автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка систем цифровой радиографии сканирующего типа для контроля цилиндрических объектов большого диаметра

На правах рукописи

Буллер Алексей Иванович

РАЗРАБОТКА СИСТЕМ ЦИФРОВОЙ РАДИОГРАФИИ СКАНИРУЮЩЕГО ТИПА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА

Специальность: 05.11.13. - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005055045

1 5 НОЯ 2012

Томск 2012

005055045

Работа выполнена в Институте неразрушающего контроля ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет».

Научный руководитель:

Кулешов Валерий Константинович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Ефимов Валерий Григорьевич, доктор физико-математических наук, профессор, Бийского технологического института (филиала Алтайского государственного технического университета), профессор кафедры «Информационных управляющих систем»

Карлов Юрий Кимович, кандидат технических наук, главный метролог ОАО «Новосибирский завод химконцентратов»

Ведущая организация:

Институт технических средств неразрушающего контроля «МГТУ МИРЭА», г. Москва.

Защита состоится 11 декабря 2012 г. в 17 ч. 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.269.09 при ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» по адресу: 634028, Россия, г. Томск, ул. Савиных, 7, ауд. 215.

С диссертацией можно ознакомиться в научно - технической библиотеке Национального исследовательского Томского политехнического университета по адресу: 634034, г. Томск, ул. Белинского, 55.

Автореферат разослан « 8 » ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.269.09 к.т.н., доцент "

Винокуров Б.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Интенсивное развитие нефте- и газодобывающей промышленности сопровождается необходимостью транспортировки углеводородов на большие расстояния по трубопроводам. Внешние и внутренние факторы в процессе эксплуатации трубопровода оказывают на него постоянное негативное воздействие, что приводит к образованию дефектов (дефекты сварных соединений, возникновение коррозии, трещин, пор и т.д.). Все это способно привести к техногенной катастрофе, значительному экологическому и материальному ущербу.

Транспортировка углеводородов в промышленных масштабах в основном осуществляется по трубопроводам диаметром более 1 метра и толщиной стальной стенки от 12 мм и более, состояние которых оценивается методами неразрушающего радиационного контроля. Следовательно, требуется радиационный контроль сотен километров трубопроводов большого диаметра. При проектировании высокоэффективных систем цифровой радиографии сканирующего типа (СЦРСТ) неизбежно возникает задача определения их оптимальных параметров и характеристик, обеспечивающих максимум производительности контроля при условии обеспечения СЦРСТ выявляемое™ дефектов заданного размера.

В ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» (НИ ТПУ) проводятся широкомасштабные научные исследования по определению оптимальных характеристик и созданию рентгеноскопических установок, удовлетворяющих решению данной задачи.

Подобные комплексы разрабатываются, изготавливаются и внедряются фирмами VJ Technologies Company (США), Envision Product Group (США).

Цель работы: - разработка и создание СЦРСТ для контроля объектов большого диаметра, оптимизированных по критерию максимума производительности контроля при условии обеспечения СЦРСТ выявляемое™ дефектов заданного размера.

Основные задачи:

- получить формализованное описание критерия оптимальности параметров СЦРСТ, предназначенных для контроля цилиндрических объектов большого диаметра, в виде максимума производительности контроля при условии обеспечения СЦРСТ выявляемое™ дефектов заданных размеров;

- оптимизировать по критерию максимума производительности контроля при условии обеспечения СЦРСТ выявляемое™ дефектов заданных размеров основные параметры данных систем с учетом возможности применения в них цифровой фильтрации результатов регистрации излучения;

- обосновать выбор и параметры сцинтиллятора детектора типа «сцинтиллятор-фотодиод» для эффективной энергии рентгеновского излучения;

- разработать СЦРСТ для проведения экспериментальных исследований;

- создать опытный образец СЦРСТ для контроля трубопроводов большого диаметра.

з

Методы исследований основываются на физических принципах взаимодействия квантов рентгеновского излучения с веществом и их регистрации. Теоретические исследования дополнены экспериментальной проверкой полученных результатов, проведенной с использованием методов экспериментальной физики. Анализ результатов натурных и вычислительных экспериментов проводился с помощью численных и статистических методов обработки экспериментальных данных.

Достоверность полученных теоретических и экспериментальных результатов обеспечивается измерением физических величин с погрешностью, не превосходящей 1 %, она подтверждена технической реализацией в опытном образце мобильного дефектоскопического комплекса. Полученные аналитические соотношения реализованы в численных алгоритмах и проверены для актуальных задач, освещаемых в современной литературе.

Научная новизна работы:

1. Впервые получено детализированное формализованное описание критерия оптимальности СЦРСТ, предназначенных для контроля цилиндрических объектов большого диаметра, в виде максимума производительности контроля при условии обеспечения СЦРСТ выявляемое™ дефектов заданных размеров;

2. Решена задача оптимального выбора параметров СЦРСТ, предназначенных для контроля цилиндрических объектов большого диаметра, по критерию максимума производительности контроля при условии обеспечения СЦРСТ выявляемое™ дефектов заданных размеров с учетом цифровой фильтрации результатов регистрации излучения;

3. Разработана, испытана и внедрена СЦРСТ для контроля трубопроводов большого диаметра, оптимизированная по критерию максимума производительности контроля, при условии обеспечения СЦРСТ выявляемое™ дефектов заданного размера.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в результате диссертационных исследований аналитические выражения и алгоритмы расчета научно обосновывают проектирование, рациональный выбор и повышают эффективность оценки параметров систем цифровой рентгенографии на основе линейных детекторов и источников рентгеновского излучения для трубопроводов большого диаметра.

Реализация результатов работы. Результаты выполненных исследований использованы при разработке ренттентелевизионной системы для радиационного контроля нефте- и газопроводов большого диаметра (Институт неразрушающего контроля (ИНК НИ ТПУ) и используются при чтении курса лекций для студентов электрофизического факультета НИ ТПУ по дисциплине «Неразрушающие методы контроля». Результаты, полученные в ходе экспериментальных исследований на прототипе установки, использованы при разработке мобильного дефектоскопического комплекса, предназначенного для контроля трубопроводов большого диаметра, который успешно прошел экспертизу технической документации и аттестационные испытания в ОАО «Газпром», г. Москва.

Личный вклад автора:

- в разработке плана экспериментальных работ, проведении экспериментальных исследований, обработке результатов экспериментальных исследований;

- состоит в теоретическом обосновании, подборе оптимальных параметров сканирующей системы цифровой радиографии для контроля цилиндрических объектов большого диаметра, обеспечивающих максимальную производительность с выявляемостью дефектов заданного размера;

- в разработке алгоритмического и программно-технического обеспечения дефектоскопических комплексов;

- разработке мобильного дефектоскопического комплекса на базе СЦРСТ для контроля трубопроводов большого диаметра;

-в определении перспективных направлений дальнейшего развития исследований в данной области.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались: на научно-технических семинарах ИНК НИ ТПУ; на 8-ой международной конференции по неразрушающему контролю, Москва, 18-20 марта 2009 г.; на международной школе-семинаре для магистров, аспирантов и молодых ученых, посвященной памяти профессора Хорста Герольда (Университет им. Отто фон- Герике, Магдебург, Германия), 26-30 июня 2009 г.; на международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, ТПУ, 4-8 мая 2009 г.; на международной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения профессора А.А.Воробьева - Томск, ТПУ, 14-16 сентября 2009 г.; на Уральской конференции «Физические методы неразрушающего контроля», Екатеринбург, 6-8 апреля 2009 г., на 10-й Европейской конференции по неразрушающему контролю, Москва 711 июня 2010 г.; на Всероссийской научно-технической конференции «Физические основы диагностики материалов и изделий и приборы для ее реализации», 12-13 ноября 2010 г.; на II международной научно-практической конференции молодых ученых «Ресурсоэффективные технологии для будущих поколений» 23-25 ноября 2010 г.; на 18-ой Всемирной конференции по неразрушающему контролю - 16-20 апреля 2012 г. - Дурбан - ЮАР.

Разработанный мобильный дефектоскопический комплекс, предназначенный для автоматического цифрового рентгенографического контроля трубопроводов успешно прошел аттестацию в ОАО «Газпром». Комплекс прошел апробацию на площадках ОАО «Газпром трансгаз Томск». На разработку подана заявка на патент, номер заявки 2012116783 от 25.04.2012, получено положительное решение формальной экспертизы.

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 15 печатных работах, из них 6 статей опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников. Объем диссертации составляет 151 страницу машинописного текста, в том числе 36 рисунков, 15 таблиц, 118 наименований использованных источников.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Совокупность соотношений для оптимального выбора значений основных параметров СЦРСТ по критерию максимума производительности контроля при условии обеспечения СЦРСТ выявляемое™ дефектов заданного размера.

