучение фотонов или нейтронов. Наиболее широко используется рентгеновское излучение (Х-лучи).

 Это фотонное излучение с  длиной волны 6*10^(-13)...1*10^(-9) м. Имея ту же природу, что и видимый свет, но меньшую длину волны (у видимого света 4...7 * 10^(-7) м), рентгеновское излучение обладает высокой проникающей способностью и может проходить через достаточно большие толщины конструкционных материалов.

Другим распространенным видом  ионизирующего излучения, используемым при контроле сварных соединений, является γ-излучение.

          Это фотонное излучение с длиной волны 1*10-13...4*10^(-12)м, возникающее при распаде радиоактивных изотопов, источником γ-излучения при радиационном контроле обычно являются радиоактивные изотопы тулия, иридия, цезия, кобальта: 170Тu, 192Ir, 137Cs, 60Со и др. Источники γ-излучения компактны и не требуют больших затрат электроэнергии (только на освещение и, возможно, на перемещение радиоактивного изотопа в рабочее положение и обратно). Однако γ-излучение более опасно для человека и, в отличие от рентгеновского, не может быть выключено. Проникающая способность γ-излучения выше, чем рентгеновского, поэтому могут просвечиваться изделия большей толщины, но чувствительность контроля при этом ниже, различие между дефектными и бездефектными участками менее заметно. Поэтому область применения γ-дефектоскопии - контроль изделий большой толщины (малые дефекты в этом случае менее опасны), контроль в монтажных и полевых условиях, в частности - трубопроводов и крупногабаритных резервуаров, просвечивание изделий сложной формы, если разместить рентгеновский аппарат нельзя.

Гораздо реже (при контроле изделий  еще большей толщины) используется тормозное излучение высоких  энергий (1...100 МэВ, в то время как  энергия рентгеновских фотонов  не превышает 0,5 МэВ) с длиной волны 1*10-16...1*10-12 м, обладающее еще большей проникающей способностью. Такое излучение получают при бомбардировке мишеней электронами, ускоренными в линейных или циклических ускорителях: микротронах, бетатронах. Поэтому контроль с использованием тормозного излучения высоких энергий называют бетатронной дефектоскопией. О возможностях этого метода можно судить по таким данным: излучение с энергией 35 МэВ позволяет просвечивать сплавы на основе железа толщиной до 450 мм или сплавы на основе алюминия толщиной до 1800 мм.

Радиография – это метод радиационного неразрушающего контроля, основанный на преобразовании радиационного изображения объекта контроля в радиографический снимок или записи этого изображения в запоминающем устройстве с последующим преобразованием в световое изображение. Метод используется для обнаружения макроскопических нарушений сплошности или однородности материалов ОК, возникающих при изготовлении, а также для выявления дефектов, появившихся в процессе эксплуатации машин, механизмов и т.п.

Для осуществления радиографии  необходимы следующие средства: источник излучения, преобразователь излучения, дополнительные принадлежности контроля (маркировочные знаки и т.п.), средства механизации и автоматизации  контроля, средства, защищающие людей  от воздействия  ионизирующих излучений. 

Радиографические пленки реагируют  на прошедшее через объект излучение. При выборе пленки необходимо учитывать, что для выпускаемых  радиографических пленок с повышением коэффициента контрастности  и разрешающей способности, т.е. с  повышением чувствительности к дефектам, падает квантовый выход пленки (возрастает время просвечивания).

Радиографические пленки подразделяют на два класса:

1 класс – безэкранные пленки, предназначенные для использования  без флуоресцентных экранов, или  с металлическими усиливающими  экранами;

2 класс – экранные пленки, предназначенные  для использования с флуоресцентными  усиливающими экранами в связи  с их высокой чувствительностью  к видимой и ультрафиолетовой  части спектра.

Метод промышленной радиографии основан  на том, что степень почернения радиографической пленки, находящейся в поле излучения, в некотором диапазоне плотностей почернений пропорциональна экспозиционной дозе. Это определяется тем, что плотность  почернения D пропорциональна числу  проявленных зерен, а экспозиционная доза Х зависит от числа квантов, приходящих на пленку.

