BADANIA ZŁĄCZY SPAWANYCH TECHNIKAMI RADIOGRAFII CYFROWEJ W ŚWIETLE WYMAGAŃ NORMY EN ISO 17636-2 Sławomir Mackiewicz IPPT PAN 1. Wstęp W czerwcu 2013, decyzją Prezesa PKN, została wprowadzona do katalogu Polskich Norm norma o numerze PN-EN ISO 17636-2:2013-06 dotycząca badań nieniszczących spoin technikami radiografii cyfrowej. Norma została wydana w formie okładkowej i jest obecnie dostępna w wersji angielskojęzycznej [1]. Wprowadzenie tego długo oczekiwanego standardu stanowi ważny krok w kierunku szerszego wykorzystania technik radiografii cyfrowej w badaniach złączy spawanych. Brak tego rodzaju normy, będącej odpowiednikiem EN 1435 w obszarze technik cyfrowych, stanowił istotne utrudnienie przy zastępowaniu tradycyjnych technik błonowych technikami CR lub DDR. Obecnie, dwie nowo wprowadzone normy: EN ISO 17636-1 (zastępująca EN 1435) oraz 17636-2 stanowią równorzędną i wzajemnie kompatybilną podstawę zarówno dla technik błonowych jak i cyfrowych. Co więcej, status EN ISO tych norm oznacza, że ich zakres geograficzny obejmuje nie tylko obszar Unii Europejskiej, lecz cały świat. Wymagania zawarte w normie EN ISO 17636-2 są zgodne z wymaganiami ogólnych norm dotyczących radiografii komputerowej [2], [3], [4] ale stanowią ich rozwinięcie i uszczegółowienie w obszarze badań złączy spawanych. W referacie omówiono jedynie najważniejsze wymagania normy EN ISO 17636-2. Ze względu na znaczną objętość tego dokumentu (52 strony) skoncentrowano się jedynie na wybranych aspektach dotyczących specyfiki badań spoin technikami cyfrowymi. Znaczna część wymagań normy, np. zalecane geometrie ekspozycji, sposoby identyfikacji i oznaczania radiogramów, zasady obliczania liczby ekspozycji spoin obwodowych itp. została przeniesiona ze znanych norm dotyczących radiografii błonowej (np. EN 1435) i nie stanowi nowości dla specjalistów badań radiograficznych. Elementy te zostały w artykule pominięte, podobnie jak niektóre punkty dotyczące techniki DDR czy radiografii projekcyjnej. Przyjęto również, że podstawowe parametry jakościowe radiogramów cyfrowych takie jak SNR N, GV i SR b są wystarczająco dobrze znane uczestnikom konferencji, ponieważ były szczegółowo omawiane na poprzednich KKBR-ach ([5],[6]). Z drugiej strony norma EN ISO 17636-2 wprowadza kilka nowych terminów i koncepcji, które należy omówić bardziej szczegółowo. Dotyczy to np. zasad kompensacji CP, parametru CNR oraz odmiennych niż w radiografii błonowej zaleceń dotyczących stosowania filtrów, osłon i okładek metalowych. W celu lepszej ilustracji poszczególnych zapisów pokazano ich przykładowe zastosowanie do badań obwodowych złączy spawanych rurociągu DN 700 o grubości ścianki 11 mm. Przykład taki pozwala na lepsze zrozumienie omawianych zagadnień a ponadto może stanowić praktyczną pomoc przy wdrażaniu techniki CR w firmach wykonujących badania nieniszczące spoin. 83
2. Zakres normy Norma EN ISO 17636-2 dotyczy badań radiograficznych złączy spawanych metali wykonywanych technikami radiografii cyfrowej. Obejmuje ona swoim zakresem zarówno badania wykonywane techniką CR (Computed Radiography) wykorzystującą pamięciowe płyty luminoforowe jak i badania technikami zobrazowania bezpośredniego, które wykorzystują panele DDR (Digital Detector Arrays). Norma określa minimalne wymagania dotyczące badań radiograficznych spoin wykonywanych za pomocą lamp rentgenowskich o napięciu do 1000 kv, źródeł promieniowania gamma (Tm-170, b-169, Se-75, Ir-192, Co-60) oraz wysokoenergetycznych źródeł promieniowania rentgenowskiego o energiach od 1 do 12 MeV. Norma określa szczegółowe techniki radiograficzne odpowiednie do badań złączy spawanych blach i rur. Techniki dotyczące rur odnoszą się także do wszelkich innych elementów o symetrii cylindrycznej takich jak rurociągi czy zbiorniki ciśnieniowe. 3. Klasyfikacja technik Norma EN ISO 17636-2 określa dwie klasy cyfrowych technik radiograficznych: Klasa A: techniki podstawowe Klasa B: techniki ulepszone Techniki klasy B są stosowane wtedy, gdy czułość technik klasy A nie jest wystarczająca. Wybór klasy techniki radiograficznej powinien zostać uzgodniony pomiędzy zainteresowanymi stronami. Przyjmuje się, że dostrzegalność nieciągłości dla technik radiografii błonowej i cyfrowej tej samej klasy jest porównywalna. Dostrzegalność nieciągłości należy potwierdzić przez stosowanie wskaźników jakości obrazu IQI zgodnie z normami ISO 19232-1, ISO 19232-2 oraz ISO 19232-5 (odpowiedniki EN 462-1, EN 462-2 oraz EN 462-5). Jeśli, ze względów technicznych nie jest możliwe spełnienie jednego z warunków określonych dla klasy B, takich jak typ źródła promieniowania lub odległość źródło obiekt zainteresowane strony mogą uzgodnić, że dany warunek powinien spełniać wymagania klasy A. Związana z tym utrata czułości powinna być jednak skompensowana przez podwyższenie minimalnej wymaganej wartości SNR N o współczynnik > 1,4. Z uwagi na podwyższoną czułość kontrastową w stosunku do klasy A badanie takie może być uważane za wykonane w klasie B pod warunkiem jednak, że wymagana wykrywalność wskaźnikowa IQI zostanie osiągnięta. 