2. Обоснование выбора материала сцинтиллятора и его параметров в детекторах типа «сцинтиллятор-фотодиод» для эффективной энергии рентгеновского излучения;

3. Результаты экспериментальных исследований, полученных с использованием СЦРСТ в лабораторных условиях;

4. Опытный образец оптимизированной мобильной СЦРСТ, предназначенный для автоматического контроля сварных соединений и основного металла труб газопроводов диаметром 1020-1220 мм.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, определена научная и практическая ценность результатов, дана общая характеристика выполненной работы.

В первой главе проведен обзор литературных данных, посвященный анализу современного состояния и развития систем цифровой рентгенографии, широко использующихся в промышленной дефектоскопии, в медицинской диагностике, досмотре и т. д., обоснованы основные задачи диссертационных исследований.

Современное состояние неразрушающего радиационного контроля характеризуется интенсивным развитием и широким распространением систем цифровой радиографии (СЦР), в которых радиационное изображение просвечиваемого объекта контроля (ОК) преобразуется в цифровой сигнал. В дальнейшем этот цифровой сигнал заносится в память компьютера и перераспределяется в двумерный массив измерительных данных, который может подвергаться различным видам цифровой обработки (контрастирование, масштабирование, сглаживание, фильтрация и т.п.) и, наконец, воспроизводится на экране графического дисплея в виде полутонового изображения, непосредственно воспринимаемого оператором или анализируемого ЭВМ.

Источниками излучения в данных системах обычно являются рентгеновские аппараты, в ряде случаев применяются бетатроны и линейные ускорители.

По принципу формирования рентгеновского изображения (РИ) существующие СЦР можно разделить на два типа:

- системы с двумерными преобразователями (детекторами) РИ;

- системы, использующие принцип сканирования ОК веерным пучком излучения или «бегущим лучом».

Но наиболее распространенной принято считать классификацию по способам детектирования РИ. Это системы на основе оцифровки традиционных рентгенограмм, системы на основе запоминающих люминофоров, системы на основе фоторезистивных экранов, системы на основе усилителей радиационных изображений, системы на основе двумерных матричных детекторов,

б

сканирующие системы на основе линейки одномерных матричных детекторов, сканирующие системы на основе «бегущего рентгеновского луча».

В обзоре литературы описаны принципы действия и уровень развития вышеуказанных систем на современном этапе, отмечены их преимущества и недостатки, приведены примеры РИ. В результате анализа литературных данных был сделан вывод, что в настоящее время среди различных типов СЦР одними из наиболее перспективных для контроля цилиндрических объектов большого диаметра являются сканирующие системы на основе линейки одномерных матричных детекторов. Это обусловлено целым рядом существенных преимуществ данных систем перед остальными, а именно: значительно более низкими дозами излучения, что обеспечивает безопасность контроля; большим динамическим диапазоном; возможностью получения снимков большой длины (отсутствие «сшивок» между отдельными фрагментами снимка), что особенно актуально при контроле протяженных ОК; минимальной выраженностью или полным отсутствием геометрических искажений; высокой контрастной чувствительностью при низких дозах излучения; высокой эффективностью регистрации излучения, приводящей к высокой производительности контроля; высокой восприимчивости к автоматизации; более низкой стоимости установок по сравнению с существующими цифровыми двумерными системами при сохранении сходного качества РИ.

В рамках развития этого направления были сформулированы основные задачи исследований.

Во второй главе обоснован выбор материала сцинтиллятора и его параметров в детекторах типа «сцинтиллятор-фотодиод» для эффективной энергии рентгеновского излучения для контроля цилиндрических объектов большого диаметра и рассмотрены возможные варианты цифровой фильтрации РИ СЦРСТ.

Преобразователи рентгеновского излучения для СЦРСТ чаще всего изготавливают из люминесцентных материалов на основе вольфрамита кадмия С<Ш04 и цезий-йода, активированного таллием Сх!(Т1). Этот выбор определяется, прежде всего высокой эффективностью регистрации рентгеновского излучения, которая обусловлена большим атомным номером, высокой плотностью и максимальной конверсионной эффективностью данных люминесцентных материалов и высокой прозрачностью к собственному излучению.

Однако существует ряд параметров преобразователя, способных ограничить возможность применения того или иного сцинтиллятора в быстродействующих системах. Одним из таких параметров является послесвечение сцинтиллятора. На рис. 1 показана амплитуда времени высвечивания сцинтилляторов Сх1(Т1) и С(1У/04.

Рис. 1. Амплитуда времени высвечивания сцинтилляторов С$1(Т1) и С(Ш04 Определяющим фактором в выборе сцинтиллятора для СЦРСТ, обеспечивающего высокую производительность контроля, стала медленная компонента послесвечения сцинтиллятора. Время полного высвечивания сцинтиллятора Сз1(Т1) составляло до 100 с. После 100 мс амплитуда этого высвечивания составляла 5-10% от амплитуды первоначального сигнала, но имела накопительный характер, что приводило к появлению нерезкости при наложении структур и появлению «смазывания» РИ и негативно влияло на быстродействующие СЦР. Это также оказывало влияние на контрастность изображения, внося свой вклад в фон РИ. Следует отметить, что медленная компонента сцинтиллятора С(Ш04 после 100 мс по амплитуде не превышала 0,1% от первоначального сигнала.

Толщина сцинтиллятора в направлении просвечивания выбиралась из соображений максимальной эффективности регистрации рентгеновского излучения. Эффективность регистрации различных толщин сцинтиллятора Сй\У04 при различных энергиях излучения представлена на рис. 2.

---——11111---——мм — I

10 100 1,000 10.000 Эвгргм »В

Рис. 2. Квантовая эффективность взаимодействия различной толщины сцинтиллятора С(Ш04,

Принципиально возможны две основных схемы сканирования ОК -продольная и поперечная. В случае с цилиндрическим ОК большого диаметра наиболее предпочтительной является поперечная схема сканирования, когда ось линейки радиометрических детекторов параллельна оси цилиндра (рис. 3). Перемещение детекторов и источника ионизирующего излучения осуществляется в направлении, перпендикулярном оси цилиндра, с пошаговым сдвигом на 1 строку линейки детекторов вокруг оси цилиндра.

Линейна — детекторов

ИИИ

Направление сканирования

Рис. 3. Схема контроля цилиндрических ОК большого диаметра.

(ИИИ - источника ионизирующего излучения) Для улучшения качества диагностики и увеличения производительности данные, считанные с детектора, проходят предварительную обработку в виде калибровки и цифровой фильтрации. Функциональная схема цифровой фильтрации показана на рис. 4.

Ля)

№

т

Рис. 4. Функциональная схема цифровой фильтрации, (а - функциональная схема реализации цифровой фильтрации, б - этапы цифровой фильтрации) Непрерывный сигнал х(г) поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который фиксирует значения х(п) сигнала в дискретные моменты времени ? =пТ, п = 0,1,... N и преобразует их в цифровой код в виде двоичного числа. Последовательность х(п) поступает в процессор, состоящий из

арифметического устройства (АУ) и памяти (П). В процессоре осуществляется преобразование последовательности х(п) в соответствии с определенным алгоритмом. В результате на его выходе образуется последовательность у(п). Последовательность у(п) поступает на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), в котором текущее значение у(п), представленное в цифровом виде, преобразуется в постоянное напряжение, удерживаемое в течение соответствующего интервала дискретности. На выходе ЦАП формируется непрерывный сигнал y(t) в виде ступенчатой функции (рис. 46). С помощью аналогового фильтра низких частот (ФНЧ) устраняются высокочастотные колебания и выходной сигнал уЛ(Г) цифрового фильтра приобретает сглаженный вид.

Необходимость обработки также связана со следующими особенностями работы детектора. Во-первых, в каждом пикселе регистрируется электрический сигнал даже в случае отсутствия рентгеновского излучения (так называемый темновой ток). Во-вторых, из-за того, что невозможно изготовить абсолютно одинаково чувствительные зоны детекторов, существует некоторый разброс в величинах сигналов для разных пикселей, даже если они регистрируют одинаковое количество излучения. Чтобы устранить этот эффект, для каждого пикселя используют поправочный коэффициент, который умножают на полученное значение сигнала в пикселе. На рис. 5. приведены рентгенограммы сварного шва с использованием калибровки и цифровой фильтрации (а) и без использования их (б).

Рис. 5. Рентгенограмма сварного шва: а - с калибровкой по опорному каналу,

темновому току и с фильтром низких частот, б - без калибровки по опорному каналу и темновому току и без фильтра низких частот.

Третья глава посвящена определению оптимальных параметров СЦРСТ, предназначенных для контроля цилиндрических объектов большого диаметра.

Для систем неразрушающего радиационного контроля и диагностики одним из обобщенных критериев оптимальности их функционирования является максимум производительности контроля при условии обеспечения системой выявляемое™ дефектов заданных размеров. Поскольку между размером а выявляемого дефекта и пространственной разрешающей способностью (РС) системы существует прямая зависимость

* = —, (О

2 а

представляется разумным использовать в дальнейшем следующий обобщенный критерий оптимальности выбора параметров СЦРСТ - максимум

производительности контроля при условии обеспечения СЦРСТ заданной разрешающей способностью (РС).

