Помощь студентам в учебе
ВНУТРИТРУБНАЯ КОМПТОНОВСКАЯ ТОМОГРАФИЯ СТАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОДУКТОПРОВОДОВ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. РАДИАЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ НА ОБРАТНО-РАССЕЯННОМ
РЕНТГЕНОВСКОМ И ГАММА ИЗЛУЧЕНИИ, СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ 12
1.1 Радиационный контроль на обратно-рассеянном рентгеновском и гамма излучении 12
1.2 Обзор патентов и лицензий 13
1.3 Методы моделирования 16
1.4 Досмотровые комплексы 18
1.5 Толщинометрия, дефектоскопия, дефектометрия 18
1.6 Дефекты стальных сварных соединений и стальных трубопроводов 24
Выводы к главе 1 27
ГЛАВА 2. РАДАЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ ЖЕЛЕЗНЫХ ИЗДЕЛИЙ ОБРАТНО-РАССЕЯННЫМ
РЕНТГЕНОВСИМ И ГАММА ИЗЛУЧЕНИЕМ 28
2.1 Формирование поля обратно рассеянного ионизирующего излучения 28
2.1.1 Краткая характеристика основных процессов взаимодействия рентгеновского и гамма-
излучения с веществом 28
2.1.2 Математическая модель однократного рассеяния для моноэнергетического источника и
источника с непрерывным спектром 30
2.1.3 Оптимизация энергии зондирующего излучения 34
2.1.4 Источник с непрерывным спектром 37
2.2 Анализ геометрий формирования рассеивающего объема 38
2.3 Исследование апертурной функции РО с кольцевым и линейным детектором при
нормальном падении зондирующего пучка излучения 40
2.4 Исследование апертурной функции РО при падении зондирующего пучка излучения под
углом Q к рассеивателю 48
2.5 Оценка вклада многократного рассеяния 50
Выводы по главе 2 55
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 57
3.1 Экспериментальная оценка эффективности систем сканирования 59
3.2 Приемники ионизирующего излучения 67
3.3 Конструкция элементов детектирующей системы 71
3.3 Экспериментальная оценка АФРО КС с кольцевым детектором 82
3.4 Способ сканирования продольным перемещением 87
3.4.1 Решение для двух и более несплошностей 91
3.5 Эмиссионная томография трубопроводов 95
Выводы к главе 3 98
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 101
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 103
ГЛАВА 1. РАДИАЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ НА ОБРАТНО-РАССЕЯННОМ
РЕНТГЕНОВСКОМ И ГАММА ИЗЛУЧЕНИИ, СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ 12
1.1 Радиационный контроль на обратно-рассеянном рентгеновском и гамма излучении 12
1.2 Обзор патентов и лицензий 13
1.3 Методы моделирования 16
1.4 Досмотровые комплексы 18
1.5 Толщинометрия, дефектоскопия, дефектометрия 18
1.6 Дефекты стальных сварных соединений и стальных трубопроводов 24
Выводы к главе 1 27
ГЛАВА 2. РАДАЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ ЖЕЛЕЗНЫХ ИЗДЕЛИЙ ОБРАТНО-РАССЕЯННЫМ
РЕНТГЕНОВСИМ И ГАММА ИЗЛУЧЕНИЕМ 28
2.1 Формирование поля обратно рассеянного ионизирующего излучения 28
2.1.1 Краткая характеристика основных процессов взаимодействия рентгеновского и гамма-
излучения с веществом 28
2.1.2 Математическая модель однократного рассеяния для моноэнергетического источника и
источника с непрерывным спектром 30
2.1.3 Оптимизация энергии зондирующего излучения 34
2.1.4 Источник с непрерывным спектром 37
2.2 Анализ геометрий формирования рассеивающего объема 38
2.3 Исследование апертурной функции РО с кольцевым и линейным детектором при
нормальном падении зондирующего пучка излучения 40
2.4 Исследование апертурной функции РО при падении зондирующего пучка излучения под
углом Q к рассеивателю 48
2.5 Оценка вклада многократного рассеяния 50
Выводы по главе 2 55
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 57
3.1 Экспериментальная оценка эффективности систем сканирования 59
3.2 Приемники ионизирующего излучения 67