4. Zasady kompensacji Norma EN ISO 17636-2 wprowadza 3 zasady kompensacji: CP I, CP II, CP III, których celem jest uzyskanie wystarczającej czułości kontrastowej radiogramu cyfrowego. Podstawowym parametrem związanym ze stosowaniem tych zasad jest znormalizowany stosunek kontrastu do szumu oznaczany symbolem CNR N. CNR (nieznormalizowany) jest zdefiniowany, jako stosunek różnicy wartości średnich zlinearyzowanych wartości GV na dwóch obszarach radiogramu odpowiadających różnym grubościom prześwietlanego materiału do wartości średniego odchylenia standardowego wartości GV na tych obszarach. Aby określona różnica grubości materiału - w mogła być uwidoczniona na obrazie stosunek ten musi być wyraźnie większy od 1. Normalizację CNR przeprowadza się, analogicznie jak normalizację SNR, za pomocą następującego wyrażenia: 84
gdzie: CNR N =CN (1) SR b podstawowa rozdzielczość przestrzenna detektora. Wszystkie zasady kompensacji oparte są na następującej przybliżonej zależności obowiązującej dla małych różnic grubości prześwietlanego materiału ( w w): = c (2) gdzie: eff efektywny współczynnik absorbcji promieniowania; c stała. Podstawową regułą przy stosowaniu zasad kompensacji jest utrzymanie odpowiednio wysokiej wartości ilorazu po lewej stronie równania (2). Wartość tego ilorazu jest miarą czułości kontrastowej radiogramu cyfrowego. Jeśli któryś z parametrów techniki radiograficznej po prawej stronie równania (2) nie spełnia założonych wymagań, można to skompensować przez odpowiednią zmianę jednego z dwóch pozostałych parametrów. Przykładowo, jeśli wskutek zastosowania zbyt wysokiej energii promieniowania obniżeniu uległ efektywny współczynnik absorbcji promieniowania eff pierwsza zasada kompensacji CP I mówi, że w celu skompensowania tego efektu można odpowiednio podwyższyć wartość parametru SNR. Można to osiągnąć przez zwiększenie czasu ekspozycji lub natężenia prądu lampy rentgenowskiej. Druga zasada kompensacji CP II odnosi się do przypadku, gdy z uwagi na właściwości detektora nie można osiągnąć wymaganej rozdzielczości przestrzennej SR b. W celu skompensowania tego braku można odpowiednio podwyższyć wartość SNR. Podwyższony SNR musi umożliwić uwidocznienie 1 dodatkowego pręcika wskaźnika IQI dla każdej brakującej pary pręcików wskaźnika typu duplex. Trzecia zasada kompensacji CP III dotyczy kompensacji zwiększonej lokalnej nieostrości systemów DDR spowodowanej występowaniem złych pikseli, które nie mają odpowiedniej liczby dobrych sąsiadów. Ponieważ zasada ta nie dotyczy systemów CR nie będziemy jej tutaj szczegółowo omawiać. Należy zauważyć, że wszystkie 3 zasady kompensacji zalecają jedynie zwiększenie wartości SNR nie odnosząc się do parametru SR b. Wynika to z faktu, że podstawowa rozdzielczość przestrzenna SR b jest zdeterminowana przez właściwości systemu badawczego (np. czytnika CR, płyty IP) i użytkownik nie ma praktycznej możliwości regulacji tego parametru. 4. Wskaźniki jakości obrazu W celu oceny jakości obrazu w radiografii cyfrowej muszą być stosowane dwa typy wskaźników: standardowe wskaźniki pręcikowe wg. ISO 19232-1 (alternatywnie wskaźniki otworkowe wg. ISO 19232-2) oraz wskaźniki dwupręcikowe typu duplex zgodne z ISO 19232-5. 85
4.1. Zasady stosowania wskaźników dwupręcikowych typu duplex Obowiązek stosowania wskaźników dwupręcikowych wynika z konieczności kontroli nieostrości systemów cyfrowych oraz wyznaczania podstawowej rozdzielczości przestrzennej detektora - SR b. Norma EN ISO 17636-2 określa minimalne wymagania, co do wartości tego parametru w zależności od grubości prześwietlanego materiału oraz klasy techniki radiograficznej. Poniżej przytoczono wymagania odnoszące się do technik klasy B zaczerpnięte z tabeli B.14 omawianej normy. Prześwietlana grubość materiału a w [mm] w 1,5 1,5 < w 4 4 < w 8 8 < w 12 12 < w 40 40 < w 120 120 < w 200 w > 200 Nr wskaźnika typu duplex maksymalna nieostrość (ISO 19232-6) b [mm] D 13+ 0,08 D 13 0,10 D 12 0,125 D 11 0,16 D 10 0,20 D 9 0,26 D 8 0,32 D 7 Maksymalna dopuszczalna podstawowa rozdzielczość przestrzenna SR b [mm] 0,04 0,05 0,063 0,08 0,10 0,13 0,16 0,20 0,40 a Dla technik prześwietlania przez dwie ścianki, z oceną jednej, zamiast w należy stosować grubość nominalną pojedynczej ścianki t. b Podane wartości wskaźników IQI dotyczą technik kontaktowych. Dla technik projekcyjnych z geometrycznym powiększeniem odczyt IQI należy wykonać na radiogramie referencyjnym c Wartość D 13+ jest osiągnięta gdy para pręcików D 13 jest rozdzielona dołkiem intensywności między pręcikami głębszym niż 20% intensywności maksymalnej Tab. 1. Maksymalne dopuszczalne wartości nieostrości dla technik klasy B (na podstawie tabeli B.14 normy EN ISO 17636-2). Bardzo istotne jest to, że norma EN ISO 17636-2 nie wprowadza konieczności stosowania wskaźnika typu duplex na każdym radiogramie produkcyjnym. Wymagana jest jedynie kontrola podstawowej rozdzielczości przestrzennej stosowanego systemu na radiogramie referencyjnym wykonanym zgodnie z zasadami opisanymi w Załączniku C. Zasady te są dość szczegółowe i regulują, między innymi, dobór źródła promieniowania, odległość źródło detektor, sposób umieszczania wskaźnika typu duplex, minimalną wartość SNR dla radiogramu referencyjnego a także sposób wyznaczania oraz interpretowania profilu liniowego, z którego odczytuje się nr pierwszej nierozdzielonej pary pręcików. Stosowanie wskaźników typu duplex na radiogramach produkcyjnych może być jednak konieczne na mocy umowy pomiędzy zainteresowanymi stronami. W takich przypadkach wskaźnik ten należy umieszczać na obiekcie od strony źródła promieniowania. 86
Uzyskana w ten sposób podstawowa rozdzielczość przestrzenna obrazu SR b image nie powinna przekraczać wartości maksymalnych określonych w tabelach B.13 i B.14 omawianej normy. Dla przykładowego badania złączy obwodowych rurociągu DN700 o grubości ścianki 11 mm technikami klasy B (obwodową i centryczną) podstawowa rozdzielczość przestrzenna systemu - SR b powinna wynosić 0,08 mm lub mniej. Oznacza to, że na radiogramie referencyjnym lub radiogramach produkcyjnych (o ile jest to wymagane) pierwszą nierozdzieloną parą pręcików powinna być para D 11. 4.2. Zasady stosowania wskaźników IQI typu pręcikowego lub schodkowo-otworkowego Wskaźniki IQI typu pręcikowego wg ISO 19232-1 lub alternatywne wskaźniki otworkowe wg. ISO 19232-2 stosowane są w celu weryfikacji czułości kontrastowej radiogramów cyfrowych. Zasady stosowania tego typu wskaźników są dokładnie takie same jak w tradycyjnej radiografii błonowej i zostały, praktycznie bez zmian, przeniesione z normy EN 1435. Minimalne wymagane wartości wykrywalności wskaźnikowej dla różnych technik radiograficznych zostały określone w tabelach B.1 B.12 normy EN ISO 17636-2 w sposób analogiczny jak w normie EN 1435. Jedyne różnice dotyczą możliwości obniżenia wymagań, w zakresie wykrywalności wskaźnikowej w przypadku stosowania źródeł izotopowych Ir-192 oraz Se-75. W przypadku normy EN ISO 17636-2 możliwości te są nieco większe i przedstawiają się następująco: Dla technik ekspozycji przez dwie ścianki z oceną obu ścianek, klasy A i B: 10 mm < w 25 mm - możliwość obniżenia o 1 wymaganego numeru wskaźnika pręcikowego lub schodkowo-otworkowego dla Ir-192; 5 mm < w 12 mm - możliwość obniżenia o 1 wymaganego numeru wskaźnika pręcikowego lub schodkowo-otworkowego dla Se-75. Dla technik ekspozycji przez jedną lub dwie ścianki z oceną jednej ścianki, klasa A: 10 mm < w 24 mm - możliwość obniżenia o 2 wymaganego numeru wskaźnika pręcikowego lub schodkowo-otworkowego dla Ir-192 24 mm < w 30 mm - możliwość obniżenia o 1 wymaganego numeru wskaźnika pręcikowego lub schodkowo-otworkowego dla Ir-192 5 mm < w 24 mm - możliwość obniżenia o 1 wymaganego numeru wskaźnika pręcikowego lub schodkowo-otworkowego dla Se-75 Dla technik ekspozycji przez jedną lub dwie ścianki z oceną jednej ścianki, klasa B: 10 mm < w 40 mm - możliwość obniżenia o 1 wymaganego numeru wskaźnika pręcikowego lub schodkowo-otworkowego dla Ir-192; 5 mm < w 20 mm - możliwość obniżenia o 1 wymaganego numeru wskaźnika pręcikowego lub schodkowo-otworkowego dla Se-75. W celu zilustrowania zastosowania powyższych wymagań do badań spoin rurociągu DN 700x11 przytaczamy dwie tabele z normy EN ISO 17636-2 mające zastosowanie do tego konkretnego przypadku: tabelę B.3 dla techniki centrycznej klasy B oraz tabelę B.11 dla techniki obwodowej klasy B. 87