Очевидно, что при веерной геометрии просвечивания ОК, которая используется для рассматриваемой нами СЦРСТ, производительность контроля фактически будет целиком определяться скоростью и сканирования (перемещения) ОК.

Что же касается условия обеспечения системой контроля (СК) заданной РС /?0, то оно может быть представлено так: /?>/?„.

Следовательно, критерий оптимальности в виде будет иметь

следующее формальное описание:

и вир (2)

при условии

Я>Я„- (3)

Неравенство (3) будет выполнено, если будет верно неравенство >; о(у„уу)>к. (4)

Здесь /XV,,V,) - двумерная ЧКХ системы; V г,- пространственные частоты

вдоль соответствующих координатных осей; К - относительный пороговый контраст.

Исходя из этого критерий оптимальности (2), (3) может быть преобразован к следующему виду:

и —» вир (4)

при условии

>; (5)

Получено детализированное описание критерия (4), (5) применительно к СЦРСТ. А именно: и->Бир при условии

inf

Isin^jfc)!

WÁ

. ( V, \

sin п—:— ?

^ cosa J

i'5

к—— g

cosa

sin irv,vT

лv,vT

•cos^^r^cos к——g • rect{vxvT)-rectl v.

M-l M-1

£ £Y(m,i) eos

=-(Af-l)t=-(,W-l) Л/-1 W-I

I !>,*)

2n\ vrmuT + v,k

I m=-(Af-l)t—(Af-ll

cosa )

2тг| +

eos a I

(6)

M-] Af-1

í, £ XсЧтЛ)

m=-^м-\)t=-^м-\)

JbgT '

Здесь Ь и g - соответственно длина и ширина апертуры отдельного детектора из линейки; а - угол между осью Ог (осью симметрии рабочего пучка излучения от источника) и направлением от источника на крайний (любой из крайних)

и

детектор линейки (фактически угол а совпадает с половинным углом раствора рабочего пучка излучения); Т - время регистрации излучения (постоянная

времени каждого из временных интеграторов); Ц ^„-эффективность

\£0

регистрации излучения детектором; Ь - обобщенный параметр СЦРСТ; аКоЛ

L =

к ехр ■ F'1 РДат)

V eos а

(1)

г! - коэффициент амплитудного разброса электрических импульсов с выхода отдельного детектора линейки; кг- радиационный контраст; ¡л - линейный коэффициент ослабления излучения для материала ОК; Еэфф - эффективная энергия излучения за ОК; Н - толщина ОК; ^ - фокусное расстояние; Р0(а)-суммарный квантовый выход источника в единицу времени в единичный телесный угол, центрированный относительно направления от источника на крайний детектор линейки; |с(шД)}- импульсный отклик цифрового фильтра, который предполагается удовлетворяющим условию нормировки

М-1 М-1

£ £с(тД) = 1; (8)

М - некоторое натуральное число. Величина (2М-1)2 при этом интерпретируется как площадь апертуры (окна) цифрового фильтра;

Решена задача оптимального выбора параметров и импульсного отклика {с(/л,/с)} цифрового фильтра по критерию (4), (6), т.е. по критерию максимума

производительности контроля при условии обеспечения СЦРСТ заданной РС. В итоге, с учетом соотношения (1), получено, что

, а3 сое от

= 0,192-

ц

(9)

- максимум производительности контроля, который достигается при следующих оптимальных значениях параметров СЦРСТ:

1,42^

b<,pi = 0,88а; g = 0,37а eos а; Т

(10)

a eos а

При этом оптимальный импульсный отклик цифрового фильтра будет представлен в виде табл. 1.

Табл. 1. - Оптимальные значения отсчетов с(т,к) импульсного отклика

-1 0 1

-1 0,0877 0,1249 0,0874

0 0,1212 0,1582 0,1209

1 0,0875 0,1248 0,0875

Таким образом, нами получены оптимальные значения длины и ширины апертуры отдельного чувствительного элемента из линейки детекторов, времени регистрации излучения и оптимального импульсного отклика цифрового фильтра, при которых достигается максимум производительности контроля при условии обеспечения СЦРСТ выявляемое™ дефектов заданного размера для случая, когда в СЦРСТ осуществляется цифровая фильтрация результатов регистрации излучения.

После оптимизации параметров рентгенографической системы контроля были определены предварительные требования к её отдельным составляющим, что позволило перейти к практической части исследований.

В четвертой главе описана сканирующая система цифровой рентгенографии, разработанная и собранная при участии автора данной работы.

Мобильный дефектоскопический комплекс для цифрового рентгеновского контроля трубопроводов осуществляет непрерывное сканирование с помощью механизма позиционирования как в продольном направлении, так и по окружности трубы в пределах 360' и формирует непрерывную цифровую рентгенограмму сварного шва длиной 3-4 м в зависимости от длины окружности трубопровода. Внешний вид комплекса показан на рис. 6.

Рис. 6. Мобильный дефектоскопический комплекс на трубопроводе диаметром 1020 мм и толщиной стенки 12 мм. 1 - источник рентгеновского излучения; 2- линейка детекторов; 3 - трубопровод (ОК); 4 - механизм позиционирования; 5 - дефектоотметчик. Рассчитаны оптимальные параметры мобильного дефектоскопического комплекса:

- требуемый к выявлению размер дефекта а = 0,55мм, тогда требуемая РС составляет 0,9 пар.лин/мм;

- оптимальная длина апертуры детектора Ьпр1 = 0,88 ■ а = 0,484лш;

- оптимальная ширина детектора gop! = 0,37 • а • сш а = 0,2.«.«;

- толщина детектора /¡,ч = 3мм;

- толщина ОК по стали н = 24мм;

- эффективная энергия рентгеновского излучения Е^ = I ЮкчВ;

- линейный коэффициент ослабления для 24 мм стали = 1,31с«"1;

- радиационный контраст кг = 2%;

- интенсивность ИИИ 9,25 Р/мин на расстоянии 1 м;

- плотность потока квантов излучения на расстоянии 1,2 м от источника вдоль оси пучка излучения (оси О г) при отсутствии ОК, см 2с':

N. =-^--- = 2,488-108сдГ2С-,; (11)

- суммарный квантовый выход источника в единицу времени в единичный телесный угол, центрированный около направления от источника на один из крайних детекторов линейки:

РЛа) = у/„(а)Л 0,954 - /V, = 3,577 ■ 1012 — ; (12)

с

- обобщенный параметр СЦРСТ

Ь =-, _ М"щЛ „ = 0,046-

к ехр •F-2-P„(a)

\ eos а

л4о

(13)

1.42ÍÍ 1,42-0,046 1Л_з . плл

- время регистрации излучения: Г„, = -1—— =-5— = 9,846-10 с; (14)

a cosa 0,55

- максимум производительности системы с оптимальными параметрами длины и ширины апертуры отдельного детектора из линейки, времени регистрации излучения и оптимальным импульсным откликом цифрового фильтра при условии обеспечения СК выявляемое™ дефектов заданного

размера:« = o.i 92 c°s а = о,192 = 15,23 мм/с. (15)

Ц 0,046

На данном комплексе произведены экспериментальные исследования:

1. По оценке производительности системы с оптимальными параметрами, обеспечивающими максимум производительности контроля при условии обеспечения СЦРСТ выявляемое™ дефектов заданного размера для случая, когда в СЦРСТ осуществляется цифровая фильтрация результатов регистрации излучения.

а)

б)

Рис. 7. Рентгенографические изображения, сварного шва трубы диаметром 1020 мм с суммарной толщиной по стали 24 мм: а - без использования цифровой фильтрации при скорости сканирования 5 мм/с; б - с использованием цифровой фильтрации при скорости сканирования 15 мм/с. 2. По оценке соответствия максимума производительности системы с оптимальными параметрами длины и ширины апертуры отдельного детектора из линейки, времени регистрации излучения и оптимального импульсного отклика цифрового фильтра при условии обеспечения системой контроля (СК) выявляемое™ дефектов заданного размера для случая, когда в СК осуществляется цифровая фильтрация результатов регистрации излучения, а)

б)

В)

Рис. 8. Рентгенографические изображения, сварного шва трубы диаметром 1020 мм с суммарной толщиной по стали 24 мм: а - скорость 30 мм/с без

применения цифровых фильтров; б -скорость 15 мм/с; в - скорость 5 мм/с.

Результаты экспериментов, проведенных на мобильном дефектоскопическом комплексе, были сопоставлены с полученными ранее теоретическими результатами.

Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод о возможности создания СЦРСТ для контроля цилиндрических объектов большого диаметра, таких как нефте- и газопроводы, на основе рентгеновского источника с энергией от 170 кэВ и блока регистрации с детекторами CdW04 + фотодиод с кристаллом размером 0,2x0,5x3 мм3, обладающей чувствительностью 2%, досягаемостью по толщине 24 мм (для энергии 170 кэВ), способной выявлять дефекты, размером более 0,55 мм при скорости сканирования (производительности контроля) 15 мм/с.