3.3 Конструкция элементов детектирующей системы 71
3.3 Экспериментальная оценка АФРО КС с кольцевым детектором 82
3.4 Способ сканирования продольным перемещением 87
3.4.1 Решение для двух и более несплошностей 91
3.5 Эмиссионная томография трубопроводов 95
Выводы к главе 3 98
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 101
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 103
Актуальность работы. Повысить уровни безотказности, долговечности и эксплуатационной безопасности стальных магистральных нефтепродуктопроводов, в частности на опасных производственных объектах невозможно без применения комбинированных методов неразрушаюшающего контроля. Одним из из наиболее важных и значимых контролируемых параметров магистральных нефтепродуктопроводов является степень утончения стенок испытуемых трубопроводов, а также сварных швов, которое вызывается коррозионными, эрозионными и другими негативными процессами, приводящими к разрушению стенок трубопроводов. Одним из методов повышения эксплуатационной безопасности действующих магистральных стальных нефтепродуктопроводов является применения внутритрубного технического диагностирования, выполняемого с целью выполнения требований промышленной безопасности и выявления дефектов основного металла и сварных соединений на этапах эксплуатации. Внутритрубное техническое диагностирование предполагает проведение неразрушающего контроля изнутри трубпоровода при одностороннем доступе к его поверхности. Для выполнения внутритрубного технического диагностирования применяются следующие методы неразрушающего контроля: визуальный и измерительный, ультразвуковой и магнитный. Каждый из применяемых методов имеет свою область применения в части выявления несплошностей сварных соединений. Так в таблице 1.1 представлена общая область применения каждого из методов: Таблица 1.1 - Область применения видов(методов) контроля
Вид конт роля Выявляемые несплошности в
основном металле и сварных соединениях Предельная чувствительность Не гарантирует
выявление или выявляет слабо следующие
несплошности
УЗК Трещины, непровары, поры, неметаллические и металлические включения Для толщин от 1,5 до 10 мм -составляет от 0,5 до
2,5 мм2
Для толщин от 10 до 50 мм - составляет от 2,0 до 7,0 мм2 Поверхностные и
подповерхностные Сферические и
цилиндрические
МК трещины, непровары Поверхностные Подповерхностные и
внутренние
Сферические и
цилиндрические
Ширина (раскрытие), мм Глубина, мм
От 0,1 до 0,5 От 0,2 до 1,0
Подповерхностные
От 0,3 до 0,5 От 0,5 до 1,0
Существующие методы внутритрубного диагностирования не обеспечивают должные уровни вероятностей обнаружения всех недопустимых дефектов в нефтепродуктопроводах, в частности газовых полостей и других включений. Для снятия отмеченных ограничений на практике предполагается применение, например, комптоновской гамма- и рентгеновской томографии, как метода радиационного контроля контроля работоспособного при одностороннем доступе к внутренним поверхностям трубопроводов с возможным существенным снижением дозовых нагрузок в дополнение к сущесвующим ультразвуковым и магнитным методам внтуритрубной диагностики.
Тема диссертационных исследований является актуальной, так как значительная часть их выполнялась в рамках научно-исследовательских работ (договор №16.09-40/2019 от 28.01.2019 г. с ООО «Эксперт»), причём общий вектор этих исследований связан с технологиями предупреждения и развития опасных ситуаций, приводящим к авариям и катастрофам техногенного характера и безусловно относится к приоритетным направлениям и критическим технологиям в РФ. Возрастающее с каждым годом количество научных публикаций, ассоциированных с темой диссертационных исследований, также говорит о её важности и значимости.
