ЕДИНЫЙ ЦЕНТР
НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
8 800 777 20 78Звонок по России бесплатный
Санкт-Петербург 8 812 640 40 13
Казань 8 843 211 21 31
Екатеринбург 8 343 384 56 58
Уфа 8 347 214 90 14
8 987 211 21 31
ndt@aprioris.ru | пн - пт 09:00 - 18:00

Достижения и проблемы промышленной рентгеновской томографии

Авторы статьи: Вайнберг Ирина Алексеевна Старший научный сотрудник, к. т. н.
Вайнберг Эдуард Ильич Президент, д. т. н.
Цыганов Сергей Геннадьевич Старший научный сотрудник
Шаров Михаил Михайлович Старший научный сотрудник

За последние два десятилетия промышленные рентгеновские компьютерные томографы стали привычным инструментом отработки технологии и повышения надежности ответственных изделий аэрокосмической, автомобильной и оборонных отраслей ведущих промышленных стран [1, 2].

Основные области применения промышленных томографов связаны с количественным изучением внутренней структуры сложных металлических и диэлектрических деталей, сборок и много слойных композитных конструкций, контроль которых с помощью радиографии или других традиционных методов НК неэффективен. Типичные примеры применения томографов: измерение толщины стенок охлаждаемых турбинных лопаток газотурбинных двигателей; дефектоскопия каталитических нейтрализаторов и головок блока цилиндров автомобильных двигателей внутреннего сгорания; диагностика правильности сборки и разноплотностей высокоэффективных боеприпасов; сертификация критических элементов космической техники – теплозащиты, обтекателей, турбинных колес, клапанов, навигационных и пиродатчиков; дефектоскопия композитных сопловых блоков и камер сгорания твердотопливных ракет; НК композитных лопастей и элементов авиационных конструкций; дефектоскопия ответственных резинокордных изделий; отработка технологии и сертификация разнообразных изделий из графита и углеродного волокна; дефектоскопия сложного корпусного литья, паяных и сварных соединений.

Представленные на рис.1–3 примеры обзорных и локальных томограмм (формата 2048 × 2048) композитных конструкций, сложных сборок, литья и турбинной лопатки, полученные с помощью томографов ООО «Промышленная интроскопия», дают представление об уникальных возможностях современных промышленных томографов.

В то же время, если сопоставить современный уровень развития техники и рынка промышленной томографии с успехами ее «прародителя» – медицинской томографической диагностики, то неизбежна более скромная оценка многолетних достижений промышленной томографии. Основных причин три:

  • кардинальные отличия физических свойств промышленных объектов контроля (плотности, элементного состава, размеров) и их несоответствие проникающей способности и техническим характеристикам современных источников тормозного излучения;
  • существенно меньшие размеры подлежащих обнаружению дефектов;
  • узость рынка инновационных технологий ответственных промышленных изделий аэрокосмического, автомобильного и оборонного назначения.

Эти факторы носят фундаментальный характер и определяют тенденции и перспективы развития промышленной рентгеновской томографии. Из таблицы, рассчитанной для стали (ρ = 7,8 г/cм3; Z = 26), исходя из предельной толщины в 6 слоев половинного ослабления L6 = 6 ∙ 0,693/µFe, видно, что при увеличении рабочего напряжения рентгеновских трубок от 100 до 450 кВ резко (в 3,3 раза) увеличивается и просвечиваемая толщина стали (область превалирующего фотоэлектрического поглощения для Z = 26). Однако при дальнейшем повышении ускоряющего напряжения от 450 до 9000 кВ (в области доминирующего комптоновского рассеяния) просвечиваемая толщина увеличивается крайне медленно, достигая трехкратного увеличения только при 5 МэВ, а при более высоких энергиях растет незначительно, а затем даже снижается. Для практически значимого увеличения контролируемой толщины стальных объектов не поможет переход на 600 кВ, а необходимы минифокусные источники излучения с энергией электронов не менее 1,5 МэВ, а еще лучше – минифокусные ускорители с энергией электронов 5 МэВ [7] при учете повышенных требований к радиационной защите подобных высокоэнергетических томографов. Однако и при этом стальное литье суммарной толщиной более 350 мм останется для рентгеновской томографии контроленепригодным. Правда для крупных, но тонкостенных стальных и титановых изделий, для алюминиевого литья и композитов ситуация более оптимистична. Для сравнения напомним, что в медицинской рентгеновской томографии физические свойства объекта контроля принципиально более адекватны проникающей способности низкоэнергетического тормозного излучения (ρ 1 г/cм3; Z 7,5), и для диагностики наиболее плотного медицинского объекта – голо- вы человека диаметром 20 см, достаточно невысокого напряжения 120 кВ (L6 20 cм).