Следует также заметить, что увеличение эффективной энергии квантов до 280 кэВ (эффективная энергия стандартного рентгеновского аппарата РАП 300 с номинальным анодным напряжением 300 кВ, выпускаемого компанией ООО «Фотон», г. Томск) при аналогичных параметрах OK, размерах выявляемого дефекта более 0,55 мм и контрастной чувствительности 2%, повышает скорость контроля в 2,4 раза.

Применение СЦРСТ вместо рентгенографического метода позволяет значительно увеличить производительность контроля без потерь выявляемое™ дефектов, что, в свою очередь, увеличивает производительность сварочных работ при монтаже и ремонте трубопроводов, а также снижает затраты как материальных, так и трудовых ресурсов. Также обеспечивается обработка цифровых рентгенограмм без геометрических искажений и с высоким контрастом, которая способна повысить производительность контроля в 3 раза.

На заключительном этапе был создан мобильный дефектоскопический комплекс для контроля трубопроводов диаметром 1020 мм, и толщиной стенки 12 мм, представленный на рис. 9. На данной рентгентелевизионной установке получены следующие характеристики:

Параметры

Величина

Разрешающая способность, пар.лин/мм

Чувствительность, %

Скорость сканирования, мм/с

Анодное напряжение, кВ

Анодный ток, мА

Интенсивность излучения на расстоянии 1 м, Р/мин

Размеры фокусного пятна, мм

Частота импульсов формирования рентгеновского излучения, Гц

Длительность импульса, мкс

Ширина рабочего пучка, "

Число каналов линейки детекторов, шт

Размеры детектора, мм

Тип сцинтиллятора

Рис. 9. Мобильный дефектоскопических комплекс. Табл. 5 - характеристики мобильного дефектоскопического комплекса

СсМ04

В заключении рассмотрены перспективы применения результатов диссертационной работы и определены дальнейшие направления исследований.

В данной работе был реализован комплекс аппаратуры и программное обеспечение для цифровой радиографии сварных соединений магистральных трубопроводов, испытания которых в лабораторных и полевых условиях продемонстрировали технические возможности комплекса, превосходящие возможности аналогичных зарубежных образцов.

Приведенный пример практического применения подтверждает преимущества полученных оптимальных параметров СЦРСТ, разрабатываемых по критерию максимальной производительности контроля обеспечивающего заданную выявляемость дефекта. Соотношения, на основании которых были рассчитаны оптимальные параметры, могут быть применены при проектировании новых систем контроля цилиндрических объектов большого диаметра.

Дальнейшие исследования по расширению возможностей метода цифровой радиографии проводятся в институте в направлении расширения спектра приемников рентгеновского излучения от 50 кэВ до 10 МэВ с целью проведения контроля материалов и изделий в широком диапазоне толщин и плотностей, а также повышения чувствительности к обнаружению локальных неоднородностей до 0,7 - 1 %.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведен аналитический обзор современного состояния и развития систем цифровой радиографии, в ходе которого выявлено, что для контроля цилиндрических объектов большого диаметра с высокой производительностью наиболее перспективными являются системы цифровой радиографии сканирующего типа.

2. Дано обоснование выбора сцинтиллятора для детектора типа «сцинтиллятор-фотодиод» для СЦРСТ с высокой производительностью контроля, способного обеспечить высокую эффективность регистрации рентгеновского излучения при заданной эффективной энергии, не приводящего к появлению нерезкости при наложении структур, «смазыванию» рентгеновского изображения и снижению контраста РИ.

3. Получено детализированное формализованное описание критерия оптимальности СЦРСТ в виде максимума производительности контроля при условии обеспечения СЦРСТ выявляемое™ дефектов заданных размеров.

4. Получены оптимальные значения длины и ширины апертуры отдельного детектора из линейки, времени регистрации излучения и оптимальный импульсный отклик цифрового фильтра, при которых достигается максимум производительности контроля при условии обеспечения СК выявляемое™ дефектов заданного размера для случая, когда в СК осуществляется цифровая фильтрация результатов регистрации излучения.

5. Определены значения основных параметров СЦРСТ как без учета, так и с учетом цифровой фильтрации результатов регистрации излучения. Применение цифровой фильтрации позволяет повысить максимум производительности контроля

в 3,2 раза.

6. Совокупность полученных соотношений была использована в ФГБОУ ВПО «НИ ТПУ» ИНК (г.Томск) при проектировании мобильного дефектоскопического комплекса для контроля трубопроводов большого диаметра (1020 мм) с толщиной стенки 12 мм для ОАО «Газпром».

ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание диссертации изложено в следующих печатных работах:

1. Буллер А.И., Кулешов В.К. Оптимизация параметров люминесцентных преобразователей и условий просвечивания. // Известия Томского политехнического университета, 2008 - т. 312, - № 2(приложение). (88834070). с. 106-109.

2. Москалев Ю.А., Буллер А.И., Бабиков С.А. Люминесцентные преобразователи рентгеновского излучения для медицинской и технической диагностики и систем неразрушающего контроля. // Дефектоскопия. - 2011. -№11 - С. 18-23.

3. Удод В.А., Клименов В.А., Буллер А.И., Усачев Е.Ю., Темник А.К. Оптимизация основных параметров многокональных сканирующих систем цифровой радиографии. VIII Международная научная конференция «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах».

4. Буллер А.И., Бабиков С.А. Москалев Ю.А., Кулешов В.К. Исследование морфологии преобразователей излучения для медицинской диагностики и дефектоскопии. // Контроль. Диагностика. - 2011- Специальный выпуск -С. 12 -16.

5. Буллер А.И., Федотов Н.М., Оферкин А.И., Ларионов Д.Ю., Разумов А.Ю. Разработка ротационного рентгеновского аппарата с кольцевым штативом для оперативного создания 3D изображений сердца. // Доклады ТУСУР. - 2010. - Ч. 2 - С. 97- 101.

6. Куликова М.В., Прокудин И.А., Буллер А.И., Косинцев В.И., Сечин А.И., Бордунов C.B. Анализ физико-химических процессов удаления солей жесткости энтальпийным методом расчеты с применением приложения excel. // Фундаментальные исследования - 2010 - №12 - с. 105-111.

7. Klimenov V. А. , Buller А. I. , Moskalev Y. А. , Chakhlov S. V. , Shteyn M. M. Mobile digital radiography system for nondestructive testing of large diameter pipelines. //Контроль. Диагностика. -2012- № 13-С. 185- 189.

8. Буллер А.И., Москалев Ю.А., Глазков A.B. Передвижной рентгеновский дефектоскоп для контроля качества сварных швов трубопроводов // Физические методы неразрушающего контроля: Труды XXIV Уральской конференции Физические методы неразрушающего контроля: Труды XXIV Уральской конференции - Екатеринбург, 6-8 апреля 2009. - Екатеринбург: СО РАН - 2009. -(11983456)-с. 39.

9. Буллер А.И., Москалев Ю.А. Применение отсеивающего растра в дефектоскопии. // Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности: Сборник материалов 8-ой международной конференции -

Москва, СК «Олимпийский», 18-20 марта 2009. - Москва: Издательский дом -(3496318).-2009. с. 152-154.

10. Буллер А.И., Клименов В.А., Вавилов В.П., Авдеева Д.К., Белкин Д.С. Диагностика и неразрушающий контроль новых материалов, изделий и конструкций // Труды Международной школы-семинар для магистров, аспирантов и молодых ученых посвященной памяти профессора Хорста Герольда (Университет им. Отто-фон-Герике, Магдебург, Германия). Новые технологи, материалы и инновации в производстве. - 2009. - С. 46-54.

11. Буллер А.И., Москалев Ю.А., Кулешов В.К. Исследование динамических характеристик люминесцентных преобразователей // Томск: Изд. ТПУ, - 2009 - Т. 1,-(31220196).-с. 144-145.

12. Буллер А.И., Москалёв Ю.А., Глазков А.В., Дмитров А.А., Кулешов В.К. Рентгеновские интроскопы для контроля качества материалов и изделий // Становление и развитие научных исследований в высшей школе: Сборник трудов Международной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения профессора А.А.Воробьева - Томск, ТПУ, 14-16 сентября 2009. - Томск: Изд. ТПУ - 2009 - т. 2. - (31212052) - с. 38-44.

13. Buller A.I., Moskalev J.A., Kuleshov V.K., Application of the Interference Research Technique of a Surface for Quality Assurance and Scintillation Crystals and microelectronics Technique //10-я Европейская Конференция по Неразрушающему Контролю и Выставке Средств НК, Москва: печатный дом «Спектр», - 2010 - ч. 2 - (978-5-904270-27-8) - с. 300-302.