Одной из важнейших характеристик  радиографических пленок является разрешающая  способность, которая характеризуется  количеством различимых штриховых  линий одинаковой толщины на длине  1 мм. Мелкозернистые пленки типа РТ-5, РТ-4М имеют более высокую разрешающую способность в отличие от крупнозернистых пленок типа РТ-З, РТ-1 и РТ-2.

Усиливающие металлические и флуоресцентные экраны применяют для сокращения времени просвечивания. Усиливающее  действие экранов характеризуется  коэффициентом усиления, определяемым отношением времен просвечивания без  экрана и с экраном.

Усиливающее действие металлических  экранов, используемых при контроле методом прямой экспозиции, определяется вторичными электронами, образующимися  в экране при прохождении через  него ионизирующего излучения. Экраны изготовляют из фольги тяжелых металлов (свинец, вольфрам, олово и др.), так  как она обеспечивает высокие коэффициенты усиления. Металлические экраны рекомендуется использовать с безэкранными радиографическими пленками РТ-1, РТ-З, РТ-4М, РТ-5. При их применении разрешающая способность изображения на пленках практически не ухудшается.

Усиливающее действие флуоресцентных экранов определяется действием  фотонов видимой, сине-фиолетовой, ультрафиолетовой и инфра красной области спектра, высвечиваемых из люминофоров при  прохождении через него ионизирующего  излучения.

Флуоресцентные экраны изготовляют  в виде пластмассовых или картонных  подложек, на которые наносят слой люминофора. Эти экраны рекомендуется  использовать с экранными радиографическими  пленками, поскольку спектральная чувствительность эмульсии пленки и спектр - свечения экранов хорошо согласуются. При  использовании флуоресцентных экранов  разрешающая способность изображения  на пленках существенно ухудшается из-за крупнозернистости экранов.

С помощью флуоресцентных экранов  получают меньшие    экспозиции, а при использовании металлических  экранов — лучшую чувствительность.

При радиографии применяют флуорометаллические  усиливающие экраны в виде свинцовой  подложки с нанесенным на нее слоем  люминофора. Они имеют больший  коэффициент усиления, чем металлические, и обеспечивают лучшую чувствительность, чем флуоресцентные экраны.

Рис. 1.1. -Схемы радиографического контроля:

Дальнейшим развитием радиографии  является радиационная вычислительная томография.

В отличие от обычной радиографии  объект просвечивается большим количеством  источников излучения, прошедшее излучение  фиксируется большим количеством  детекторов, изделие перемещается по определенной программе, результаты контроля запоминаются и анализируются с  помощью ЭВМ, а затем на основе созданной модели внутренней структуры  объекта формируется ее изображение  на экране, т.е. обеспечивается наглядность, отсутствующая при обычной радиографии.

С помощью радиационных методов  контроля выявляются трещины, непровары, непропаи, включения, поры, подрезы  и другие дефекты. Результаты контроля наглядны (кроме обычной радиометрии), поэтому по сравнению с другими  методами неразрушающего контроля при  радиационном контроле легче определить вид дефекта. Как правило, не требуется  высокая чистота поверхности  сварных швов и изделий, можно  контролировать сравнительно большие  толщины.

К недостаткам  радиационных методов необходимо прежде всего отнести вредность для  человека, в связи с чем требуются  специальные меры радиационной безопасности: экранирование, увеличение расстояния от источника излучения и ограничение  времени пребывания оператора в  опасной зоне. Кроме того, радиационными  методами плохо выявляются несплошности малого раскрытия (трещины, непровары), расположенные под углом более 7... 12° к направлению просвечивания, метод малоэффективен для угловых  швов.

