Сначала необходимо договориться о терминологии. Термин «цифровая радиография» в англоязычной Википедии определяется как форма рентгеновского изображения, когда для получения изображения вместо традиционной рентгеновской плёнки используются цифровые рентгеновские сенсоры. При таком определении «компьютерная радиография» не может быть отнесена к цифровой радиографии. С другой стороны, термин «компьютерная радиография», пришедший к нам из англоязычной литературы, усугубляет терминологическую путаницу. Все приборы и устройства цифровой радиографии являются «компьютерной радиографией», поскольку без компьютера невозможно получить и визуализировать файл цифрового рентгеновского изображения. Для устранения этой терминологической путаницы в данной статье мы будем относить к понятию «цифровая радиография» все методы и устройства для их реализации, которые в результате выдают рентгеновское изображение в виде цифрового файла, загружаемого в компьютер.
Методы цифровой радиографии разделим на две категории: прямую и непрямую цифровую радиографию. При этом под непрямой цифровой радиографией мы будем понимать методы, когда цифровое изображение получается с использованием промежуточного носителя, каким, например, является запоминающая пластина или рентгеновская плёнка. К устройствам прямой цифровой радиографии отнесем РЭОПы и плоскопанельные детекторы, не делая разницы между панелями непрямого преобразования рентгеновского излучения в электрический сигнал (каковыми являются наиболее популярные сегодня TFT панели из аморфного кремния и панели, сделанные по CMOS технологии), и панели прямого преобразования (например на базе CdTe). Договорившись о том, что мы вкладываем в понятие «цифровая радиография» в данной статье, мы проследим и проанализируем тот путь, который прошла цифровая промышленная радиография, познакомимся и сравним параметры современных детекторов и устройств для получения рентгеновских изображений, познакомимся с оценкой рынка радиационного НК в России и в мире, оценим экономическую целесообразность внедрения цифровой радиографии и попытаемся спрогнозировать, когда же цифровая радиография станет доминирующей реальностью в НК, как это уже случилось в обычной фотографии и в медицинской радиологии.
Может возникнуть вопрос: почему сегодня уместно об этом говорить и строить прогнозы? До ноября прошедшего 2018 г. цифровая промышленная радиография в России была практически на нелегальном положении из-за отсутствия государственных стандартов в этой сфере. Наконец-то с 1 ноября 2018 г. в России начал действовать стандарт ГОСТ ISO 17636-2-2017 «Неразрушающий контроль сварных соединений. Радиографический контроль. Часть 2. Способы рентгено- и гаммаграфического контроля с применением цифровых детекторов». Конечно, нормативная база пока очень скудная, но хочется надеяться, что появление этого стандарта знаменует собой начало цифровой эры в радиационном НК в России.
За рубежом сегодня действуют 9 международных стандартов в области цифровой промышленной радиографии, дополнительно к которым приняты и действуют 10 европейских стандартов, 20 национальных стандартов в США и 7 национальных стандартов в Китае. Отметим, что пионером внедрения цифровой промышленной радиографии в России выступила ПАО «Транснефть», разрешив в своём РД-25.160.10-КТН-016–15 применение цифровой радиографии с использованием сканеров на запоминающих пластинах и введя обязательную оцифровку рентгеновских плёнок при контроле кольцевых сварных соединений магистральных трубопроводов.
Методы цифровой радиографии
Исходя из определения цифровой радиографии, которое мы приняли в данной статье, сегодня мы располагаем тремя технологиями:
1) оцифровка рентгеновских плёнок;
2) технология многоразовых запоминающих пластин;
3) прямая цифровая радиография с использованием плоскопанельных детекторов (в англоязычной литературе для этого вида детекторов используется термин DDA — Digital Detector Array).
Оцифровка рентгеновских плёнок
Если стоит задача получения цифрового файла рентгеновского изображения для ввода его в компьютер, то оцифровка рентгеновской плёнки, полученной традиционным для рентгеновского НК способом, представляется наиболее простым и дешёвым способом сделать шаг в сторону цифровой радиографии. Переведя изображение с рентгеновской плёнки в цифровой формат, можно воспользоваться всем арсеналом средств цифровой фильтрации изображений с последующим хранением результатов контроля в компьютерной базе данных, избавив себя от необходимости хранения дорогостоящего и крайне неудобного для использования архива рентгеновских плёнок. Требования к устройствам оцифровки рентгеновских плёнок изложены в международном стандарте ISO 14096 (части 1 и 2), который, к сожалению, не адаптирован в системе ГОСТ Р, что создаёт для российских пользователей проблемы в правильном выборе и использовании устройств оцифровки. Весь набор неудобств, связанный с необходимостью использования рентгеновской плёнки как дорогостоящего расходного материала, а также мокрые химические технологии обработки рентгеновской плёнки плохо сочетаются с представлением о современной цифровой технологии.