Степень разработанности темы. Исследованиям методов радиационного контроля, основанных на комптоновском гамма- и рентгеновского обратном рассеянии, посвящены работы отечественных исследователей, например, Булатова Б.П., Андрюшина П.Ф, Капранова Б.И., Горбунова В.И. и других, а также зарубежных учёных Margret M, Kolkoori S, Jessica Kelley, Samir Abdul-Majid и других. В частности, достаточно полно изучены метод радиационного гамма- и рентгеновского контроля на основе оценки параметров комптоновском обратного рассеяния для материалов испытуемых изделий с эффективными атомными номерами Z, не превышающими 22, и плотностью, не превосходящей 2,7 г/см3. Для стальных изделий в литературе имеются многочисленные экспериментальные данные без должного теоретического обоснования. Например, в научной литературе рассматриваются далёкие от реальности
приближенные геометрии задания параметров исходных и рассеянных пучков гамма- и рентгеновского излучения («точечные» пучки первичного и рассеянного излучения), уделяется мало внимания описанию реальных коллимационных систем, являющихся важнейшими составляющими систем радиационного контроля на комптоновском обратном рассеянии гамма- и рентгеновских квантов. По этой причине в научной литературе отсутствуют научно обоснованные корректные определения и методы расчёта реальных апертурных функций рассеивающих объёмов, что обуславливает необходимость восполнения данного пробела в теории и практике проектирования систем радиационного контроля на основе оценки параметров полей комптоновского рассеяния, трансформируемых объектами контроля из полей гамма- и рентгеновского излучения.
Объект исследования. Системы радиационного контроля на основе анализа полей комптоновского обратного рассеяния.
Предмет исследования. Системы радиационного контроля стальных нефтепродуктопроводов на комптоновском обратном рассеянии.
Цель работы. Разработать систему комптоновской гамма- и рентгеновской томографии стальных нефтепродуктопроводов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Проанализировать проблемы оценки пространственного распределения плотности материала по объёму контролируемого объекта в условиях одностороннего доступа для материалов со средним атомным номером Z = 26.
2. Исследовать параметры коллимационной системы для комптоновской гамма- и рентгеновской томографии стальных материалов.
3. Осуществить анализ закономерностей формирования радиационных сигналов от объема конечных размеров при сканировании объекта контроля в условиях одностороннего доступа при комптоновской гамма- и рентгеновской томографии.
распределения плотности материала внутри объекта контроля методом комптоновской гамма- и рентгеновской томографии.
5. Исследовать возможности применения детектирующих систем для комптоновской гамма- и рентгеновской томографии.
Научная новизна диссертационных исследований:
1. Получены формулы для реальных апертурных функций рассеивающего объема с кольцевым детектором.
2. Получены формулы для определения параметров несплошностей при продольном сканировании щелевым коллиматором.
3. Установлено, что падение зондирующего пучка излучения под углом 45° при угле детектирования 90° предпочтительнее, с точки зрения формы рассеивающего объема и объемно-пространственной статистической неопределенности.
4. Разработан алгоритм выбора параметров пинхола первичного коллиматора коллимационной системы.
Практическая значимость работы. Разработанная система радиационного контроля на комптоновском обратном рассеянии, состоящая из: вольфрамовой коллимационной системы с первичным коллиматором в виде пинхола и щелевым вторичным коллиматором, блока сцинтилляционных детекторов BGO и рентгеновского аппарата РАП-300-5, используется в лаборатории неразрушающего контроля для внутритрубного технического диагностирования магистральных стальных нефтепродуктопроводов диаметром 1220 мм с толщиной стенки 10 мм.
Методы исследований:
1. Методы теоретического исследования - физические закономерности испускания, взаимодействия (поглощения, рассеяния) и регистрации гамма- и рентгеновского излучения;
2. Методы математического моделирования;
3. Методы сравнительного анализа и классификации методов, технологий и средств неразрушающего контроля;
4. Методы эмпирических исследований;
5. Аналитические и статистические методы обработки экспериментальных данных применительно к оценке и измерению характеристик полей обратно рассеянного гамма и рентгеновского излучения;
6. Подходы к измерению характеристик коллимационных систем гамма- и рентгеновских комплексов комптоновской томографии;
7. Методы сравнительного и сопоставительного анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований применительно к гамма- и рентгеновских комплексов комптоновской томографии.