Ксерорадиография позволяет исключить применение радиографической пленки. При этом достигается повышение производительности контроля за счет исключения трудоемкой фотообработки, а также уменьшение затрат в связи с исключением расхода серебра, входящего в состав пленки. В качестве детектора при ксерорадиографии используют специальные ксерорадиографические пластины, состоящие из проводящей подложки (алюминия, латуни, стекла или бумаги с проводящим покрытием), на которую нанесено полупроводниковое покрытие (чаще всего селеновое). В качестве источника излучения в основном используют рентгеновские аппараты, реже - радиоизотопные источники тормозного или γ-излучения. При ксерорадиографии заряжают ксерорадиографическую пластину с помощью коронного разряда и помещают в светонепроницаемую кассету. В процессе просвечивания селен становится проводником, происходит утечка заряда. Чем больше интенсивность прошедшего излучения, тем меньше остаточный заряд. Затем на пластинку наносят красящее вещество. Краситель переносят на бумагу контактным, способом, закрепляют на ней ацетоном или другим растворителем. Время контроля по сравнению с обычной радиографией уменьшается в десятки раз. Одна ксерорадиографическая пластина может использоваться до 1000 раз.

          Для контроля изделий из тяжелых элементов, для контроля наличия соединений водорода, бора, лития и других легких элементов в капсулах из тяжелых элементов, а также при контроле радиоактивных изделий используют нейтронное излучение, которое получают в ядерных реакторах либо с использованием радиоизотопных источников.

Нейтронная радиография  основана на облучении объекта контроля коллимированным  пучком нейтронов и регистрации  теневого изображения объекта на рентгеновской пленке или другом детекторе (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2. – Схема просвечивания при нейтронной радиографии:

1—источник  медленных нейтронов, 2—защита, 3—диафрагма, 4—затвор,

5—коллиматор, 6—пучок нейтронов, 7—изделие, 8—детектор, 9—камера.

Физической основой нейтронной радиографии является зависимость  излучения от химического состава  вещества и, прежде всего от его атомного номера и массового числа. В отличие  от рентгеновского и γ-излучений  эта зависимость для нейтронов  выражена более сильно. Большое значение нейтронной радиографии состоит  в возможности раздельного контроля химических компонентов материала.

Например, с использованием обычных  методов контроля нельзя даже обнаружить наличие легких или органических материалов на стали при близких  толщинах, а нейтронная радиография  позволяет контролировать детали размером ≈ 1 мм из органических материалов сквозь слои металлов толщиной в сантиметры. Это позволяет применять нейтронную радиографию при контроле композиционных материалов.

В зависимости от решаемой задачи поток нейтронов получают от маломощных радиоизотопных источников или устройств  типа ядерных реакторов. Нейтроны необходимых  энергий выделяются с помощью  металлических фильтров. Ввиду сильного взаимодействия нейтронов с водородосодержащими  материалами и другими элементами с малыми атомными номерами следует  обращать внимание на используемое оборудование, приспособления и тщательно готовиться к нейтронной радиографии.

Держатели, кассеты, маркировочные  знаки и т.п. должны быть изготовлены  из материалов, имеющих малое сечение  активации нейтронами, например, кассеты  и держатели – из алюминия, маркировочные  знаки – из кадмия. С поверхности  контролируемого изделия надо хорошо удалить все следы влаги, смазки и загрязнений, содержащих вещества, которые имеют большое сечение  взаимодействия.

Нейтронную радиографию используют при контроле: радиоактивных изделий  и деталей, в первую очередь тепловыделяющих  элементов ядерных реакторов; деталей  из некоторых легких материалов, например, пластмасс; слоистых многокомпонентных  материалов и тонких биологических  образцов, а также при обнаружении  водородосодержащих включений в  металлах.

Для регистрации нейтронного излучения  наиболее распространены рентгеновские  и фототехнические пленки и детекторы, состоящие из нитроцеллюлозы, слюды  и стекла. Для повышения воздействия  нейтронов на детекторы применяют  специальные экраны – преобразователи, которые изготавливают в виде однородных тонких пластин или фольги.

Чувствительность к выявлению  дефектов методом нейтронной радиографии  при толщине стального изделия 10…80 мм  составляет 0,5…2%.

Протонная радиография

Она основана на использовании потока протонов (α-частиц) для НК и базируется на особенностях распространения и  взаимодействия их с веществом. Источниками  протонов служат те же аппараты, что  и при рентгено- и γ-графировании. Главной особенностью применения протонной  радиографии является контроль тонких изделий или их частей (типа листа, фольги и т.п.), поскольку протоны  поглощаются сравнительно тонкими  слоями. В отдельных случаях протонная  радиография обеспечивает более  высокую чувствительность (≈ 0,1%) по сравнению с рентгенографией.