Таким образом, для построения томографов толстостенного тяжелого стального литья и сборок необходимы иные подходы с выходом за рамки тормозного излучения. Повышение пространственного разрешения промышленных томографов является генеральным направлением повышения чувствительности к локальным дефектам в виде пор и включений, а также для повышения точности измерения элементов сложной внутренней структуры. Поэтому современная высококачественная томограмма промышленного объекта контроля содержит не менее 1024 × 1024 расчетных элементов, а представленные в этой статье томограммы – даже более 2048 × 2048. Сверх этого, благодаря ис- пользованию метода локальной томографии [8], общее отношение D/ l диаметра объекта контроля и минимально разрешаемого элемента томограммы может превосходить 104. Для сравнения укажем, что стандартом современной медицинской рентгеновской томографии является формат реконструируемых томограмм 512 × 512 при визуализации с интерполяцией до 1024 × 1024. Тем не менее, дальнейшее совершенствование промышленных томографов потребует еще большего роста значений D/ l, а, следовательно, пропорционального увеличения числа угловых ракурсов просвечивания, квадратичного роста размера файла томограммы и кубического роста трудоемкости реконструкции.

Рис. 1. Томограммы композитной лопасти и стального клапана

Важнейшим условием достижения высокого пространственного разрешения остается разработка новых минифокусных (0,2 мм) источников тормозного излучения с энергией от 1,5 до 5 МэВ и увеличенной в десятки раз мощностью экспозиционной дозы. Значительны перспективы повышения производительности промышленных томографов с использованием опыта медицинских многослойных спиральных томографов и томографов с двумерными цифровыми детекторами. Тем не менее, исследования динамики объемного разрушения, взрыва или других апериодических быстропротекающих процессов остаются пока недоступными для томографии из-за требования многоракурсности.

Таблица. Зависимость просвечиваемой толщины стали L6 от напряжения на рентгеновской трубке или энергии ускоренных электронов ускорителя Emax

Для практически значимого увеличения контролируемой толщины стальных объектов не поможет переход на 600 кВ, а необходимы минифокусные источники излучения с энергией электронов не менее 1,5 МэВ, а еще лучшеминифокусные ускорители с энергией электронов 5 МэВ при учете повышенных требований к радиационной защите подобных высокоэнергетических томографов. Однако и при этом стальное литье суммарной толщиной более 350 мм останется для рентгеновской томографии контроленепригодным. Правда для крупных, но тонкостенных стальных и титановых изделий, для алюминиевого литья и композитов ситуация более оптимистична.

Для сравнения напомним, что в медицинской рентгеновской томографии физические свойства объекта контроля принципиально более адекватны проникающей способности низкоэнергетического тормозного излучения (ρ 1 г/cм3);

Повышение пространственного разрешения промышленных томографов является генеральным направлением повышения чувствительности к локальным дефектам в виде пор и включений, а также для повышения точности измерения элементов сложной внутренней структуры. Поэтому современная высококачественная томограмма промышленного объекта контроля содержит не менее 1024 × 1024 расчетных элементов, а представленные в этой статье томограммы – даже более 2048 × 2048. Сверх этого, благодаря использованию метода локальной томографии [8], общее отношение D/ l диаметра объекта контроля и минимально разрешаемого элемента томограммы может превосходить 104. Для сравнения укажем, что стандартом современной медицинской рентгеновской томографии является формат реконструируемых томограмм 512 × 512 при визуализации с интерполяцией до 1024 × 1024.

В связи с непрерывным увеличением объема данных двумерных и трехмерных результатов томографического контроля неизбежен переход от интерактивной расшифровки томограмм опытным оператором к автоматической диагностике с формированием итогового протокола количественной оценки соответствия томографических результатов контроля и требований конструкторской документации на изделие. Автоматизация полного цикла количественной томографической диагностики наиболее оправ- дана для специализированных томографов узкого класса изделий, что повысит производительность и понизит зависимость от «человеческого» фактора при интерпретации результатов контроля. К сожалению, роль средств визуализации томограмм, затрат на двумерную и трехмерную графику и даже функции оператора ослабевают. Красота томографии уступает рациональности цифровых оценок

Таким образом, промышленные рентгеновские томографы вступили в пору зрелости и дальнейшие направления их развития обусловлены в основном фундаментальными факторами.

Рис.2. Обзорная и локальные томограммы композитного крыла
Рис.3. Томограммы головки блока цилиндров и турбинной лопатки
 

Как сэкономить?

Чтоб купить товар по минимальной цене необходимо:


Идет добавление в корзину...