Положения, выносимые на защиту:
1. Аналитические выражения для расчёта апертурных функций рассеивающих объёмов, в том числе и для кольцевых детекторов, позволяющие подобрать оптимальное соотношение размеров первичных и вторичных коллиматоров, а также вычислить углы сбора квантов, при нормальном падении зондирующих пучков излучения;
2. Выражения для выбора оптимальных значений размеров щелей первичных и вторичных коллиматоров с учетом деформации рассеивающего объема;
3. Предложены формулы для определения положения и размера несплошности при продольном сканировании щелевым коллиматором.
4. Алгоритм определения предельно контролируемых толщин.
Достоверность полученных результатов обеспечивается систематическим характером исследования, воспроизводимостью полученных результатов моделирования и измерений, сравнением и сопоставлением с результатами исследований других авторов, использованием сертифицированного программного обеспечения.
Реализация результатов работы. Система комптоновской рентгеновской томографии может быть реализована для внутритрубной диагностики стальных магистральных нефтепродуктопроводов диаметром 1220 мм и толщиной стенки 10 мм. Получен патент на изобретение №2802253 (способ изготовления твердотельного изолятора для рентгеновского аппарата). промышленной безопасности.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих всероссийских конференциях: Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее» (г. Томск, 2019 г). Уральская конференция «Физические методы неразрушающего контроля (Янусовские чтения)» 2022г; Молодежная научно- техническая конференция РОНКТД 2022г. 4я Практическая конференция по вопросам неразрушающего контроля NDT Russia 2023.
Публикации. Результаты работы опубликованы в 3 печатных работах, из которых 3 статьи в изданиях, включенных в список ВАК и индексированных в базе данных WoS (SCOPUS), а также в 3 тезисах докладов на всероссийских конференциях. Оформлен результат интеллектуальной деятельности. Патент на изобретение №2802253 (способ изготовления твердотельного изолятора для рентгеновского аппарата).
Личный вклад автора. Диссертационная работа представляет собой обобщение теоретических и экспериментальных исследований автора в области радиационного контроля на обратном Комптоновском рассеянии стальных объектов. В опубликованных работах автору принадлежит: проведение экспериментальных исследований по определению реальных апертурных функций рассеивающего объема, томографии образцов, оценки возможности применения систем сканирования; анализ, интерпретация и обобщение результатов экспериментов; сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка используемой литературы, содержащего 71 источников. Общий объем диссертации составляет 111 страниц и включает 63 рисунков, 6 таблицы и 59 формулы, 1 приложение.
Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность и степень разработанность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, изложены основные положения, выносимые на защиту, приведены основные результаты, определяющие её научную новизну и практическую ценность.
В первой главе проведен анализ существующих исследований по методу радиационного контроля на комптоновском обратном рассеянии. Проведен патентный анализ по тематике исследования.
На основе проведенного анализа установлено, что малоизученной областью является применение дефектоскопии и толщинометрии на комптоновском обратном рассеянии для действующих нефтепродуктопроводов, в частности в области выбора и оценки параметров разрабатываемой системы. Наиболее полно описаны исследования для изделий с атомным номером Z<22 и плотностью 2,7 г/см3. Исследования коллимационных систем (КС) для стальных изделий с атомным номером Z=26 отсутствуют.
Во второй главе дана краткая характеристика основных процессов взаимодействия рентгеновского и гамма излучения с веществом. Описан общий процесс формирования поля рассеянного излучения и формирования рассеивающего объема. Приведены оптимальные значения зондирующего излучения для контроля железа монохроматическим источником и источником с непрерывным спектром. Проведен анализ геометрий формирования рассеивающего объема для системы с подвижным первичным коллиматором и с неподвижным первичным коллиматором в комбинации с кольцевым детектором. Проведено численное моделирование взаимодействия ионизирующего излучения с железом для различных вариантов геометрии и размеров первичного и вторичного коллиматоров.
В третье главе приведены результаты экспериментальных исследований коллимационной системы и способов сканирования.
Проведено экспериментальное определение зоны чувствительности блока детекторов. Исследованы основные параметры разработанной коллимационной системы. Определены предельно контролируемые толщины для стали. Проведено исследование способов сканирования. Выделены три способа сканирования:
1. Сканирование перемещающимся пинхолом;
2. Сканирование неподвижным пинхолом;
3. Сканирование щелевым коллиматором.