Контроль с помощью позитронов

Данный метод контроля может  быть применен для определения накопления усталостных напряжений в металлах до появления усталостных трещин, нахождения величины и степени пластической деформации. Контроль основан на том, что в начальной стадии усталостных  явлений, когда образуются дислокации, в их области возникают отрицательные  заряды. Позитроны, облучающие металл, притягиваются к областям расположения дислокаций и взаимодействуют с  электронами. При аннигиляции (превращении) позитрона и электрона возникают  γ-кванты. По количеству γ-квантов и  среднему времени жизни позитронов можно определить начало усталостных  нарушений в металле.

Авторадиография

Она заключается в регистрации  собственного излучения изделия, в  простейшем варианте осуществляется помещением на поверхность контролируемого  образца мелкозернистой чувствительной фотопленки, на которой фиксируется  распределение ионизирующего излучения  от близкорасположенных участков. Метод  авторадиографии успешно применяют  для контроля полуфабрикатов и изделий, содержащих радиоактивные вещества в составе материала или какой-либо его части.

Средства радиоскопии

Радиоскопия основана:

- на просвечивании изделий ионизирующим  излучением,

- на преобразовании скрытого  радиационного изображения объекта  в световое или электронное  изображение,

- на  усилении и передаче этих  изображений непосредственно оператору  или на расстояние с помощью  оптических или телевизионных  систем для последующего визуального  анализа на выходных экранах.

При радиоскопии сварных соединений и изделий используют следующие  физические явления:

- люминесценцию кристаллических  веществ под действием ионизирующих  излучений

- фотоэффект под действием ионизирующих  излучений или вызванной ими  люминесценции

-  вторичную электронную эмиссию  при преобразовании электронных  изображений в электрические  сигналы.

Детекторами ионизирующих излучений  являются флуороскопические экраны (ФЭ), сцинтилляционные кристаллы (СК), радиационные электронно-оптические преобразователи (РЭОП), электронно-оптические усилители  яркости (ЭОП) и рентгеновидиконы (РВ).

Методы радиоскопии позволяют  исследовать контролируемый объект непосредственно в момент его  просвечивания. Поэтому сокращается  до минимума характерный для радиографии  разрыв во времени между началом  контроля и моментом получения заключения о качестве контролируемого объекта. Благодаря малой инерционности  радиоскопических систем объект можно  контролировать под различными углами к направлению просвечивания, при  этом повышается вероятность обнаружения  дефектов и обеспечивается возможность  контроля деталей и узлов как  в эксплуатационных условиях, так  и в условиях поточного производства.

Рисунок 1.3. – Общая схема системы рентгено-визуального контроля:

1—дефект, 2—преобразователь излучения, 3—изображение дефекта на преобразователе, 4—радиационное изображение, 5—объект, 6—ренгеновский луч.

Преобразователи  рентгеновского излучения

Рентгенооптические преобразователи  являются наиболее распространенными  средствами регистрации рентгеновского и γ-изображения. Для этих целей  используют поликристаллические (порошковые) и монокристаллические экраны.

Флуороскопические (порошковые) рентгеновские  экраны применяют для сокращения время экспозиции в рентгенографии, а также в качестве входных  элементов рентгеновских электронно-оптических преобразователей (РЭОП), для радиоскопии  флюорографии.

Яркость свечения экрана зависит от поглощенной дозы рентгеновского излучения  и увеличивается с повышением напряжения и тока рентгеновской  трубки.

Для расширения области применения рентгено-визуальных методов контроля необходимо применять более эффективные  преобразователи, например сцинтилляционные монокристаллические экраны, РЭОП и  т. д. Основная тенденция в разработке порошковых экранов - стремление улучшить частотно-контрастную характеристику экрана за счет уменьшения размеров зерна  люминофора. Яркость мелкозернистых люминофоров стремятся улучшить за счет усовершенствованной технологии.

Сцинтилляционные монокристаллические  экраны применяют для регистрации  рентгеновского и γ-излучения.

