Lektsii_ispyt
.pdf
91
рентгеновского и γ-излучения. Нейтронное излучение эффективно используется при контроле композитных материалов, клееных соединений и при оценке влажности материалов.
В настоящее время эффективно развивающийся метод неразрушающего контроля с использованием позитронов применяется для определения величины и степени пластической деформации, а также для определения напряжений в материалах до появления усталостных трещин. В начальной стадии усталостного разрушения материала происходит образование в нем дислокаций. В областях дислокации до появления трещин накапливаются отрицательные заряды. При облучении металла позитронами, последние притягиваются к дислокациям, где они в результате взаимодействия со скопившимися электронами образуют γ-издучение. Среднее время жизни позитронов можно связать с наличием области усталости в металле.
Рентгеновское и γ -излучение при прохождении через материал контролируемого объекта теряют свою энергию за счет рассеяния и преобразования в кинетическую энергию электронов. Ослабление интенсивности излучения зависит от его энергии, толщины и плотности просвечиваемого материала. На рис. 77 схематично показаны процессы фотоэлектрического поглощения (а), комптоновского рассеяния кванта (б) и образования кванта электронпозитронной пары (в). В зависимости от энергии падающего кванта и плотности просвечиваемого материала может преобладать один из этих процессов.
Рис. 77. Схема взаимодействия ионизирующего излучения с материалом контролируемого объекта
Фотоэлектрический эффект - процесс, при котором квант hv0 , встретив атом, полностью передает свою энергию орбитальному электрону. При этом электрон е- переходит на оболочку с более высоким уровнем энергии или покидает атом, если энергия его превышает энергию связи электрона в атоме. Такой выбитый из атома электрон называется фотоэлементом. Заполнение электроном оболочки сопровождается характеристическим излучением. Фотоэлектроны возбуждают и ионизируют атомы и молекулы просвечиваемого материала, что приводит к образованию вторичных квантов. Вторичные кванты опять преобразуются в фотоэлектроны и третичные кванты, и т. д. до полного поглощения энергии первичного излучения.
92
Рассеяние квантов является процессом, при котором квант, встретив орбитальный электрон, изменяет свое направление. Когерентное рассеяние имеет место только при прохождении через материал очень мягкого излучения. Энергия квантов такого излучения при столкновении со слабо связанными электронами внешней оболочки атомов поглощающего материала вызывает лишь вынужденные колебания их, которые при этом сами излучают вторичные кванты той же длины волны, что и падающее излучение. Комптоновское рассеивание наблюдается при прохождении через материал излучения с энергией 0,3—1 МэВ. Падающий квант, сталкиваясь с орбитальным электроном, отдает часть своей энергии электрону и отклоняется от
первоначального направления на некоторый угол φ. Энергия его hv1 меньше
энергии падающего кванта, т. е. комптоновское рассеянное излучение имеет большую длину волны, чем падающее излучение. Рассеянное излучение распространяется в различных направлениях по отношению к первичному.
Образование пары частиц электрон-позитрон - это процесс поглощения квантов с энергией более 1,022 МэВ. Образовавшийся из кванта электрон е- и позитрон е+ имеют энергию 0,51 МэВ. Позитрон, замедлившись, соединяется с одним из электронов среды, при этом образуются два кванта аннигиляционного излучения. Под аннигиляцией понимается процесс взаимодействия частицы и соответствующей ей античастицы, приводящий к образованию электромагнитного излучения.
Существуют различные методы дефектоскопии материалов и определения их физико-механических свойств. Рассмотрим наиболее применяемые из них в настоящее время. Радиографический метод основан на фиксации интенсивности излучения, прошедшего через исследуемый объект. Для этой цели используется рентгеновская пленка, которая после экспонирования (просвечивания) подвергается соответствующей обработке подобно той, которой подвергаются фотопленки. В результате получается картина, отражающая интенсивность воздействия излучения. Достоинством данного метода является то, что в руках исследователя остается объективный документ, характеризующий состояние объекта в момент просвечивания.