14. Буллер А.И., Бабиков С.А., Москалев Ю.А. Изготовление люминесцентных преобразователей ионизирующего излучения высокого разрешения для рентгеновских интроскопов // Всероссийская научно-техническая конференция «Физические основы диагностики материалов и изделий, и приборов для ее реализации»,- 2010 - ISBN 978-5-9961-0276-1 - с. 89-94.

15. Буллер А.И., Бабиков С.А., Москалев Ю.А. Влияние различных факторов на качество и характеристики люминесцентных преобразователей высокого разрешения для рентгеновских интроскопов изготовленных экспериментальным путем // II Международная научно-практическая конференция молодых ученых «Ресурсоэффективные технологии для будущих поколений» 23-25 ноября 2010 года, - г. Томск, ТПУ -2010.-е. 69-71.

16. Буллер А.И., Оферкин А.И., Жарый С.В., Федотов Н.М., Петш А.И., Гущин И.В. Трехмерная ротационная атрио-вентрикулография при катетерной аблации аритмий. // Материалы Третьего Всероссийского съезда аритмологов -Анналы аритмологии. - 2009. - № 2.,- с.137-147.

ISO 9001

Подписано к печати 06.11.2012. Формат 60x84/16. Бумага «Снегурочка». Печать XEROX. Усл. печ. л. 1,22. Уч.-изд. л. 1,11.

_Заказ 1221-12. Тираж 100 экз._

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Система менеджмента качества Издательства Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту BS EN ISO 9001:2008

издательство тпу. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30 Тел/факс: +7 (3822) 56-35-35, www.tpu.ru

ВВЕДЕНИЕ

1 ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ И РАЗВИТИЕ ЦИФРОВЫХ РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКИХ \2 СИСТЕМ НА БАЗЕ ДВУХМЕРНЫХ И ОДНОМЕРНЫХ ДЕТЕКТОРОВ

1.1 Классификация систем цифровой радиографии

1.1.1. Системы на основе оцифровки традиционных рентгенограмм

1.1.2. Системы на основе запоминающих люминофоров

1.1.3 Системы на основе усилителей радиационных изображений

1.1.4 Системы на основе двумерных матричных детекторов

1.1.5 Сканирующие системы на основе бегущего рентгеновского 32 луча

1.1.6 Сканирующие системы на основе линейки детекторов

1.2 Примеры применения СЦРСТ в неразрушающем контроле 37 нефте- и газопроводов

1.3 Выводы главы

2 ГЛАВА 2. ВЫБОР ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СЦРСТ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ 43 ОБЪЕКТОВ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА

2.1 Характеристики преобразователей влияющие на качество 43 рентгеновского изображения

2.2 Преобразователи рентгеновского излучения СЦРСТ для 57 контроля цилиндрических объектов большого диаметра

2.3 Характеристики и особенности регистрации рентгеновского 59 излучения сцинтилляторами CdW04 и СбЦТ1)

2.4 Особенности эффективности регистрации рентгеновского 55 излучения сцинтилляторами Сс1\¥04 и С$/(Т/)

2.5 Схема сканирования в цифровой радиографии и 59 рентгенографии цилиндрических объектов большого диаметра.

2.6 Калибровка детектора СЦРСТ

2.7 Цифровая фильтрация

2.8 Выводы главы

3 ГЛАВА 3. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ 93 КОНТРОЛЯ

3.1 Критерий оптимизации параметров системы

3.2 Оптимизация параметров системы для заданной продольной 101 пространственной разрешающей способности

3.2.1 Оптимизация параметров без учета цифровой фильтрации до| результатов регистрации излучения

3.2.2 Оптимизация параметров с учетом цифровой фильтрации Ю результатов регистрации излучения

3.3 Оптимизация параметров системы для заданной пространственной разрешающей способности в «наихудшем НО случае»

3.3.1 Оптимизация параметров без учета цифровой фильтрации \ ю результатов регистрации излучения

3.3.2 Оптимизация параметров с учетом цифровой фильтрации ^ 14 результатов регистрации излучения

3.4 Выбор параметров источника рентгеновского излучения для 120 расчета обобщенного параметра СЦРСТ

3.5 Выводы главы

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ

СКАНИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ЛИНЕЙКИ ДЕТЕКТОРОВ С ОПТИМАЛЬНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ДЛЯ 125 КОНТРОЛЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА.

4.1 Определение технических требований к мобильному 126 дефектоскопическому комплексу

4.2 Описание работы мобильного дефектоскопического комплекса

4.3 Производительность контроля СЦРСТ с оптимальными ¡35 параметрам

4.4 Применение обработки рентгеновского изображения при радиационном контроле цилиндрических объектов контроля большого диаметра

4.5 Выводы главы 4 139 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 142 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Основные обозначения и сокращения

СЦР - система цифровой радиографии

СЦРСТ - система цифровой радиографии сканирующего типа РИ - радиационное изображение ОК - объект контроля

УРИ — усилитель рентгеновского изображения TFT - тонкоплёночный транзистор ФЭУ - фотоэлектронный умножитель ЭВМ - электронно-вычислительная машина

Среди методов неразрушающего контроля, применяемых в промышленности, особенно на ответственных и опасных объектах, радиография занимает лидирующее положение. В последние годы наиболее активно развивается цифровая радиография, основанная на новых методах регистрации, прошедшего через объект излучения, преобразуемого в цифровой формат с визуализацией на мониторе компьютера. Подобные методы позволяют увеличить производительность контроля в несколько раз при получении полутонового изображения на экране компьютера, удовлетворяющего требования стандартов.

Ведущие компании мира в области радиационного контроля (General Electric, Perkin Elmer, Hamamatsu, Varían и т.д.) активно разрабатывают и производят системы регистрации рентгеновского излучения на основе детекторов панельного и линейного типа для задач радиографии и томографии.

Развитие цифровой радиографии на основе применения новых детектирующих систем показало, что эффективность применения тех или иных систем регистрации зависит от решения конкретных практических задач и исследований возможностей создаваемых диагностических комплексов. Значительный вклад в исследования по этому направлению внесли сотрудники ЗАО "Научно-исследовательский институт интроскопии МНПО «СПЕКТР» под руководством академика РАН Клюева В.В. -Артемьева Б.В., Клюев З.В. Кузелев Н.Р. - директор Института развития НИЯУ МИФИ. ФГБОУ ВПО Национальный исследовательский Томский политехнический университет (НИ ТПУ) - Кулешов В.К., Москалев Ю.А., Чахлов C.B., Штейн М.М., Капранов Б.И. ФГБОУ ВПО Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики - Усачев Е.Ю., Лебедев М.Б. Была показана перспективность применения для контроля крупногабаритных изделий радиометрических систем сканирующего типа, использующих детекторы линейного типа.

Интенсивное строительство новых газопроводов, требующее большого количества работ, связанных с контролем сварных швов и основного тела трубы, вызвало интерес ОАО «Газпром» к разработке новых высокопроизводительных, эффективных мобильных систем радиационного контроля трубопроводов большого диаметра.

Решение такой сложной технической проблемы требует, как исследование возможностей различных,современных систем регистрации для подобного рода задач и специализированной разработки устройств, позволяющих с одной стороны удовлетворять требованиям существующих стандартов, с другой стороны обеспечивать высокую производительность контроля.

Наиболее перспективными для контроля трубопроводов большого диаметра является система цифровой радиографии на основе линейки детекторов. При проектировании высокоэффективных систем цифровой радиографии сканирующего типа (СЦРСТ) неизбежно возникает задача определения их оптимальных параметров и характеристик, обеспечивающих максимум производительности контроля при условии обеспечения СЦРСТ выявляемости несплошностей заданного размера.

В НИ ТПУ проводятся широкомасштабные научные исследования по определению оптимальных характеристик и созданию рентгеноскопических установок, удовлетворяющих решению данной задачи.

Подобные комплексы разрабатываются, изготавливаются и внедряются фирмами VJ Technologies Company (США), Envision Product Group (США).

Диссертационные исследования выполнены в рамках тематического плана научно - исследовательских работ Института Неразрушающего Контроля Национального исследовательского Томского политехнического университета.

Целью данной работы являлась разработка и создание СЦРСТ для контроля объектов большого диаметра, оптимизированных по критерию максимума производительности контроля при условии обеспечения СЦРСТ выявляемости несплошностей заданного размера.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

- получить формализованное описание критерия оптимальности параметров СЦРСТ, предназначенных для контроля цилиндрических объектов большого диаметра, в виде максимума производительности контроля при условии обеспечения СЦРСТ выявляемое™ несплошностей заданных размеров;

- оптимизировать по критерию максимума производительности контроля при условии обеспечения СЦРСТ выявляемости несплошностей заданных размеров основные параметры данных систем с учетом возможности применения в них цифровой фильтрации результатов регистрации излучения;

- обосновать выбор и параметры сцинтиллятора детектора типа «сцинтиллятор-фотодиод» для регистрации фотонов;

- разработать СЦРСТ для проведения экспериментальных исследований;

- создать опытный образец СЦРСТ для контроля трубопроводов большого диаметра.