При реализации способа сканирования с перемещающимся “пинхолом”, к пинхолу предъявляется ряд требований. Конструкция пинхола должна обеспечивать постоянное значение поперечного сечения для всех углов наклона. Т.е. поперечное сечение рабочего пучка рентгеновского излучения для каждого угла наклона должно быть одинаковым. При данном условии пространственностатистическая неопределённость, в зависимости от угла наклона рабочего пучка рентгеновского излучения, будет постоянной. Также требованием к пинхолу является 100% ослабление интенсивности рабочего пучка за стенками пинхола. Результаты показывают, что при выбранной геометрии пинхола отклонение оси пучка на ±8,72° вызывает изменение интенсивности излучения не более 11%. Это обеспечивает возможность аппаратной или программной коррекции уровней сигналов в системе. Разница между максимальным и минимальным уровнями сигнала /(^составляет 20%.
Применение способа сканирования с щелевым коллиматором не предполагает “пинхол”, определение положения и размеров несплошностей основано на их зависимости от уровня сигнала с сцинтиллятора и на разности уровня сигналов между двумя сцинтилляторами.
Вид конт роля Выявляемые несплошности в
основном металле и сварных соединениях Предельная чувствительность Не гарантирует
выявление или выявляет слабо следующие
несплошности
УЗК Трещины, непровары, поры, неметаллические и металлические включения Для толщин от 1,5 до 10 мм -составляет от 0,5 до
2,5 мм2
Для толщин от 10 до 50 мм - составляет от 2,0 до 7,0 мм2 Поверхностные и
подповерхностные Сферические и
цилиндрические
МК трещины, непровары Поверхностные Подповерхностные и
внутренние
Сферические и
цилиндрические
Ширина (раскрытие), мм Глубина, мм
От 0,1 до 0,5 От 0,2 до 1,0
Подповерхностные
От 0,3 до 0,5 От 0,5 до 1,0
Существующие методы внутритрубного диагностирования не обеспечивают должные уровни вероятностей обнаружения всех недопустимых дефектов в нефтепродуктопроводах, в частности газовых полостей и других включений. Для снятия отмеченных ограничений на практике предполагается применение, например, комптоновской гамма- и рентгеновской томографии, как метода радиационного контроля контроля работоспособного при одностороннем доступе к внутренним поверхностям трубопроводов с возможным существенным снижением дозовых нагрузок в дополнение к сущесвующим ультразвуковым и магнитным методам внтуритрубной диагностики.
Тема диссертационных исследований является актуальной, так как значительная часть их выполнялась в рамках научно-исследовательских работ (договор №16.09-40/2019 от 28.01.2019 г. с ООО «Эксперт»), причём общий вектор этих исследований связан с технологиями предупреждения и развития опасных ситуаций, приводящим к авариям и катастрофам техногенного характера и безусловно относится к приоритетным направлениям и критическим технологиям в РФ. Возрастающее с каждым годом количество научных публикаций, ассоциированных с темой диссертационных исследований, также говорит о её важности и значимости.
Степень разработанности темы. Исследованиям методов радиационного контроля, основанных на комптоновском гамма- и рентгеновского обратном рассеянии, посвящены работы отечественных исследователей, например, Булатова Б.П., Андрюшина П.Ф, Капранова Б.И., Горбунова В.И. и других, а также зарубежных учёных Margret M, Kolkoori S, Jessica Kelley, Samir Abdul-Majid и других. В частности, достаточно полно изучены метод радиационного гамма- и рентгеновского контроля на основе оценки параметров комптоновском обратного рассеяния для материалов испытуемых изделий с эффективными атомными номерами Z, не превышающими 22, и плотностью, не превосходящей 2,7 г/см3. Для стальных изделий в литературе имеются многочисленные экспериментальные данные без должного теоретического обоснования. Например, в научной литературе рассматриваются далёкие от реальности
приближенные геометрии задания параметров исходных и рассеянных пучков гамма- и рентгеновского излучения («точечные» пучки первичного и рассеянного излучения), уделяется мало внимания описанию реальных коллимационных систем, являющихся важнейшими составляющими систем радиационного контроля на комптоновском обратном рассеянии гамма- и рентгеновских квантов. По этой причине в научной литературе отсутствуют научно обоснованные корректные определения и методы расчёта реальных апертурных функций рассеивающих объёмов, что обуславливает необходимость восполнения данного пробела в теории и практике проектирования систем радиационного контроля на основе оценки параметров полей комптоновского рассеяния, трансформируемых объектами контроля из полей гамма- и рентгеновского излучения.