Технология многоразовых запоминающих пластин
Технология с использованием многоразовых запоминающих пластин является самым современным методом непрямой цифровой радиографии, имеющим существенные преимущества по сравнению с классической плёночной технологией с последующей оцифровкой.
Основными достоинствами технологии являются:
1) отсутствие мокрой химической технологии в процессе получения изображения;
2) заметно более высокая чувствительность метода, что сокращает экспозицию и увеличивает ресурс работы источника рентгеновского излучения;
3) сокращение затрат на расходные материалы по сравнению с плёночной технологией в тех случаях, когда задача контроля допускает использование кассетного сканера, в котором запоминающая пластина хорошо защищена от повреждений в процессе работы и, как следствие, возможно использование пластины более нескольких сотен раз;
4) значительно больший динамический диапазон пластин по сравнению с плёнкой, что позволяет за одну экспозицию обеспечить контроль объектов с большой разнотолщинностью.
К недостаткам технологии с использованием многоразовых запоминающих пластин следует отнести:
1) значительные инвестиции на приобретение сканера запоминающих пластин;
2) полная зависимость от импортного расходного материала, т. к. многоразовые пластины в России не производятся и нет оснований ожидать, что это производство будет налажено;
3) невозможность использования многоразовых пластин в сложных погодных условиях и широком диапазоне температур (по техническим условиям производителя от –5 до +30°С);
4) значимое уменьшение числа циклов использования пластин без защитных кассет в случае неплоских объектов контроля (например, труба) и, как следствие, существенное возрастание затрат на запоминающие плаcтины.
Технология с использованием плоскопанельных детекторов
Первые серийно выпускаемые плоскопанельные детекторы (ППД) появились более 25 лет назад, но обладали двумя очень серьёзными недостатками: невысоким пространственным разрешением и очень высокой стоимостью. Тогда казалось, что их практическое использование в НК — это дело очень отдалённого будущего. Локомотивом быстрого прогресса в развитии технологии производства ППД стала медицина, где использование ППД сулило ещё одно чрезвычайно важное преимущество — значительное уменьшение дозы облучения пациента при радиологическом обследовании. Требование значительного повышения пространственного разрешения было продиктовано развитием маммографии и необходимостью выявления опухоли на ранней стадии. В результате больших инвестиций в развитие современных методов диагностики в медицине за последние 20 лет пространственное разрешение ППД увеличилось с 200 до 50мкм, и стоимость серийных панелей уменьшилась в 20 раз. Тогда, в конце прошлого века, трудно было предположить столь стремительный прогресс. Сегодня благодаря развитию медицинских технологий НК получил мощный инструмент для промышленной радиографии — ППД на основе аморфного кремния с разрешением до 50мкм, что позволяет решать практически весь спектр задач в НК.
Именно панели на основе аморфного кремния в отличие от технологии CMOS, благодаря большей стойкости к ионизирующему излучению, могут без ущерба для срока службы работать с энергиями до 450кэВ. Прогресс в технологии производства ППД позволил решить и вторую важную задачу — уменьшение стоимости и достижение цены серийных панелей, делающей их использование экономически эффективным по сравнению как с технологией запоминающих пластин, так и с классической плёночной технологией. Реалии таковы, что стоимость беспроводного ППД сегодня уже меньше стоимости сканера для запоминающих пластин, не говоря уже о том, что использование ППД не подразумевает наличие расходного материала при проведении контроля.
В дополнение к преимуществам технологии запоминающих пластин по отношению к плёночной технологии, технология с использованием ППД даёт следующие преимущества:
1) ещё более высокая чувствительность метода по сравнению с технологией запоминающих пластин;
2) полное отсутствие расходных материалов;
3) ещё больший динамический диапазон по сравнению с технологией запоминающих пластин;
4) отсутствие зависимости от импорта, т.к. качественные ППД сегодня с успехом серийно производятся в России.
К недостаткам технологии с использованием ППД можно отнести:
1) доступность ППД только плоской формы, что создаёт сложности контроля объектов большого габарита с малым радиусом изгиба;
2) необходимость инвестиций на приобретение ППД;
3) необходимость дополнительной подготовки и обучения персонала для работы с ППД;
4) разрешение ППД ограничено сегодня минимально достижимым размером пикселя 50мкм или 10 пар линий/мм.