Ксерорадиографический метод заключается в том, что результат просвечивания фиксируется на ксерорадиографической или электрорадиографической пластинке, которая состоит из алюминиевой подложки и нанесенного на нее слоя фотопроводникового материала. В качестве последнего используется аморфный селен. Чтобы сделать пластину чувствительной к ионизирующим излучениям, поверхности селенового слоя сообщают электрический заряд, после чего ее, подобно рентгеновской пленке, помещают в светонепроницаемую кассету. При просвечивании элементов конструкций на поверхности селенового слоя образуется скрытое электростатическое изображение. Скрытое изображение проявляют опылением селенового слоя мелким наэлектризованным порошком мела. Частицы порошка, заряженные электричеством противоположного знака по
93
отношению к заряду пластины, прилипают к поверхности селенового слоя, образуя видимое изображение просвечиваемого объекта. Это изображение может быть перенесено на бумагу и зафиксировано.
Радиоскопический метод заключается в преобразовании скрытого рентгеновского или γ-изображения просвечиваемого объекта в видимое световое на экранах преобразователей ионизирующего излучения и телевизионных приемников. На практике применяются установки визуального контроля с непосредственным наблюдением изображений на экранах преобразователей (флуороскопического, рентгеновских электроннооптических преобразователей, электронно-оптических усилителей видимого света, электролюминесцентного) .
Визуальный контроль отличается от радиографического большей оперативностью. При визуальном контроле легко получать результаты при изменении угла просвечивания и стерескопическое изображение контролируемого объекта. Недостатком рентгеноскопических методов является снижение точности получаемых результатов по сравнению с теми, которые получаются методами радиографии.
Радиометрический метод основан на оценке изменения интенсивности пучка излучения, прошедшего через просвечиваемый объект. Для измерения интенсивности пучка излучения за объектом используются
стинцилляционные, полупроводниковые, газоразрядные счетчики |
или |
ионизационные камеры. |
|
При исследовании изделий, воспринимающих вращательное и колебательное движения, используются методы строборадиографии и строборадио-интроскопии.
С помощью радиационных методов можно решать многие задачи, связанные с изучением состояния строительных конструкций. К этим задачам относятся: выявление дефектов при сварке металлических конструкций, дефектов прокатных листов, трещин, зазоров между заклепками и основным материалом, коррозионных поражении, определение толщины защитного слоя бетона, размеров и расположения арматуры в железобетонных конструкциях, измерение напряжений, определение объемной массы строительных материалов, выявление толщин изделий, определение влажности строительных материалов, выявление напряжений в металлах до появления усталостных трещин.
Контроль качества сварки осуществляется радиографическим методом. Источник излучения 1 располагается над испытуемым швом, а кассету с пленкой 2 - под швом. Характерные случаи просвечивания представлены на рис. 78 для листовых конструкций (а - сварка в стык, б - сварка внахлест, в - сварка таврового соединения) и рис. 79 - для труб. Схемы а, б используются при диаметре труб D>> 500 мм, в, г — при D~> 500 мм.
94
Рис. 78. Схема просвечивания сварных стыков листовых конструкций
Рис. 79. Схема просвечивания кольцевых сварных швов труб
Пучок излучения проходит через шов и воздействует на пленку с интенсивностью, прямо пропорциональной плотности шва в месте просвечивания. Для оценки качества снимков и определения чувствительности радиографического метода контроля используются пластинчатые эталоны с канавками и проволочные эталоны, которые располагаются в местах просвечивания. Пластинчатые эталоны с канавками используются при просвечивании изделий с ожидаемыми дефектами в виде газовых пор, включений, раковин. Проволочные эталоны используются при радиографии изделий с ожидаемыми дефектами типа непроваров и микротрещин.
Дефектные участки шва характеризуются искажением изображения на пленке. По степени затемнения, форме и очертанию затемненных участков
95
можно выявить трещины, непровары, газовые поры, шлаковые включения и другие дефекты сварных соединений. Для выявления трещин необходимо, чтобы направление излучения совпадало с направлением трещин. Непровары в сварных соединениях могут выявляться при просвечивании изделий перпендикулярно шву, а также под углом 45°. Газовые поры и шлаковые включения в сварных швах выявляются при направлении лучей перпендикулярно шву. Газовые и шлаковые включения, непровары, трещины и другие дефекты могут обнаруживаться либо в виде отдельных дефектов, цепочки дефектов, если их будет более трех и они будут расположены по одной линии, либо скопления дефектов, если будет обнаружено их кучное расположение.