Prześwietlana grubość materiału w [mm] Nr wskaźnika IQI typu pręcikowego w 1,5 W 19 1,5 < w 2,5 W 18 2,5 < w 4 W 17 4 < w 6 W 16 6 < w 8 W 15 8 < w 12 W 14 12 < w 20 W 13 20 < w 30 W 12 30 < w 35 W 11 35 < w 45 W 10 45 < w 65 W 9 65 < w 120 W 8 120 < w 200 W 7 200 < w 350 W 6 w > 350 W 5 Tab. 2. Wymagane wartości wskaźnika IQI typu pręcikowego dla technik ekspozycji przez 1 ściankę klasy B. Wskaźnik umieszczony od strony źródła. Wartości zgodne z tab. B.3 normy EN ISO 17636-2. Prześwietlana grubość materiału w [mm] Nr wskaźnika IQI typu pręcikowego w 1,5 W 19 1,5 < w 2,5 W 18 2,5 < w 4 W 17 4 < w 6 W 16 6 < w 12 W 15 12 < w 18 W 14 18 < w 30 W 13 30 < w 45 W 12 45 < w 55 W 11 55 < w 70 W 10 70 < w 100 W 9 100 < w 180 W 8 180 < w 300 W 7 w > 300 W 6 Tab. 3. Wymagane wartości wskaźnika IQI typu pręcikowego dla technik ekspozycji przez 2 ścianki klasy B. Wskaźnik umieszczony od strony detektora. Wartości zgodne z tab. B.11 normy EN ISO 17636-2. Z przedstawionych tabel wynika, że w badaniach spoin liniowych rurociągu techniką centryczną należy osiągnąć wykrywalność pręcikową W14, natomiast w badaniach spoin 88
montażowych techniką obwodową W13. Jeśli jednak założymy, że ze względów ekonomicznych w badaniach będziemy stosować bardziej praktyczne źródła izotopowe, Se- 75 dla metody centrycznej oraz Ir-192 dla metody obwodowej, to wymagane wartości IQI można obniżyć w następujący sposób: Dla techniki centrycznej klasy B z użyciem źródeł Se-75 do wartości W13 Dla techniki obwodowej klasy B z użyciem źródeł Ir-192 do wartości W12 Należy ponadto pamiętać, że wartość wykrywalności pręcikowej określona dla techniki centrycznej dotyczy konfiguracji, w której wskaźnik IQI umieszczony jest od strony źródła tj. wewnątrz rurociągu. Ponieważ taka konfiguracja jest niepraktyczna wskaźnik IQI będzie zazwyczaj umieszczany na zewnątrz rurociągu od strony płyty IP. Aby określić wpływ tej zmiany na wartość wykrywalności pręcikowej norma nakazuje wykonanie przynajmniej jednej ekspozycji porównawczej ze wskaźnikami IQI umieszczonymi po obu stronach prześwietlanej ścianki. Na tej podstawie można określić ekwiwalentną wartość wykrywalności pręcikowej dla przypadku, gdy wskaźnik IQI umieszczony jest od strony detektora. 5. Techniki radiograficzne 5.1. Konfiguracje badawcze Techniki radiograficzne zalecane w normie EN ISO 17636-2 do wykonywania radiogramów cyfrowych są takie same jak w normie EN 1435. Jedyną różnicę stanowi wprowadzenie możliwości wykonywania radiogramów na sztywnych płaskich kasetach lub detektorach cyfrowych, które nie mogą być dopasowane do krzywizny powierzchni rury. Ponieważ techniki te są powszechnie znane dla przykładu pokazano jedynie dwie techniki, które są stosowane do badań spoin obwodowych dużych rurociągów. Są to odpowiednio technika centryczna oraz technika obwodowa. Rys. 1. Technika centryczna wg punktu 7.1.4 normy EN ISO 17636-2. 89
a) b) Rys. 2. Technika obwodowa wg punktu 7.1.8 normy EN ISO 17636-2. W porównaniu do normy EN 1435 wprowadzono możliwość wykonywania radiogramów na płaskich detektorach cyfrowych. W przypadku techniki obwodowej pokazanej na rys. 2 istotna jest liczba ekspozycji niezbędnych do przebadania całego obwodu spoiny. Wymagania w tym zakresie są takie same jak w normie EN 1435 i zostały określone za pomocą identycznych wykresów podanych w załączniku A. Dla przykładowego rurociągu DN 700x11 badanego techniką obwodową w klasie B minimalna liczba ekspozycji dla zbadania całego obwodu spoiny wynosi 4. 5.2. Dobór źródeł promieniowania Podstawowy wykres określający maksymalne wartości napięć lamp rentgenowskich, jakie mogą być stosowane przy badaniach technikami cyfrowymi podstawowych materiałów, z których wykonywane są złącza spawane (stal, stopy miedzi i niklu, stopy tytanu, stopy aluminium) podano w punkcie 7.2.1 normy. Jest to wykres oparty na doświadczeniach wyniesionych z radiografii błonowej i w zakresie napięć poniżej 500 kv jest całkowicie zgodny z analogicznym wykresem zawartym w normie EN 1435. Nowością jest jednak rozszerzenie zakresu napięć na wykresie do 1000 kv oraz prześwietlanych grubości materiału do 1000 mm. W normie EN 1435 zakresy te wynosiły odpowiednio 500 kv i 100 mm. Zmiana ta wynika z jednej strony z pojawienia się nowych, wysokonapięciowych źródeł promieniowania rentgenowskiego z drugiej zaś z większej czułości detektorów cyfrowych pozwalających uzyskiwać czytelne radiogramy przy znacznie niższych dawkach promieniowania. Z uwagi na specyfikę