Монокристаллические экраны Nal (ТI) оказываются менее яркими, чем флуороскепические экраны, из-за малого значения коэффициента спектрального соответствия кривой видности. Однако по энергетическому выходу монокристаллические экраны CsI (ТI) уступают экранам NaI (TI).

В отличие от флуороскопических  экранов монокристаллические экраны обладают более высокой разрешающей  способностью.

Фоторезистивные полупроводниковые  преобразователи рентгеновского излучения. Термин «фоторезистор» объединяет широкий  круг материалов, изменяющих свое сопротивление  под действием различного рода излучений  электромагнитного спектра. Область  наблюдения фотопроводимости обширна  и охватывает материалы с удельным сопротивлением от 1 до 10¹⁸ Ом*см, включая металлы и сверхпроводники.

Фотопроводники являются бесшумными преобразователями, так как отношение  сигнал/ шум в фототоке практически  равно отношению сигнал/шум в  потоке поглощенных фотонов входного излучения. Следовательно, предельная чувствительность системы с фоторезистивным  входом определяется в основном флуктуациями числа поглощенных в фоторезисторе  квантов первичного излучения. 0птимальной для этого случая является величина, близкая к 1. Обычно разрешение фоторезистивных  приемников излучения составляет 2 — 5 лин/мм.

Из преобразователей с фоторезистивным  входом наибольшее применение получили рентгеновидиконы и электролюминесцентные  преобразователи.

Электронно-оптические преобразователи и усилители  рентгеновского изображения.

Яркость может быть увеличена с  помощью электронно-оптических преобразователей и усилителей яркости изображения, которые отличаются друг от друга  только тем, что их фотокатоды чувствительны  к различным областям спектра  электромагнитных волн. Например, в  усилителе фирмы «Филипс» на алюминиевой  подложке с одной стороны нанесены экран и фотокатод. Возможны другие варианты подложек (например, тонкая слюдяная пластинка).

Применяя ЭОП, можно просвечивать объекты при меньшем напряжении на рентгеновской трубке, чем при  использовании флуороскопического экрана.

При этом создаются лучшие условия  для формирования более контрастного рентгеновского изображения, и совместно  с высокой яркостью изображения  на выходном экране ЭОП улучшается выявляемость дефектов.

Разработаны рентгеновские электронно-оптические преобразователи (РЭОП) двух типов: РУ-135 и РУ-230. Предельная разрешающая способность  РУ-135 в центре составляет 1,5 — 1,8 пар  лин./мм, на краю рабочего поля 1,5 лин./мм, Для РУ-230 разрешающая способность  в центре равна 2 пары лин./мм, на краю --  1пара лин./мм. По ГОСТ 7512 — 69 дефектоскопическая чувствительность Ру-135 и РУ-230 при  радиоскопии стали толщиной до 20 мм составляет 3 — 5%. Коэффициент усиления яркости лучших образцов РУ-135 достигает (3 — 5) 10³, РУ-230 — (1,5+4,0) 10³. При использовании РЭОП РУ-135 и РУ-230 предельная толщина контролируемой детали из стали составляет 20 — 25 а из алюминия 50 — 80 мм.

В настоящее время развивается  метод рентгено-телевизионного контроля с использованием оптических ЭОП. Световое изображение с флуороскопического экрана предварительно усиливается  оптическим усилителем света, а затем, с помощью оптики, передается на фотокатод передающей телевизионной  трубки.

Средства радиометрии

Радиометрический метод радиационного  неразрушающего контроля (радиометрия) основан на измерении одного или  нескольких параметров ионизирующего  излучения после взаимодействия с ОК.

Радиометрия характеризуется высокой  чувствительностью, возможностью бесконтактного контроля движущихся объектов, высоким  быстродействием электронной аппаратуры и позволяет получить количественную информацию об изделии. Основной недостаток радиометрии – ее интегрирующие  свойства, т.е. одновременно регистрируются сигналы, как о дефектах,  так  и сопутствующие сигналы о  каких-либо локальных изменениях толщины или плотности материала объекта. Кроме того, на величину полезного сигнала существенно влияет рассеянное излучение. При радиометрии чувствительность контроля сильно зависит от его производительности.