Методы исследований основываются на физических принципах взаимодействия квантов рентгеновского излучения с веществом и их регистрации. Теоретические исследования дополнены экспериментальной проверкой полученных результатов, проведенной с использованием методов экспериментальной физики. Анализ результатов натурных и вычислительных экспериментов проводился с помощью численных и статистических методов обработки экспериментальных данных. 7

Достоверность полученных теоретических и экспериментальных результатов обеспечивается измерением физических величин с погрешностью, не превосходящей 5 %, она подтверждена технической реализацией в опытном образце мобильного дефектоскопического комплекса. Полученные аналитические соотношения реализованы в численных алгоритмах и проверены для актуальных задач, освещаемых в современной литературе.

Научная новизна работы:

1. Получено детализированное формализованное описание критерия оптимальности СЦРСТ, предназначенных для контроля цилиндрических объектов большого диаметра, в виде максимума производительности контроля при условии обеспечения СЦРСТ выявляемости несплошностей заданных размеров;

2. Решена задача оптимального выбора параметров СЦРСТ, предназначенных для контроля цилиндрических объектов большого диаметра, по критерию максимума производительности контроля при условии обеспечения СЦРСТ выявляемости несплошностей заданных размеров с учетом цифровой фильтрации результатов регистрации излучения;

3. Разработана, испытана и внедрена СЦРСТ для контроля трубопроводов большого диаметра, оптимизированная по критерию максимума производительности контроля, при условии обеспечения СЦРСТ выявляемое™ несплошностей заданного размера.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в результате диссертационных исследований аналитические выражения и алгоритмы расчета научно обосновывают проектирование, рациональный выбор и повышают эффективность оценки параметров систем цифровой рентгенографии на основе линейных детекторов и источников рентгеновского излучения для трубопроводов большого диаметра. 8

Реализация результатов работы. Результаты выполненных исследований использованы при разработке рентгентелевизионной системы для радиационного контроля нефте- и газопроводов большого диаметра (Институт неразрушающего контроля (ИНК НИ ТПУ) и используются при чтении курса лекций для студентов электрофизического факультета НИ ТПУ по дисциплине «Неразрушающие методы контроля». Результаты, полученные в ходе экспериментальных исследований на прототипе установки, использованы при разработке мобильного дефектоскопического комплекса, предназначенного для контроля трубопроводов большого диаметра, который успешно прошел экспертизу технической документации и аттестационные испытания в ОАО «Газпром», г. Москва.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались: на научно-технических семинарах ИНК НИ ТПУ; на 8-ой международной конференции по неразрушающему контролю, Москва, 1820 марта 2009 г.; на международной школе-семинаре для магистров, аспирантов и молодых ученых, посвященной памяти профессора Хорста Герольда (Университет им. Отто фон- Герике, Магдебург, Германия), 2630 июня 2009 г.; на международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, ТПУ, 4-8 мая 2009 г.; на международной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения профессора A.A. Воробьева - Томск, ТПУ, 14-16 сентября 2009 г.; на Уральской конференции «Физические методы неразрушающего контроля», Екатеринбург, 6-8 апреля 2009 г., на 10-й Европейской конференции по неразрушающему контролю, Москва 7-11 июня 2010 г.; на Всероссийской научно-технической конференции «Физические основы диагностики материалов и изделий и приборы для ее реализации», 12-13 ноября 2010 г.; на II международной научно-практической конференции молодых ученых «Ресурсоэффективные технологии для будущих 9 поколений» 23-25 ноября 2010 г.; на 18-ой Всемирной конференции по неразрушающему контролю - 16-20 апреля 2012 г. - Дурбан - ЮАР.

Разработанный мобильный дефектоскопический комплекс, предназначенный для автоматического цифрового рентгенографического контроля трубопроводов успешно прошел аттестацию в ОАО «Газпром». Комплекс прошел апробацию на площадках ОАО «Газпром трансгаз Томск». На разработку подана заявка на патент, номер заявки 2012116783 от 25.04.2012, получено положительное решение формальной экспертизы.

Основные положения диссертации отражены в 15 печатных работах, из них 6 статей опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК.

Личный вклад автора в решение поставленных задач состоит:

- в разработке плана экспериментальных работ, проведении экспериментальных исследований, обработке результатов экспериментальных исследований;

- в теоретическом обосновании, подборе оптимальных параметров сканирующей системы цифровой радиографии для контроля цилиндрических объектов большого диаметра, обеспечивающих максимальную производительность с выявляемостью несплошностей заданного размера;

- в разработке алгоритмического и программно-технического обеспечения дефектоскопических комплексов;

- разработке мобильного дефектоскопического комплекса на базе СЦРСТ для контроля трубопроводов большого диаметра;

-в определении перспективных направлений дальнейшего развития исследований в данной области.

На защиту выносятся:

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Совокупность соотношений для оптимального выбора значений основных параметров СЦРСТ по критерию максимума производительности контроля при условии обеспечения СЦРСТ выявляемое™ несплошностей

10 заданного размера.

2. Обоснование выбора материала сцинтиллятора и его параметров в детекторах типа «сцинтиллятор-фотодиод» для эффективной энергии рентгеновского излучения;

3. Результаты экспериментальных исследований, полученных с использованием СЦРСТ в лабораторных условиях;

4. Опытный образец оптимизированной мобильной СЦРСТ, предназначенный для автоматического контроля сварных соединений и основного металла труб газопроводов диаметром 1020 мм.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников. Объем диссертации составляет 156 страниц машинописного текста, в том числе 34 рисунков, 15 таблиц, 118 наименований использованных источников.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Проведен аналитический обзор современного состояния и развития систем цифровой радиографии, в ходе которого выявлено, что для контроля цилиндрических объектов большого диаметра с высокой производительностью наиболее перспективными являются системы цифровой радиографии сканирующего типа.

2. Дано обоснование выбора сцинтиллятора для детектора типа «сцинтиллятор-фотодиод» для СЦРСТ с высокой производительностью контроля, способного обеспечить высокую эффективность регистрации рентгеновского излучения, не приводящего к появлению нерезкости при наложении структур, «смазыванию» рентгеновского изображения и снижению контраста РИ.

3. Получено детализированное формализованное описание критерия оптимальности СЦРСТ в виде максимума производительности контроля при условии обеспечения СЦРСТ выявляемости несплошностей заданных размеров.

4. Получены оптимальные значения длины и ширины апертуры отдельного детектора из линейки, времени регистрации излучения и оптимальный импульсный отклик цифрового фильтра, при которых достигается максимум производительности контроля при условии обеспечения системой контроля выявляемости несплошностей заданного размера для случая, когда в системе контроля осуществляется цифровая фильтрация результатов регистрации излучения.

5. Определены значения основных параметров СЦРСТ как без учета, так и с учетом цифровой фильтрации результатов регистрации излучения.

Применение цифровой фильтрации позволяет повысить производительность контроля в 3,2 раза.

6. Совокупность полученных соотношений была использована в ФГБОУ ВПО «НИ ТПУ» ИНК (г.Томск) при проектировании мобильного дефектоскопического комплекса для контроля трубопроводов большого диаметра (1020 мм) с толщиной стенки 12 мм для ОАО «Газпром».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Клюев В.В., Соснин Ф.Р. Современные радиационные системы неразрушающего контроля // Дефектоскопия.- 1993. № 1. - С. 65-71.

2. Клюев В.В., Соснин Ф.Р. Современное состояние цифровой рентгенотехники // Дефектоскопия. -1999. № 4. С. 56 - 66.

3. Соснин Ф.Р. Современные методы и средства цифровой рентгенографии (обзор) // Заводская лаборатория. 1994. -Т. 60. № 6. - С. 2834.

4. Бару С.Е. Безопасная рентгенография // Наука в России. 1997. № 4. -С. 12-16.

5. Белова И.Б., Китаев В.М. Цифровые технологии получения рентгеновского изображения: принцип формирования и типы (обзор литературы) // Медицинская визуализация. 2000. № 1. - С. 33-40.

6. Недавний О.И., Удод В.А. Современное состояние систем цифровой рентгенографии (обзор) // Дефектоскопия. 2001. № 8. - С. 62-82.

7. Krohn Barbara R., Bruce G. Digital radiography: An NDT solution for casting defects // Mod. Cast. 1988. 78. - № 2. - p. 24-26.

8. Williams Chevaum. Computed radiography-our experience // Radiographer. -1997.44. № 1. - p. 47-51.

9. Doucette Ed. Digital radiography: the basics // Mater. Eval. 2005. 63. -№ 10. -p. 1021-1022.

10. Moskalev Y. A., Chakhlov V. L., Temnik A.K., Usachev E.Y., Lebedev M.B. System of digital radiography for NTD in the radiation energy 1-20 MeV. Roma. 15-t World conference of NTD. 2000 y.