detektorów cyfrowych oraz omawiane wcześniej zasady kompensacji podany wykres nie stanowi już sztywnej reguły, lecz daje raczej pewien punkt wyjścia przy określaniu optymalnej wartości napięcia dla określonego badania. W szczególności, w badaniach techniką CR na gruboziarnistych płytach IP o dużym szumie strukturalnym norma zaleca obniżenie wartości napięcia o 20% w stosunku do wartości uzyskiwanych z wykresu. Z drugiej strony, w przypadku stosowania do badań drobnoziarnistych płyt IP o małym szumie strukturalnym (tzw. płyt IP-HR lub IP-UR) zalecane jest zwiększenie wartości kv w stosunku do wynikających z wykresu. Możliwość ta wynika wprost z zasady kompensacji CP I, która mówi, że obniżenie czułości kontrastowej spowodowane zmniejszeniem współczynnika pochłaniania eff może być skompensowane przez równoczesny wzrost SNR N wynikający ze wzrostu dawki promieniowania wskutek zwiększenia napięcia lampy rentgenowskiej lub czasu ekspozycji. Jeśli chodzi o źródła promieniowania gamma to warunki ich stosowania w badaniach spoin technikami cyfrowymi zostały określone dokładnie w ten sam sposób jak w normie EN 1435 dla radiografii błonowej. Poniżej przedstawiono wyciąg z tabeli 2 normy EN ISO 17636-2 określający te warunki dla najczęściej stosowanych źródeł. 90
Typ źródła Zakres prześwietlanych grubości dla technik klasy A w [mm] Zakres prześwietlanych grubości dla technik klasy B w [mm] Se-75 10 < w 40 14 < w 40 Ir-192 20 < w 100 20 < w 90 Co-60 40 < w 200 60 < w 150 Tab. 4. Zakresy grubości stali oraz stopów niklu i miedzi, które można prześwietlać przy użyciu najczęściej stosowanych źródeł izotopowych. Podobnie jak w radiografii błonowej, na mocy porozumienia zainteresowanych stron, zakres stosowania źródeł Ir-192 można obniżyć do 10 mm, natomiast źródeł Se-75 do 5 mm. Norma dopuszcza również powiększenie górnego zakresu prześwietlanych grubości pod warunkiem, uzyskania wymaganej wykrywalności wskaźnikowej IQI. Odnosząc powyższe uregulowania do naszego przykładowego rurociągu DN 700x11 można stwierdzić, że badania techniką centryczną i obwodową w klasie B można wykonywać źródłami Se-75 oraz Ir-192 wyłącznie na mocy porozumienia stron. Bez takiego porozumienia norma dopuszczałaby w klasie B wyłącznie badania techniką obwodową (w = 2x11 = 22 mm). Badania techniką centryczną byłyby możliwe jedynie w klasie A i to wyłącznie przy zastosowaniu źródeł Se-75. 5.3. Stosowanie detektorów i okładek metalowych Podstawowe wymagania odnośnie zasad stosowania detektorów promieniowania oraz okładek metalowych w badaniach złączy spawanych technikami radiografii cyfrowej określono w Tablicach 3 i 4 normy EN ISO 17636-2. Poniżej, w tab. 5, przytoczono wymagania dotyczące badań spoin ze stali oraz stopów miedzi i niklu za pomocą lamp rentgenowskich i źródeł izotopowych. Tablice 3 i 4 określają minimalne wartości znormalizowanego stosunku sygnał-szum SNR N jakie należy osiągnąć na radiogramach cyfrowych wykonywanych różnymi źródłami promieniowania w zależności od prześwietlanej grubości materiału oraz wymaganej klasy techniki badania. W przypadku techniki CR wymagania odnośnie SNR N można zastąpić równoważnymi wymaganiami odnoszącymi się do minimalnej wartości GV (wartości piksela) pod warunkiem, że równoważne wartości GV min zostały ustalone zgodnie z wymaganiami Załącznika D dla stosowanej kombinacji płyty IP, skanera CR oraz parametrów odczytu. Należy podkreślić, że w przypadku stosowaniu kontroli wartości GV zamiast SNR N każda zmiana parametrów systemu CR wymaga przeprowadzenia nowej procedury kalibracyjnej zgodnie z wymaganiami załącznika D. W przypadku badań złączy spawanych, gdzie na radiogramie występuje zazwyczaj jednorodny obszar materiału rodzimego, bezpośredni pomiar SNR N wydaje się znacznie bardziej bezpiecznym i uniwersalnym rozwiązaniem niż pomiar wtórnego parametru jakim jest GV. Wartości SNR N powinny być mierzone obok spoiny na obszarze materiału rodzimego o równomiernej grubości i w pobliżu miejsca gdzie umieszczono wskaźnik IQI. W przypadku pomiaru minimalnej wartości GV (alternatywna możliwość dla systemów CR) wartość ta powinna być zmierzona bezpośrednio na spoinie w pobliżu wskaźnika IQI. 91