В заключение сравнения технологий цифрового радиографического контроля отметим, что существенным, а может быть даже решающим фактором при выборе оборудования, являются условия проведения контроля — стационарные, не зависящие от погодных условий, или работа за пределами помещения в любых погодных и температурных условиях. Требование работы в сложных погодных условиях и широком интервале температур накладывает специальные требования к конструированию систем на основе плоскопанельных детекторов, создавая класс устройств, по особенностям конструкции аналогичный переносным рентгеновским аппаратам.
Технические преимущества цифровой промышленной радиографии
Уместно попытаться ответить на вопрос, в каких задачах радиографического контроля, исходя из технических преимуществ цифровой радиографии по сравнению с плёночной технологией, можно ожидать активное внедрение цифровой радиографии в ближайшее время?Наглядным примером задачи контроля, где цифровая радиография уже сегодня полностью вытеснила плёночную технологию в России, является контроль сварного соединения при производстве труб с продольным швом на трубопрокатных заводах. В этом применении ключевым фактором, благодаря которому цифровая технология вытеснила плёночную, явилась скорость контроля и возможность получать результаты контроля в реальном времени в процессе производства труб. Возможность получения результатов контроля в реальном времени на технологической линии стала решающим преимуществом цифровой радиографии в автомобильной промышленности при контроле литых колёсных дисков, головок блоков цилиндров, клапанов, распределительных валов и других литых деталей. Практически мгновенное получение результата контроля стало решающим фактором в пользу выбора цифровой радиографии в приведённых примерах.
Какие же технические преимущества цифровой радиографии будут движущей силой в вытеснении плёночной технологии? В первую очередь следует выделить:
1) более высокую чувствительность и, как следствие, сокращение времени контроля,
2) заметно больший динамический диапазон детекторов по сравнению с рентгеновской плёнкой,
3) упрощение и удобство хранения результатов контроля,
4) отказ от мокрой химической технологии.
Отвечая на вопрос, в каких случаях эти технические преимущества могут быть определяющими для принятия решения о переходе на цифровую технологию, можно выделить следующие задачи контроля:
1) контроль кольцевых сварных соединений трубопроводов,
2) контроль турбинных лопаток,
3) контроль объектов с большой радиационной толщиной,
4) задачи, в которых сокращение времени контроля является значимым фактором.
Хорошим примером, демонстрирующим значительное сокращение времени контроля, может быть задача фронтального контроля кольцевого сварного соединения труб большого диаметра. На рис. 1 показан отечественный комплекс цифровой радиографии «Транскан», отлично справляющийся с задачей контроля кольцевых сварных соединений как при панорамном, так и при фронтальном просвечивании. Сравнительные испытания показали, что при фронтальном просвечивании (через две стенки) трубы диаметром 1420мм с толщиной стенки 25,8мм время контроля составляет менее 20мин, тогда как при использовании плёночной технологии контроль занимает 2,5ч.
Рис. 1. Российский комплекс цифровой радиографии «Транскан» для контроля кольцевых сварных соединений магистральных трубопроводов
Кроме сокращения времени контроля в 7 раз результаты цифрового контроля позволяют точнее оценивать изображение и делать более объективное заключение. В качестве примера на рис. 2а приведено изображение результата контроля сварного соединения с обнаруженной порой. В соответствии с требованием РД–25.160.10-КТН-016–15 ПАО «Транснефть» плотность изображения дефекта на радиографическом снимке не должна превышать плотности изображения основного металла.
Для оценки допустимости внутреннего дефекта по цифровому изображению необходимо сравнить радиационную толщину в центре дефекта с радиационной толщиной основного металла, что можно с лёгкостью сделать по значению градаций серого в изображении дефекта и основного металла. Из рис.2б отлично видно, что в данном случае количество градаций серого (радиационная толщина) в центре дефекта превышает количество градаций серого для основного металла, и дефект следует классифицировать как недопустимый. В отличие от плёночной радиографии программное обеспечение комплекса «Транскан» позволяет не просто провести сравнение радиационной толщины, но и определить глубину дефекта, равную в данном случае, как видно из рис. 2в, 2,7мм.