Объект исследования. Системы радиационного контроля на основе анализа полей комптоновского обратного рассеяния.
Предмет исследования. Системы радиационного контроля стальных нефтепродуктопроводов на комптоновском обратном рассеянии.
Цель работы. Разработать систему комптоновской гамма- и рентгеновской томографии стальных нефтепродуктопроводов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Проанализировать проблемы оценки пространственного распределения плотности материала по объёму контролируемого объекта в условиях одностороннего доступа для материалов со средним атомным номером Z = 26.
2. Исследовать параметры коллимационной системы для комптоновской гамма- и рентгеновской томографии стальных материалов.
3. Осуществить анализ закономерностей формирования радиационных сигналов от объема конечных размеров при сканировании объекта контроля в условиях одностороннего доступа при комптоновской гамма- и рентгеновской томографии.
распределения плотности материала внутри объекта контроля методом комптоновской гамма- и рентгеновской томографии.
5. Исследовать возможности применения детектирующих систем для комптоновской гамма- и рентгеновской томографии.
Научная новизна диссертационных исследований:
1. Получены формулы для реальных апертурных функций рассеивающего объема с кольцевым детектором.
2. Получены формулы для определения параметров несплошностей при продольном сканировании щелевым коллиматором.
3. Установлено, что падение зондирующего пучка излучения под углом 45° при угле детектирования 90° предпочтительнее, с точки зрения формы рассеивающего объема и объемно-пространственной статистической неопределенности.
4. Разработан алгоритм выбора параметров пинхола первичного коллиматора коллимационной системы.
Практическая значимость работы. Разработанная система радиационного контроля на комптоновском обратном рассеянии, состоящая из: вольфрамовой коллимационной системы с первичным коллиматором в виде пинхола и щелевым вторичным коллиматором, блока сцинтилляционных детекторов BGO и рентгеновского аппарата РАП-300-5, используется в лаборатории неразрушающего контроля для внутритрубного технического диагностирования магистральных стальных нефтепродуктопроводов диаметром 1220 мм с толщиной стенки 10 мм.
Методы исследований:
1. Методы теоретического исследования - физические закономерности испускания, взаимодействия (поглощения, рассеяния) и регистрации гамма- и рентгеновского излучения;
2. Методы математического моделирования;
3. Методы сравнительного анализа и классификации методов, технологий и средств неразрушающего контроля;
4. Методы эмпирических исследований;
5. Аналитические и статистические методы обработки экспериментальных данных применительно к оценке и измерению характеристик полей обратно рассеянного гамма и рентгеновского излучения;
6. Подходы к измерению характеристик коллимационных систем гамма- и рентгеновских комплексов комптоновской томографии;
7. Методы сравнительного и сопоставительного анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований применительно к гамма- и рентгеновских комплексов комптоновской томографии.
Положения, выносимые на защиту:
1. Аналитические выражения для расчёта апертурных функций рассеивающих объёмов, в том числе и для кольцевых детекторов, позволяющие подобрать оптимальное соотношение размеров первичных и вторичных коллиматоров, а также вычислить углы сбора квантов, при нормальном падении зондирующих пучков излучения;
2. Выражения для выбора оптимальных значений размеров щелей первичных и вторичных коллиматоров с учетом деформации рассеивающего объема;
3. Предложены формулы для определения положения и размера несплошности при продольном сканировании щелевым коллиматором.
4. Алгоритм определения предельно контролируемых толщин.
Достоверность полученных результатов обеспечивается систематическим характером исследования, воспроизводимостью полученных результатов моделирования и измерений, сравнением и сопоставлением с результатами исследований других авторов, использованием сертифицированного программного обеспечения.