Źródło promieniowania Napięcie lampy 50 kv Napięcie lampy d >50-150 kv Napięcie lampy d >150-250 kv Napięcie lampy d >250-350 kv Napięcie lampy d >350-1000 kv Zakres grubości penetracji w [mm] Minimalny SNR N c Klasa A Klasa B Typ i grubość okładek przednich [mm] 100 150-70 120 0 0,1 (Pb) 70 100 0 0,1 (Pb) 50 70 100 0 0,3 (Pb) > 50 70 70 0 0,3 (Pb) 50 70 100 0 0,3 (Pb) > 50 70 70 0 0,3 (Pb) Yb-169 d 5 70 120 0 0,1 (Pb) > 5 70 100 0 0,1 (Pb) Ir-192 d, Se-75 d 50 70 100 0 0,3 (Pb) > 50 70 70 0 0,4 (Pb) 100 70 100 0,3-0,8 (Fe lub Cu) + Co-60 a,b 0,6-2,0 (Pb) > 100 70 70 0,3-0,8 (Fe lub Cu) + 0,6-2,0 (Pb) a W przypadku stosowania okładek podwójnych (Fe+Pb), okładka stalowa zawsze musi być umieszczona między płytą IP a okładką ołowianą. b Zamiast okładek (Fe) lub (Fe+Pb) mogą być stosowane okładki miedziane, tantalowe lub wolframowe o ile tylko wymagana jakość obrazu może zostać potwierdzona. c Jeśli SNR N mierzony jest w SWC na materiale rodzimym wartości podane w tabeli zależy pomnożyć przez współczynnik 1,4 chyba, że lico i przetop spoiny zostały wyszlifowane na płasko z materiałem rodzimym. d Okładki (Pb) mogą zostać całkowicie lub częściowo zastąpione przez okładki (Fe) lub (Cu). Równoważna grubość okładek (Fe) lub (Cu) jest 3 razy większa niż okładek (Pb). Tab. 5. Minimalne wartości SNR N oraz rodzaje okładek metalowych jakie należy stosować przy badaniach technikami radiografii cyfrowej stali oraz stopów miedzi i niklu. Wymagania dotyczące okładek dotyczą wyłącznie radiografii komputerowej CR. Należy podkreślić, że norma EN ISO 17636-2 traktuje minimalne wartości SNR N podane w Tablicach 3 i 4 jedynie jako wartości rekomendowane i pozwala użytkownikowi na zdefiniowanie własnych wartości minimalnych w celu akceptacji jakości wykonywanych radiogramów cyfrowych. Nie jest jednak jasno powiedziane, w jakim zakresie i na jakiej podstawie użytkownik może zdecydować o obniżeniu wymagań dotyczących SNR N. Zasady stosowania okładek metalowych w radiografii CR znacznie różnią się od zasad wypracowanych w konwencjonalnej radiografii błonowej. Najważniejszą różnicą jest to, że z płytami obrazowymi IP stosuje się wyłącznie okładki przednie. Różnica ta wynika z faktu, że płyta IP, w odróżnieniu od błony radiograficznej, posiada warstwę czułą na promieniowanie wyłącznie z jednej (przedniej) strony. Zastosowanie okładki wzmacniającej za płytą IP nie powoduje żadnego efektu wzmocnienia przez emisję wtórnych elektronów, ponieważ są one 92
skutecznie absorbowane przez grubą warstwę podłożową płyty IP. Co więcej, promieniowanie rentgenowskie rozproszone wstecznie w takiej okładce mogłoby znacznie pogorszyć jakość uzyskiwanego radiogramu cyfrowego. Dotyczy to zwłaszcza okładek ołowianych, w których występuje silny efekt fluorescencji na energiach linii K α i K β w zakresie od 72 do 87 kev. Luminofor płyt IP jest bardzo czuły na promieniowanie w tym zakresie energii. Efekt wzmacniający okładek metalowych stosowanych w połączeniu z płytami IP jest znacznie mniejszy niż w przypadku błon radiograficznych. W zależności od źródła promieniowania oraz grubości warstwy ochronnej luminoforu płyty IP wzmocnienie intensywności sygnału mieści się w zakresie od 20% do 100%. Stosowanie przednich okładek metalowych w radiografii CR jest podyktowane bardziej ich efektem filtracyjnym niż wzmacniającym. Warstwa metalu przed Płytą IP pozwala odfiltrować niskoenergetyczne promieniowanie rozproszone, które w przeciwnym przypadku pogarszałoby jakość uzyskiwanego zobrazowania. W wielu przypadkach w radiografii CR należy rozważyć całkowitą rezygnację ze stosowania okładek metalowych. Częstym efektem ubocznym stosowania okładek jest bowiem zarysowanie lub zabrudzenie powierzchni płyty obrazowej co objawia się potem w postaci artefaktów na uzyskiwanych radiogramach cyfrowych. Dotyczy to zwłaszcza sytuacji gdy w wiązce promieniowania przechodzącego przez badany obiekt jest stosunkowo mały procent promieniowania rozproszonego. Taki przypadek ma miejsce np. w przykładowych badaniach rurociągu DN 700x11 za pomocą źródeł izotopowych Se-75 i Ir-192. Dla grubości ścianki wynoszącej 11 mm współczynnik rozrostu promieniowania (build-up factor) jest mniejszy od 2 (patrz np. [5]), co oznacza, że udział promieniowania rozproszonego w przechodzącej wiązce jest stosunkowo niewielki. W tym przypadku można bezpiecznie zaproponować technikę badania CR bez stosowania jakichkolwiek okładek metalowych. 