Расшифровка обнаруженных дефектов на пленке требует определенных навыков от исследователя. Основные виды дефектов на пленке выглядят следующим образом. Газовые поры представляют собой круглые темные пятна, иногда вытянутой формы с очерченным контуром. В зависимости от направления излучения по отношению к дефекту черные пятна на пленке могут быть с полутенями или волнообразной формы. Шлаковые включения образуют на пленке темные участки, имеющие обычно неправильную форму с неровными границами и оборванными краями. Непровар шва на снимке проявляется как непрерывная или прерывистая темная полоса. При большом расстоянии между двумя свариваемыми изделиями непровар на пленке изображается в виде двух параллельных, близко лежащих друг к другу линий. Трещины на пленке представляются в виде темных узких линий, ширина которых определяется шириной трещины. При совпадении направления пучка излучения с направлением трещины изображение последней достигает наибольшей резкости.
Допустимость тех или иных дефектов, а также их комбинаций, а также объем контроля устанавливается нормами и техническими условиями на изготовление и монтаж конструкций. При обнаружении в сварных швах недопустимых дефектов швы бракуются и подлежат исправлению.
Оценка однородности материалов и выявление в них дефектов осуществляется аналогично дефектоскопии сварных соединений. Дефектные места материала (трещины, раковины, каверны и т. п.) будут меньше ослаблять поток излучения по сравнению с бездефектными участками. Наличие более плотных включений приводит к ослаблению интенсивности излучения. При дефектоскопии неоднородных материалов, в частности бетона, следует иметь в виду, что он по своей структуре неоднороден, поэтому различные дефекты бетона приходится выявлять на фоне его естественной неоднородной структуры, которой обладают различные объемы бетона даже при отсутствии дефектов. В связи с отмеченным, в бетонных конструкциях удается выявлять такие дефекты, которые в два-три раза более характерного размера крупного заполнителя и составляют 5—8% от толщины просвечиваемой конструкции.
Дефекты бетона в виде трещин выявляются в том случае, если направление просвечивания не отклоняется от направления распространения
96
трещин на угол более 5°. Величина фиксируемого сигнала зависит от ширины и глубины раскрытия трещин. При известной ширине раскрытия поверхностных трещин можно достаточно точно определить глубину их распространения.
Просвечивание пластмасс также позволяет выявлять внутренние дефекты в виде трещин, раковин и т. п. Дефекты древесины (сучки, трещины) также выявляются при просвечивании, кроме того, могут быть выявлены места загнивания древесины в конструкциях.
При использовании радиационных излучений возможны два способа просвечивания: сквозной (рис. 80 а), когда возможен двухсторонний доступ к конструкции, и односторонний (рис. 80 б), построенный на регистрации интенсивности излучения, рассеянного материалом. Здесь 1 - источник излучения, 2 — детектор излучения, 3 — регистрирующий прибор.
Рис. 80. Способы дефектоскопии
При двухстороннем просвечивании (рис. 81) глубина расположения дефекта 1 может быть определена при просвечивании с двумя положениями
источника 2, причем из элементарных рассуждений получаем |
||||
|
|
|
||
x |
c F |
|
, |
|
c c |
||||
|
|
|||
что позволяет найти и размер дефекта по размеру отпечатка на пластинке 3
что позволяет найти и размер дефекта по размеру отпечатка на пластинке 3
d D F x . F
97
Рис. 81. Определение глубины расположения дефекта и его протяженности
Аналогично осуществляется обнаружение арматуры в железобетонных конструкциях (рис. 82 а). На рис. 82 б (7 источник; 2 - детектор; 3 - регистрирующий прибор) представлена картина, полученная при перемещении источника излучения по поверхности плиты при разных диаметрах арматуры, расположенной в толще бетона. При просвечивании железобетонных плит толщиной до 400 мм хорошо выявляется арматура диаметром свыше 10 мм.