11. Charnock P., Connolly P.A., Hughes D., Moores B.M. Evaluation and testing of computed radiography systems // Radiat. Prot. Dosim. 2005. 114. - № 1-3.-p. 201-207.

12. Marstboom K. Computed radiography for corrosion and wall thickness Measurments // Insight: Non destruct. test, and Cond. Monit. 1999. - 41. -№5. - p.144308.309.

13. Найденов С.В., Рыжиков В.Д. Мультиэнергетический метод радиографической диагностики материалов // Контроль. Диагностика — 2002.-№8.-С. 14-18.

14. Cohen M.D., Long В., Cory D.A. et al. Digital image of the newborn chest // Clin. Radiol. 1989.- V. 40. №4.- p. 365-368.

15. Блинов H.H., Мазуров А.И. Медицинская рентгенотехника вступает в XXI век // Медицинская визуализация. 1999. № 4. — С. 2-6.

16. Bragg David G., Murray Kathleen, Tripp David. Experiences with computed radiography: can we afford the cost? // Amer. J. Roentgenol. 1997. -169.-№4.- p. 935-941.

17. Busch H.P., Hoffman H.G., Kruppert H., Morsdorf M. Digital BV -Radiographic Eine Methode nat sich durchgesetzt Enfahrungen mit dem Untertischsystem SIRESKOP SX mit FLUOROSPOT T.O.P // Electromedica. -1997. 65. - № 2. - s. 62-64.

18. Behrenbruch C., Petroudi S., Bond S. et al. Image filtering techniques for medical image post-processing: an overiew // Br. J. Radiol. 2004. V. 77. - p. 126132.

19. Тарасов А.И., Владыкин C.M. Биэнергетическая цифровая рентгенография // Медицинская визуализация. 2005. № 2. - С. 134-317.

20. Зеликман М.И. Теория, исследование и разработка методов и аппаратно-программных средств медицинской цифровой рентгенографии. Автореферат дис. доктора техн. наук. Москва, 2001. — 36 с.

21. Кантер Б.М. Исследование и разработка методов и средств рентгеновской цифровой медицинской диагностики. Автореферат дис. .145доктора техн. наук. -Москва, 2000. 50 с.

22. Macdonald Richard D.R. Design and implementation of a dual-energy X-ray imaging system for organic material detection in an airport security application//Proc. SPffi. 2001. 4301. - p. 31-41.

23. Филинов B.H., Маклашевский В .Я., Челноков, В.Б., Бычков О.Б. Оценка возможностей аппаратуры рентгеновского контроля // Контроль. Диагностика. 1998. № 3. - С. 18-27.

24. Ковалев A.B., Самокрутов A.A., Федчипшн А.Г., Шевапдыкин В.Г. Специальные поисковые средства интроскопии // Контроль. Диагностика. — 1999.-№5.-С. 24-28.

25. Сидуленко O.A., Касьянов В.А., Касьянов C.B., Осипов С.П. Методика оценки производительности досмотрового комплекса для контроля крупногабаритных объектов // Контроль. Диагностика. 2005. — № 12.- С. 3442

26. Щетинкин С.А., Чахлов C.B., Усачев Е.Ю. Использование метода двуэнергетической цифровой радиографии для портативных рентгенотелевизионных систем // Контроль. Диагностика. 2006. № 2. -С. 4952.

27. Чахлов C.B., Лебедев М.Б., Усачев Е.Ю. Метод сшивки рентгеновских изображений//Контроль. Диагностика. 2006.- № 2.- С. 34-40.

28. Allemand R. Les nouvelles thechnologies d'imagerie medícale // Concours med.- 1996.- 118.-№35.-p. 11-13.146

29. Kasap Safa О., Rowlands John A. Direct-conversion flat-panel X-ray image sensors for digital radiography // Proc. ШЕЕ. 2002. 90. - № 4. - p. 591604.

30. Yaffe M.J., Rowlands J. A. X-ray detectors for digital radiography I I Phys. Med. and Biol. 1997. 42. - № 1. - p. 1-39.

31. Harrison R.M . Digital radiography a review detector desing // Nucl. Instrum. and. Meth. 1991. - V. A310. - p. 24-31.

32. Антонов A.O., Антонов O.C., Третьяков В.П., Штарк М.Б. Цифровая рентгенография (опыт практического применения) // Атометрия. — 1996. -№ 6. С 45-49.

33. Мазуров А.И. Эволюция приемников рентгеновских изображений // Медицинская техника. 2004. № 5. — С. 34-37.

34. Emanuel Nathan. Digital luminescence radiography a user's guide // Radiographer.- 1997.- 44.- №2.- p. 124-125.

35. Kochakian R., Valssen В., Willems P. Appliacation limitations for digital radiography // CSNDT J. 1999. 20. - №1. - p. 6-8.

36. Майоров A.A. Компьютерная радиография с использованием флуоресцентных запоминающих пластин что это такое? // В мире неразрушающего контроля. — 2004. № 3. — С. 42-43.

37. Горелик Ф.Г., Станкевич Н.Е. Цифровые рентгенографические системы изображения на основе фотостимулируемых экранов и их сравнение с рентгенографическими комплектами экран-пленка // Медицинская техника. 2006.-№5.- С. 10-13.

38. Кононов Н.К., Игнатов С.М., Потапов В.Н., Недорезов В.Г. Системы получения рентгеновских изображений с высоким пространственным разрешением // ПТЭ. -2006. № 5. С. 156-159.

39. Москалев Ю.А., Дмитриева А.В., Григорьев С.В. Интроскоп для цифровой радиографии с люминесцентными экранами памяти // Контроль. Диагностика. 2000. № 9. - С. 24-25.

40. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. В 2-х книгах. Кн.1. / Под ред. В.В. Клюева. 2-е изд., переработано, и доп. М.: Машиностроение. — 1986. 488 с.

41. Борисов А.А., Вейп Ю.А., Мазуров А.И., Элинсон М.Б. О двух технологиях построения цифровых приемников рентгеновских изображений // Медицинская техника. 2006. — № 5. С. 7-10,

42. Кононов Н.К., Потапов В.Н., Игнатов С.М., Недорезов В.Г. Особенности механизма формирования теневого рентгеновского изображения в сцинтилляционных кристаллах // Дефектоскопия. — 2007. — №4. С. 3-11.

43. Padgett R., Kotre C.J. Assessment of the effects of pixel loss on image quality in direct digital radiography // Phys. Med. and Biol. 2004. 49. - № 6. - p. 977986.

44. Samei Ehsan, Dobbins James Т. (Ш), Lo Joseph Y., Tornai Martin P. A framework for optimizing the radiographic technique in digital X-ray imaging // Radiat. Prot. Dosim. 2005. 114. - № 1- 3. - p. 220-229.

45. Aufrichtig Richard, Su Yu, Cheng Yu, Granfors Paul R. Measurement of the noise power spectrum in digital X-ray detectors // Proc. SPIE. 2001. 4320. -p. 362-372.

46. Козловский Э.Б. Особенности построения цифровых рентгенографических аппаратов на основе ПЗС матриц // Медицинская техника. 2006. — №5. - С. 29-30.

47. Кантер Б.М.,. Владимиров JI.B, Лыгин В.А. и др. Исследование цифровых рентгенографических систем регистрации с оптическим переносом изображения // Медицинская техника. 2006. — № 5. С. 42-45.

48. Strotzer М., Volk М., Feuerbach S. Experimented Untersuchungen und erste klinische Erfahrungen mit einem Flachbilddetektor in der Radiographic // Electromedica. 1999. 67. - № 1. - s. 47-52.

49. Гусев E.A., Фирстов В.Г., Петушков A.A. и др. Сканирующий148рентгеновский интроскоп с одномерным матричным преобразователем на основе кремниевых детекторов излучения // Дефектоскопия. — 1989. —№ 7. -С. 38-42.

50. Физика визуализации изображений в медицине. В 2-х томах. Т. 1. Пер. с англ. Под ред. С. Уэбба. М.: Мир. 1991. - 408 с.

51. Игнатов С.М., Потапов В.Н., Федин A.B. и др. Многоэлементная линейка детекторов сцинтиллятор — фотодиод для рентгеноскопических систем // Дефектоскопия.- 1999.- №2,- С. 46-53.

52. Рыжиков В.Д., Лисецкая Е.К., Ополонин А.Д. Цифровая аудиография для технической диагностики сварных конструкций // Оборуд. и инструм. для профессионалов. 2005. —№ 10. — С. 30-32.

53. Ryzhikov V.D., Kozin D.N. Оп the choice of scintillators for "scintillator -photodiode" detectors for digital radiography // Funct. Mater. 2004. -11.—№l.-p. 205-209.

54. Борисенко А.П., Раевский И.В., Украинцев Ю.Г., Юрченко Ю.Б. Рентгенодиагностика на основе цифровых сканирующих технологий // Медицинская визуализация. — 2007. -№ 2. С. 130-134.

55. Gupta Nand К., Isaacson Bruce G. Near real time inservice testing of pipeline components // Mater. Eval. 2001. 59. - № l.-p. 55-58.