5.4. Metody redukcji promieniowania rozproszonego W celu ograniczenia wpływu promieniowania rozproszonego w przypadku stosowania źródeł izotopowych (Se-75, Ir-192, Co-60) lub wysokoenergetycznych (kv >1000) można rozważyć zastosowanie filtrów ołowianych umieszczanych przed kasetą z płytą IP. Filtry takie mogą mieć postać płyt ołowianych o grubości od 0,5 do 2 mm zależnej od grubości prześwietlanego materiału. W takim przypadku należy pamiętać, aby między płytą Pb a kasetą umieszczać cienką płytę z miedzi lub stali (ok. 0,5 mm) w celu ograniczenia promieniowania fluorescencyjnego emitowanego z ołowiu. Wpływ promieniowania rozproszonego wstecznie powinien być kontrolowany w ten sam sposób jak w radiografii błonowej, tj. za pomocą ołowianej litery B umieszczanej bezpośrednio za kasetą. Jeśli obraz litery B na uzyskanym radiogramie jest jaśniejszy niż obraz tła (tj. ma mniejsze poziomy GV) należy przedsięwziąć dodatkowe środki mające na celu ograniczenia promieniowania rozproszonego wstecznie, padającego od tyłu na kasetę. W tym celu należy zastosować płytę ołowianą o grubości co najmniej 1 mm lub płytę cynową o grubości co najmniej 1,5 mm umieszczoną za kasetą. W przypadku użycia płyty ołowianej należy, podobnie jak w przypadku filtru ołowianego, zastosować dodatkową osłonę z miedzi lub stali (0,5 mm grubości) w celu zredukowania promieniowania fluorescencyjnego ołowiu. Przy stosowaniu energii promieniowania powyżej 80 kev płyta ołowiana nie może, w żadnym przypadku, przylegać bezpośrednio do tylnej strony kasety z płytą IP. Odnosząc te zalecenia do badań przykładowego rurociągu DN 700 można domniemywać, że ze względu na terenowy charakter badań problem rozpraszania wstecznego nie będzie tutaj występował i nie będzie zachodzić potrzeba stosowania osłon ołowianych za 93
płytą IP. W praktyce przypuszczenie to należałoby jednak zweryfikować za pomocą ekspozycji testowej z literą B wykonanej na rzeczywistym rurociągu w typowych warunkach badań. 5.5. Ustalanie odległości źródło-detektor Wymagania minimalne odnośnie odległości źródło-detektor dla technik cyfrowych są w normie EN ISO 17636-2 sformułowane dokładnie tak samo jak w normie EN 1435. Dla technik klasy A stosunek odległości źródło-obiekt - f do rozmiaru źródła - d powinien spełniać warunek: Dla technik klasy B analogiczny warunek ma postać: (3) W powyższych wzorach b oznacza odległość czołowej powierzchni obiektu od detektora (patrz np. rys. 2). W przypadku, kiedy technikę prześwietlania przez dwie ścianki zastępuje się techniką prześwietlania przez jedną ściankę, w której źródło jest umieszczone wewnątrz rury norma zezwala na złagodzenie warunków określonych równaniami (3) i (4). W takich przypadkach możliwe jest obniżenie minimalnej wymaganej odległości źródło-obiekt o 20% a w przypadku techniki centrycznej nawet o 50% w porównaniu do wartości określonych powyższymi wzorami. Oprócz powyższych warunków minimalnych, które są zgodne z obowiązującymi w radiografii błonowej norma EN ISO 17636-2 formułuje dodatkowe rekomendacje o charakterze zaleceń mające na celu uwzględnienie zwiększonej nieostrości systemów cyfrowych w porównaniu z błonami radiograficznymi. Zmodyfikowane formuły uwzględniające ograniczoną rozdzielczość przestrzenną (parametr SR b ) detektorów cyfrowych mają postać: ( ) (5) (4) dla technik klasy A, oraz: ( ) (6) dla technik klasy B. Powyższe alternatywne formuły można stosować jedynie wtedy, gdy podstawowa rozdzielczość przestrzenna stosowanego detektora cyfrowego spełnia następujący warunek: dla technik klasy A: 94
dla technik klasy B: W przypadku badań przykładowego rurociągu DN 700x11 przy użyciu typowych źródeł izotopowych o rozmiarze d = 3 mm minimalną odległość źródło-obiekt dla technik klasy B można obliczyć ze wzoru (4): 223 mm Jak widać dla rozważanego rurociągu warunek minimalny jest spełniony zarówno dla badań techniką obwodową jak i centryczną. Zakładając, że chcielibyśmy zastosować rekomendowane warunki alternatywne uwzględniające podstawową rozdzielczość przestrzenną detektora, wynoszącą np. SR b =0,063 mm obliczenie f min ze wzoru (6) wyglądałoby następująco: ( ) = 424 mm Powyższy warunek byłby bezpośrednio spełniony przy badaniach techniką obwodową, natomiast przy badaniach techniką centryczną mógłby zostać spełniony po zastosowaniu 50% redukcji dopuszczonej przez normę dla techniki centrycznej. 