Реализация результатов работы. Система комптоновской рентгеновской томографии может быть реализована для внутритрубной диагностики стальных магистральных нефтепродуктопроводов диаметром 1220 мм и толщиной стенки 10 мм. Получен патент на изобретение №2802253 (способ изготовления твердотельного изолятора для рентгеновского аппарата). промышленной безопасности.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих всероссийских конференциях: Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее» (г. Томск, 2019 г). Уральская конференция «Физические методы неразрушающего контроля (Янусовские чтения)» 2022г; Молодежная научно- техническая конференция РОНКТД 2022г. 4я Практическая конференция по вопросам неразрушающего контроля NDT Russia 2023.
Публикации. Результаты работы опубликованы в 3 печатных работах, из которых 3 статьи в изданиях, включенных в список ВАК и индексированных в базе данных WoS (SCOPUS), а также в 3 тезисах докладов на всероссийских конференциях. Оформлен результат интеллектуальной деятельности. Патент на изобретение №2802253 (способ изготовления твердотельного изолятора для рентгеновского аппарата).
Личный вклад автора. Диссертационная работа представляет собой обобщение теоретических и экспериментальных исследований автора в области радиационного контроля на обратном Комптоновском рассеянии стальных объектов. В опубликованных работах автору принадлежит: проведение экспериментальных исследований по определению реальных апертурных функций рассеивающего объема, томографии образцов, оценки возможности применения систем сканирования; анализ, интерпретация и обобщение результатов экспериментов; сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка используемой литературы, содержащего 71 источников. Общий объем диссертации составляет 111 страниц и включает 63 рисунков, 6 таблицы и 59 формулы, 1 приложение.
Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность и степень разработанность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, изложены основные положения, выносимые на защиту, приведены основные результаты, определяющие её научную новизну и практическую ценность.
В первой главе проведен анализ существующих исследований по методу радиационного контроля на комптоновском обратном рассеянии. Проведен патентный анализ по тематике исследования.
На основе проведенного анализа установлено, что малоизученной областью является применение дефектоскопии и толщинометрии на комптоновском обратном рассеянии для действующих нефтепродуктопроводов, в частности в области выбора и оценки параметров разрабатываемой системы. Наиболее полно описаны исследования для изделий с атомным номером Z<22 и плотностью 2,7 г/см3. Исследования коллимационных систем (КС) для стальных изделий с атомным номером Z=26 отсутствуют.
Во второй главе дана краткая характеристика основных процессов взаимодействия рентгеновского и гамма излучения с веществом. Описан общий процесс формирования поля рассеянного излучения и формирования рассеивающего объема. Приведены оптимальные значения зондирующего излучения для контроля железа монохроматическим источником и источником с непрерывным спектром. Проведен анализ геометрий формирования рассеивающего объема для системы с подвижным первичным коллиматором и с неподвижным первичным коллиматором в комбинации с кольцевым детектором. Проведено численное моделирование взаимодействия ионизирующего излучения с железом для различных вариантов геометрии и размеров первичного и вторичного коллиматоров.
В третье главе приведены результаты экспериментальных исследований коллимационной системы и способов сканирования.
Проведено экспериментальное определение зоны чувствительности блока детекторов. Исследованы основные параметры разработанной коллимационной системы. Определены предельно контролируемые толщины для стали. Проведено исследование способов сканирования. Выделены три способа сканирования:
1. Сканирование перемещающимся пинхолом;
2. Сканирование неподвижным пинхолом;
3. Сканирование щелевым коллиматором.
При реализации способа сканирования с перемещающимся “пинхолом”, к пинхолу предъявляется ряд требований. Конструкция пинхола должна обеспечивать постоянное значение поперечного сечения для всех углов наклона. Т.е. поперечное сечение рабочего пучка рентгеновского излучения для каждого угла наклона должно быть одинаковым. При данном условии пространственностатистическая неопределённость, в зависимости от угла наклона рабочего пучка рентгеновского излучения, будет постоянной. Также требованием к пинхолу является 100% ослабление интенсивности рабочего пучка за стенками пинхола. Результаты показывают, что при выбранной геометрии пинхола отклонение оси пучка на ±8,72° вызывает изменение интенсивности излучения не более 11%. Это обеспечивает возможность аппаратной или программной коррекции уровней сигналов в системе. Разница между максимальным и минимальным уровнями сигнала /(^составляет 20%.