Рис. 82. Обнаружение арматуры в бетоне
На рис. 83 представлена схема просвечивания при двух положениях источника 1, позволяющая определить диаметр d арматуры 2 и толщину защитного слоя b по характерным размерам отпечатка
|
|
|
|
98 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Fc |
|
|
d |
|
|
d |
d c |
|
, |
b |
|
. |
|||
c c |
c c |
|
|||||||
|
|
|
2 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Рис. 84. Определение диаметра арматуры и толщины защитного слоя
По характеру поверхности арматуры на снимке 3 можно вынести суждение о классе арматуры (гладкий стержень или стержень периодического профиля).
Определение плотности строительных материалов в изделиях и конструкциях возможно путем сквозного просвечивания и при одностороннем доступе к конструкции. В первом случае возможны два способа. Один из них заключается (рис. 85) в просвечивании толщи материала r узким пучком излучения, для чего используется специальное устройство — коллиматор 2, с помощью которого достигается соосность источника излучения 1 и детектора 4. Ослабление интенсивности излучения в этом случае определяется выражением I I0e 0 r, где I—интенсивность
пучка после прохождения материала, определяемая по измерительному прибору 3, I0 — интенсивность излучения до среды, r — известная толщина материала, 0 - массовый коэффициент поглощения, известный для каждого
материала, р — плотность материала в гсм-3. Логарифмируя приведенное выражение, получим
ln I0 ln I .
0r
99
Рис. 85. Измерение плотности с помощью узкого пучка излучения
В производственных условиях просвечивание происходит широким пучком без использования коллиматора. В этом случае ослабление
интенсивности определяется выражением где В - фактор накопления, характеризующий поток вторичного, излучения за просвечиваемым материалом толщиной r. Значение В зависит от энергии источника и условий просвечивания.
Рис. 86. Измерение плотности при одностороннем доступе к конструкции
При одностороннем доступе к конструкции (рис. 86) измеряется интенсивность рассеянного излучения. Измерение плотности материала этим способом возможно тогда, когда толщина изделия превышает так называемый слой насыщения для данного материала. При использовании в качестве источника 1 γ-излучения кобальта-60 для тяжелого бетона толщина слоя насыщения равна примерно 25 см. Между источником и детектором 3 располагается разделительный экран 2. Сигнал от детектора передается на измерительный прибор 4. При использовании низкоэнергетических источников излучения снижается значение толщины слоя насыщения.
При определении плотности бетона в процессе формирования изделий используется специальная аппаратура, в которой сохраняется постоянство расстояния между источником излучения и детектором.
Определение толщин изделий основано на использовании формулы (5.5), записанной в виде
r ln I0 ln I .
0
100
При определении толщины изделия необходимо предварительно определить плотность материала, применяя для этой цели взвешивание некоторого объема материала. При одностороннем просвечивании предварительно необходимо построить градуировочную кривую: толщина изделия - интенсивность излучения.
Влажность строительных материалов определяется при помощи быстрых нейтронов. В процессе упругого рассеяния быстрые нейтроны замедляются до тепловых с энергией 0,025 эВ. Замедление быстрых нейтронов идет наиболее эффективно на ядрах атомов легких элементов, у которых масса ядра близка к массе нейтрона. Из числа химических элементов, входящих в состав строительных материалов, водород является наиболее эффективным замедлителем быстрых нейтронов.
Для измерения влажности материала в изделиях и конструкциях могут использоваться схемы, приведенные на рис. 87. На схеме а представлен случай при двухстороннем доступе к конструкции, б - при одностороннем доступе и в - внутри материала; 1 - источник быстрых нейтронов, 2 - детектор, 3 - измерительный прибор. В качестве быстрых нейтронов при измерении влажности строительных материалов используются полониевобериллиевые источники. Регистрация медленных нейтронов производится газоразрядными или сцинтилляционными детекторами.
Рис.87. Схемы измерений влажности материала нейтронным методом
Определение влажности осуществляется по предварительно построенной градуировочной кривой: объемная влажность — интенсивность импульсов. Все работы с использованием радиоактивных веществ и источников ионизирующих излучений регламентируются соответствующими нормативными документами. Используемые при работе радиоактивные вещества делятся на открытые и закрытые. К открытым относятся порошки, жидкости и т. п. вещества, при использовании которых возможно попадание радиоактивных веществ в окружающую среду. Все работы с открытыми веществами должны проводиться в специально оборудованных лабораториях. При работе с закрытыми веществами, помещенными в