6. Warunki oceny radiogramów cyfrowych Parametry jakościowe uzyskanego radiogramu cyfrowego (SNR, SR b, SNR N ) powinny zostać wyznaczone na podstawie obrazu cyfrowego, w którym wartości pikseli są zlinearyzowane względem dawki promieniowania rejestrowanej przez detektor. Narzędzia programowe do wyznaczania SNR, SNR N oraz profilu liniowego na podstawie, którego wyznacza się SR b powinny być zaimplementowane w oprogramowaniu służącym do wyświetlania i oceny radiogramów. Przy dokładnej analizie krytycznych fragmentów radiogramu operator powinien obserwować obraz przy współczynniku powiększenia (zoom) wynoszącym od 1:1 (przy którym jeden piksel obrazu cyfrowego odpowiada 1 pikselowi monitora) do 1:2 (przy którym 1 piksel obrazu cyfrowego odpowiada 4 pikselom monitora). Specjalne filtry i inne narzędzia do obróbki cyfrowej obrazu stosowane w celu ułatwienia jego oceny powinny być udokumentowane, powtarzalne i uzgodnione pomiędzy zainteresowanymi stronami. Jeśli są one stosowane przy ocenie wykrywalności wskaźnikowej IQI powinny być w identyczny sposób stosowane również przy ocenie jakości spoin. W każdym przypadku radiogramy cyfrowe powinny być zachowywane w pełnej rozdzielczości i w oryginalnej postaci, tj. przed zastosowaniem filtrów i innych narzędzi obróbki obrazu. Radiogramy cyfrowe powinny być oceniane w zacienionych pomieszczeniach przy ustawieniach monitora zweryfikowanych za pomocą odpowiedniego obrazu testowego. Minimalne wymagania dotyczące monitorów, na których dokonuje się oceny radiogramów cyfrowych są następujące: minimalna jasność: 250 cd/m 2 minimalna liczba odcieni szarości: 256 minimalny kontrast: 1:250 minimalny rozmiar obrazu: 1 Mpx maksymalna wielkość piksela: 0,3 mm Większość produkowanych obecnie paneli LCD bez problemu spełnia te wymagania. Oczywiście nic nie stoi na przeszkodzie, aby w celu poprawy komfortu pracy, zakupić 95
czarno-biały monitor profesjonalny o większej liczbie megapikseli, mniejszym rozmiarze piksela oraz większej liczbie odcieni szarości. 5. Podsumowanie W artykule omówiono podstawowe wymagania dotyczące badań złączy spawanych technikami radiografii cyfrowej zawarte w nowej normie EN ISO 17636-2. Główną uwagę zwrócono na uregulowania, które nie występują lub są odmienne niż w radiografii błonowej i tym samym mogą stanowić nowość dla praktyków badań radiograficznych. Niezależnie od tego należy podkreślić, że większość wymagań nowej normy została przeniesiona bezpośrednio ze starych norm dotyczących radiografii błonowej (szczególnie z EN 1435). Nie powinno to specjalnie dziwić biorąc pod uwagę fakt, że nowa technika nie różni się od starej, co do podstawowej zasady badania radiograficznego, tj. prześwietlania obiektu promieniami rentgenowskimi w celu uzyskania projekcyjnego obrazu jego wnętrza. Fizyka i technika samego prześwietlenia pozostały bez zmian, zmienił się jedynie rodzaj detektora, na którym rejestrujemy obraz, oraz sposób jego wyświetlania. Wraz z wprowadzeniem normy EN ISO 17636-2 usunięta została jedna z ostatnich barier hamujących upowszechnienie radiografii cyfrowej w badaniach nieniszczących spoin, tj. w jednym z najważniejszych obszarów zastosowań badań radiograficznych. Jeśli wziąć dodatkowo pod uwagę pojawienie się w ostatnich latach systemów CR o wysokiej rozdzielczości [8], [9] oraz opracowanie specjalnych programów komputerowych wspomagających takie badania [6] to można stwierdzić, że wszystkie podstawowe elementy niezbędne do szerokiego wdrożenia technik cyfrowych w radiografii przemysłowej są już gotowe. Wydaje się, że jesteśmy obecnie u progu prawdziwej rewolucji cyfrowej w badaniach radiograficznych i nie ma sensu dalsze zwlekanie z jej wprowadzaniem również w polskich firmach. Literatura 1. PN-EN ISIO 17636-2 Badania nieniszczące spoin Badanie radiograficzne Część 2: Techniki promieniowania X i gamma z detektorami cyfrowymi 2. PN-EN 14784-1 Badania nieniszczące Radiografia przemysłowa z użyciem pamięciowych luminoforowych płyt obrazowych Część 1: Klasyfikacja systemów 3. PN-EN 14784-2 Badania nieniszczące Radiografia przemysłowa z użyciem pamięciowych luminoforowych płyt obrazowych Część 2: Ogólne zasady radiograficznych badań materiałów metalowych za pomocą promieniowania X i gamma 4. ASTM E 2446 Standard Practice for Classification of Computed Radiology Systems 5. S. Mackiewicz, Promieniowanie rozproszone i jego rola w badaniach radiograficznych, Krajowa Konferencja Badań Radiograficznych Popów 2010 6. S. Mackiewicz, Metodyka obliczania czasu ekspozycji w radiografii komputerowej, Krajowa Konferencja Badań Radiograficznych Stary Młyn 2011 7. S. Mackiewicz, Ocena jakości radiogramów komputerowych Aspekty praktyczne i metodologiczne, Krajowa Konferencja Badań Radiograficznych Stary Młyn 2012 8. M.Thoms, U. Zscherper, U.Evert, Image Quality of High Definition Computed Radiography (HDCR) in NDT, INDE 2007 9. J. Beckmann, U. Zscherper, U.Evert, Image Quality Assessment of CR Systems., ECNDT, Moscow 2010. 96