Рис. 2. Полученные с помощью программного комплекса «ДиСофт» цифровые изображения: а — пора, обнаруженная в сварном соединении; б — распределение количества градаций серого по линии, проходящей через пору; в — измерение глубины поры с помощью специального алгоритма комплекса «ДиСофт»
Экономическая целесообразность внедрения цифровой радиографии в НК
Технические достоинства цифровой радиографии, которые были очевидны уже 20 лет назад, оказались недостаточными для появления этой новой прогрессивной технологии на рынке оборудования для НК. В медицине цифровая радиография уже сегодня практически вытеснила рентгеновскую плёнку, несмотря на отсутствие экономической целесообразности на ранней стадии внедрения. Основной причиной такого быстрого завоевания рынка в радиологии стал фактор существенного уменьшения дозы, получаемой пациентом при радиографическом обследовании с использованием цифровых методов регистрации изображения. Для объектов контроля в промышленной радиографии этот фактор не играет большой роли, поэтому внедрение цифровой технологии в НК ожидает своего часа, когда прогресс в технологии производства цифровых детекторов сделает их применение экономически целесообразным по сравнению с плёночной технологией. Настал ли этот момент?Давайте на нескольких примерах оценим экономическую целесообразность перехода на цифровую радиографию в НК. Первый пример — это уже упомянутая задача контроля кольцевых сварных соединений труб большого диаметра. Для упрощения сравнения будем учитывать только стоимость расходных материалов, используемых при плёночной радиографии, — стоимость самой рентгеновской плёнки и химикатов. Такие расходы на содержание химической лаборатории, как проявочная техника и оборудование для проявки и просмотра плёнок, учитывать в нашем сравнении не будем.
В качестве примера возьмём контроль сварного соединения трубы диаметром 1420мм, базовой для российских магистральных газопроводов. При строительстве трубы обычно применяется рулонная рентгеновская плёнка, которая не производится в России. Если воспользоваться данными по её стоимости из доступных открытых источников, то несложно подсчитать, что затраты на плёнку и химикаты на одно кольцевое сварное соединение составляют 1600руб. По техническим условиям уже упомянутого комплекса «Транскан», он рассчитан на эксплуатацию в течение 7 лет и контроль не менее 40 000 стыков, что в пересчёте приводит к затратам на контроль одного стыка в сумме 350руб., т.е. почти в 5 раз меньше. При сравнении цифровой и плёночной радиографии в задаче контроля кольцевых сварных соединений трубопроводов, конечно же, есть ещё много параметров и аспектов, но практически все они оказываются в пользу цифровой радиографии.
В качестве второго примера экономической целесообразности применения в НК цифровой технологии по сравнению с плёночной возьмём обобщенную задачу контроля объекта с габаритами, допускающими использование рентгеновской плёнки размером 30×40см. В качестве цифрового устройства для регистрации изображения рассмотрим плоскопанельный детектор на основе аморфного кремния в беспроводном исполнении с передачей изображения от детектора в компьютер по технологии WiFi. Образец такого устройства, на базе плоской панели размером 25×32см с автономным питанием от встроенной литиевой батареи в исполнении IP67 и допускающей работу в диапазоне температур от –40 до +40°С приведен на рис. 3. Управление процессом радиографирования, получение результатов контроля, их анализ и хранение производится с помощью планшета в исполнении IP67, входящего в комплект детектора. Данный детектор предназначен для работы как с источниками постоянного потенциала, так и с импульсными источниками рентгеновского излучения. Стоимость упаковки рентгеновской плёнки AGFA F8 размером 30×40см, состоящей из 100листов, составляет около 30 000руб. без учёта затрат на химикаты и усиливающие экраны.
Рис. 3. Современный переносной комплекс цифровой промышленной радиографии, состоящий из плоскопанельного детектора со встроенным WiFi модулем и планшетом для просмотра и хранения результатов контроля
Если объём вашего радиографирования составляет 2 упаковки плёнки в месяц, то стоимость амортизации вышеприведённого детектора в пересчёте на одну упаковку составит 20 000руб., т.е. экономия составит более 30% затрат на рентгеновскую плёнку, и чем больший объём работ Вы проводите, тем более экономически целесообразным будет переход на использование цифровой технологии. Если говорить об окупаемости инвестиций на приобретение плоскопанельного детектора, то их 100% возврат происходит после проведения объёма радиографирования, эквивалентного использованию 80 упаковок плёнки.