56. Блинов H.H. (мл.), Гуржиев A.H., Гуржиев С.Н. и др. Исследование параметров сканирующих рентгенографических систем // Медицинская техника. 2004. № 5. - С. 8-11.

57. Блинов H.H. (мл.), Гуржиев А.Н., Гуржиев С.Н., Кострицкий A.B. Новый сканирующий малодозовый цифровой флюорограф «ПроСкан-7000» // Медицинская техника. 2004. — № 5. — С. 47.

58. Кантер Б.М., Клюев В.В., Леонов Б.И., Соснин Ф.Р. Сканирующие средства радиационного контроля//Дефектоскопия. 1985. -№ 5.- С. 69-75.

59. Телевизионные методы обработки рентгеновских и гаммаизображений. / H.H. Блинов, Е.М. Жуков, Э.Б. Козловский, А.И. Мазуров. —149

60. М.: Энергоиздат, 1982. 200 с.

61. Bar К.К., Gaus R., Bar D. Prufsystem zur In-line Erkennung von Materialfehlern//Ceram. Forum. Int. 1997.- 74. № 1. - s. 16-18.

62. Москалёв, Юрий Александрович. Рентгеновские интроскопы НИИ интроскопии / Ю. А. Москалёв // Известия Томского политехнического университета Известия ТПУ. / Томский политехнический университет150

63. ТПУ) . — 2008 . — Т. 312, № 2 : Математика и механика. Физика. Приложение Неразрушающий контроль и диагностика . — С. 122-124.

64. BAVENDIEK, К. Film, CR and Flat-panel Detectors, BAM, Berlin, April 2006.

65. Fujieda I, Cho G, Drewery J, Gee T, Jing T, Kaplan S N, Perez-Mendez V and Wildermuth D 1991 X-ray and charged particle detection with CsI(Tl) layer coupled to a-Si:H photodiode layers IEEE Trans. Nucl. Sci. 38 255-62.

66. M. J. Yaffe, and J. A. Rowlands. X-ray detectors for digital radiography Phys. Med. Biol. 42 (1997) 1-39.

67. Edson Vasques Moreira., Marcelo Carlos Fritz. Flat-panel detectors are accepted for digital radiography in place of conventional radiography in pipeline weld inspection. IV Conferencia Panamericana de END Buenos Aires Octubre 2007

68. Chabbal J et al 1996 Amorphous silicon x-ray sensor Proc SPIE 2708 499-510.74. http://www.vjt.com/Inspection%20Systems/Pipeline%20Inspection%20 Systems.html

69. J. A. Pursley and J. M. Galbraith. Inspecting Pipes for Corrosion. // Inspection Trends October 2010.

70. Рентгенотехника: Справочник. В 2-х кн. / Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1980, Кн. 1,1980.-431 с.

71. Bendat J S and Piersol A G 1986 Random Data Analysis and Measurement Techniques 2nd Edn (New York: Wiley) p 338

72. Гурвич A.M. Рентгенолюминофоры и рентгеновские экраны. М., Атомиздат, 1976

73. Буллер А.И., Москалев Ю.А., Кулешов В.К. Исследование динамических характеристик люминесцентных преобразователей // Томск: Изд. ТПУ, 2009 - Т. 1.-(31220196).-с. 144-145.

74. Swank R К 1973 Absorption and noise in x-ray phosphors J. Appl. Phys. 44 4199-203

75. Barrett H and Swindell W 1981 Radiological Imaging (New York: Academic) pp 285-8

76. Rabbani M, Shaw R and Van Metter R 1987 Detective quantum efficiency of imaging systems with amplifying and scattering mechanisms J. Opt. Soc. Am. A 4 895-901

77. Cunningham I A, Westmore M S and Fenster A 1994 A spatial frequency dependent quantum accounting diagram and detective quantum efficiency model of signal and noise propagation in cascaded imaging systems Med. Phys. 21 417-27

78. Nishikawa R M, Mawdsley G E, Fenster A and Yaffe M J 1987 Scanned projection digital mammography Med. Phys. 14 717-27.

79. Bunch P C, Huff К E and Van Metter R 1987 Analysis of the detective quantum efficiency of a radiographic screen-film combination J. Opt. Soc. Am. A 4 902-9

80. Klein С A 1968 Bandgap dependence and related features of radiation ionization energies in semiconductors J. Appl. Phys. 39 2029

81. Maidment ADA, Fahrig R and Yaffe M J 1993 Dynamic range requirements of x-ray detectors for digital mammography Med. Phys. 20 1621-33 (see also letter in Med. Phys. 211215)

82. Neitzel U 1994 Discernable gray levels and digitization requirements in digital mammography Med. Phys. 21 1213-4

83. Москалев Ю.А., Буллер А.И., Бабиков C.A. Люминесцентные преобразователи рентгеновского излучения для медицинской и технической диагностики и систем неразрушающего контроля. // Дефектоскопия. 2011.152- №11 С. 18-23.

84. Rose А 1948 The sensitivity performance of the eye on an absolute scale J. Opt. Soc. Am. 38 196

85. А.Б. Дорин, В.Ф. Ельцин, A.K. Чураков. Аналитический обзор российских гамма-спектрометров. ООО НИИП «Грин Стар Инструменте».

86. Nuclear instruments and methods, A369. 1996, p. 164-168.

87. IEEE NS, Vol. 41, № 4, August 1994.

88. Физика визуализации изображений в медицине: В 2-х томах. Т. 1 : Пер. с англ. Под ред. С. Уэбба. М.: Мир, 1991. - 408 с. Физика визуализации изображе-ний в медицине: В 2-х томах. Т. 1 : Пер. с англ. Под ред. С. Уэбба. - М.: Мир, 1991. - 408 с.

89. Майоров А. Н., Мамиконян C.B., Косарев Л. И., Фирстов В. Г. Радиоизотоп-ная дефектоскопия (методы и аппаратура). Л.: Атомиздат, 1976. - 175 с.

90. Горбунов В.И., Кулешов В.К. К вопросу о выборе оптимальных размеров сцинтилляторов для дефектоскопии изделий // Известия// ТПУ. 1965.- Т.138.- С. 42-48.99. http://www.zhuravlev.info/modules.php?name=News&file=print&sid=96

91. Клюев В. В., Соснин Ф. Р. Теория и практика радиационного контроля. М.: Машиностроение, 1998. С. 124-130.101. http://dspsys.org/dspsystems/36-firfilters.

92. Klimenov V. А. , Buller А. I. , Moskalev Y. А. , Chakhlov S. V. ,153

93. Гурвнч A.M. Физические основы радиационного контроля и диагностики.-M.: Энергоатомиздат, 1989, 168 с.

94. Нуделмэн С., Рерих X., Кэпп М.П. Электронно оптическая цифровая рентгенография. Часть III. Устройства формирования изображения и принципы проектирования систем. - ТИИЭР, 1982, 70, № 7, с. 33 - 48.

95. Лебедев М.Б., Сидуленко О.А., Удод В.А. Выбор параметров многоканальных непрерывно сканирующих систем цифровой рентгенографии. - Контроль. Диагностика, 2007, № 12, с. 17 - 26.

96. Лебедев М.Б., Сидуленко О.А., Удод В.А. Оптимальный выбор параметров многоканальных непрерывно сканирующих систем цифровой рентгенографии.- Дефектоскопия, 2009, № 10, с. 58 - 77.

97. Удод В.А. О разрешающей способности. Оптика атмосферы, 1989, 2, №2, с. 154-159.

98. Удод В.А. Корректное формальное описание критерия пространственной разрешающей способности по Фуко Обозрение прикл. и промышл. матем., 2002, т. 9, вып. 2, с. 473-474.

99. Лебедев М.Б., Сидуленко О.А., Удод В.А. Учет цифровой фильтрации при выборе параметров многоканальных непрерывно -сканирующих систем цифровой рентгенографии-Дефектоскопия, 2008, № 1, с.З- 18.

100. Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления. М.: Наука, 1970, т.1. - 608 с.

101. Удод В.А., Лебедев М.Б., Клименов В.А., Солодушкин В.И., Темник А.К. Оптимизация параметров многоканальных непрерывно154сканирующих систем цифровой рентгенографии — Дефектоскопия, 2011, № 2, с. 55-62.112. http://zniorb.narod.rU/lit/l .OIIMZoN.pdf

102. Буллер А.И., Кулешов В.К. Оптимизация параметров люминесцентных преобразователей и условий просвечивания. // Известия Томского политехнического университета, 2008 т. 312, - № 2(приложение). (88834070). с. 106-109.

103. Буллер А.И., Федотов Н.М., Оферкин А.И., Ларионов Д.Ю., Разумов А.Ю. Разработка ротационного рентгеновского аппарата с кольцевым штативом для оперативного создания 3D изображений сердца. // Доклады ТУСУР. 2010. - Ч. 2 - С. 97 - 101.