Применение способа сканирования с щелевым коллиматором не предполагает “пинхол”, определение положения и размеров несплошностей основано на их зависимости от уровня сигнала с сцинтиллятора и на разности уровня сигналов между двумя сцинтилляторами.
1. Разработана коллимационная система с подвижным первичным коллиматором “пинхолом” размером 1 мм и вторичным щелевым коллиматором размером 1 мм, позволяющая проводить сканирование при применении рентгеновского аппарата РАП-300-5 с напряжением на аноде 270 кВ в пределах 50 мм при фокусном расстоянии 163 мм до 10 мм толщины стали с выявляемостью несплошности 1,5х1,5х1,0 мм3 на глубине 10 мм, при изменении поперечного размера рабочего пучка излучения не более 15% и разнице между максимальным уровнем интенсивности и минимальным не более 11%, сохраняя при этом удовлетворительные значения объёмно-пространственной статистической неопределенности.
2. Получены формулы АФРО для кольцевого детектора, позволяющие подобрать оптимальное соотношение размеров первичного и вторичного коллиматора, а также угол сбора квантов, при нормальном падении зондирующего пучка излучения.
3. Коллимационная система с щелевым коллиматором позволяет проводить сканирование производительнее, по сравнению с коллиматором в виде “пинхола”. В то же время для такой системы положение несплошности определяется с большей точностью чем её размер, так как положение зависит от разности сигналов детекторов.
4. Основное влияние на объемно-пространственную статистическую неопределенность оказывает величина первичного коллиматора при нормальном падении зондирующего пучка излучения. Падение зондирующего пучка излучения под углом 45° является предпочтительным, с точки зрения формы рассеивающего объема и объёмно-пространственной статистической неопределенности.
5. Вследствие деформации рассеивающего объема по мере увеличения глубины залегания, размер вторичного коллиматора необходимо увеличивать.
6. Установлено, что зондирование с помощью радионуклидного источника является предпочтительным, так как его спектр достоверно известен, спектр же источника с непрерывным спектром, трудно однозначно определить заранее, еще более трудную задачу представляет собой определение спектра обратно-рассеянного излучения от источника с непрерывным спектром. Тем самым можно повысить отношение сигнал/шум путем применения радионуклидного источника Цезий-137 и проведением спектрометрии, так для нормального падения ширина спектра рассеянного излучения оказывается заметно уже, чем для спектра рассеянного излучения при угле падения зондирующего пучка излучения 45°.
2. Получены формулы АФРО для кольцевого детектора, позволяющие подобрать оптимальное соотношение размеров первичного и вторичного коллиматора, а также угол сбора квантов, при нормальном падении зондирующего пучка излучения.
3. Коллимационная система с щелевым коллиматором позволяет проводить сканирование производительнее, по сравнению с коллиматором в виде “пинхола”. В то же время для такой системы положение несплошности определяется с большей точностью чем её размер, так как положение зависит от разности сигналов детекторов.
4. Основное влияние на объемно-пространственную статистическую неопределенность оказывает величина первичного коллиматора при нормальном падении зондирующего пучка излучения. Падение зондирующего пучка излучения под углом 45° является предпочтительным, с точки зрения формы рассеивающего объема и объёмно-пространственной статистической неопределенности.
5. Вследствие деформации рассеивающего объема по мере увеличения глубины залегания, размер вторичного коллиматора необходимо увеличивать.
6. Установлено, что зондирование с помощью радионуклидного источника является предпочтительным, так как его спектр достоверно известен, спектр же источника с непрерывным спектром, трудно однозначно определить заранее, еще более трудную задачу представляет собой определение спектра обратно-рассеянного излучения от источника с непрерывным спектром. Тем самым можно повысить отношение сигнал/шум путем применения радионуклидного источника Цезий-137 и проведением спектрометрии, так для нормального падения ширина спектра рассеянного излучения оказывается заметно уже, чем для спектра рассеянного излучения при угле падения зондирующего пучка излучения 45°.