Рынок радиационного НК в России и мире — состояние и перспективы роста
К сожалению, в России нет институтов, занимающихся изучением рынка НК, а тем более радиационного НК, поэтому оценки и выводы приходится делать на основе исследований этого рынка в мире и систематизации и анализа разрозненных данных, доступных в России. В нашем случае источником данных о структуре и объёме рынка радиационного НК в России послужили данные о рынке рентгеновской плёнки, любезно предоставленные компанией «АСК-Рентген», занимающейся изучением и анализом этого рынка более 10 лет и являющейся основным поставщиком рентгеновской плёнки в России.Недавно американский исследовательский портал, специализирующийся на изучении рынков, опубликовал отчёт об исследовании рынка НК за 2014– 2017 гг. и прогнозе развития рынка НК на 2018–2025 гг. В рамках этого исследования был определён объём глобального рынка НК с распределением долей рынка по методам контроля, отраслям промышленности и регионам мира, и на основании этих данных сделан прогноз на ближайшие 7 лет. Рынок НК в России ввиду отсутствия исходных данных, не был включён в данный обзор. Итак, объём мирового рынка НК составил в 2017 г. $13,51млрд. При этом рынок радиационного контроля составил $2,82млрд. или 20,9% от общего рынка НК. Из суммы $2,82млрд. примерно $600млн. приходится на рынок рентгеновской плёнки.
Авторы исследования спрогнозировали ежегодный шестипроцентный рост рынка НК в ближайшие 5 лет, при этом рост рынка радиационного контроля прогнозируется на уровне 6,2% в год. На рис. 4а представлена диаграмма распределения долей рынка НК в мире по отраслям промышленности. Для сравнения на рис. 4б представлена аналогичная диаграмма, построенная по данным о потреблении рентгеновской плёнки в России. Сравнивая диаграммы на рис. 4, можно отметить, что
1) вполне ожидаемо в России сегмент нефти и газа в процентах более чем в 2 раза превосходит этот сегмент в мировом распределении;
2) сегмент автомобильной промышленности в России практически отсутствует;
3) авиакосмическая промышленность в России в отличие от мирового распределения оказывается вторым по значимости сегментом — потребителем метода радиационного контроля.
|
|
Рис. 4. Диаграммы распределения рынка НК по отраслям промышленности в 2017 г.: а — для мирового рынка неразрушающего контроля; б — для российского рынка радиационного метода контроля
Рынок оборудования радиационного НК в России в 2018 г. составил примерно 5,7млрд.руб., из которых объём рынка рентгеновской плёнки — 2,4млрд.руб. Таким образом, рынок собственно рентгеновского оборудования можно оценить в сумму 3,3млрд.руб. Данные по оценке рынка оборудования для цифровой радиографии очень скудные. В 2014 г. Frost & Sullivan оценили рынок цифровой радиографии в $300–400млн. Учитывая средний шестипроцентный ежегодный рост рынка НК и падение мирового рынка рентгеновской плёнки, начиная с 2014 г. примерно на 5% в год, можно оценить мировой рынок цифровой радиографии в 2017 г. в сумму $480млн., т.е. доля цифровой радиографии в 2017 г. составила в мире примерно 20% от рынка радиационного НК.
Прогнозируемый ежегодный рост рынка радиационного НК на уровне 6,2% и падение рынка рентгеновской плёнки в мире от 5 до 10% в год, дают основание оценить рост мирового рынка цифровой радиографии в ближайшие годы в сумму от $150 до 200млн. в год. Рынок оборудования для цифровой радиографии в России составил в 2018 г. от 220 до 240млн. руб. или 7% всего рынка оборудования для радиационного НК, что почти в 3 раза меньше, чем 20% в остальном мире.Если пропорция в России приблизится к уже достигнутой среднемировой величине, то можно ожидать увеличение рынка цифровой радиографии в России в ближайшие год–два до 650млн.руб. в год.
Принятый российским правительством вектор развития в направлении цифровой экономики и политики импортозамещения наряду с достижениями последних лет в развитии технологии производства и существенное снижение себестоимости плоскопанельных детекторов рентгеновского изображения создают все условия для прорыва в приходе цифровой радиографии в НК в России. Одним из основных сдерживающих факторов сегодня оказывается неподготовленность и консерватизм дефектоскопистов, а ведь курс переподготовки для получения расширения специалиста 2-го уровня на цифровую радиографию занимает всего 2 недели.
Проанализированные технико-экономические преимущества цифровой радиографии и тенденции развития рынка рентгеновского метода контроля дают основание так ответить на вопрос, сформулированный в названии статьи: «Цифровая революция в неразрушающем контроле точно не миф и не отдалённое будущее, а вот реальность сегодняшнего или завтрашнего дня — мы увидим в самое ближайшее время».
Автор: Грудский Александр Яковлевич. Директор по развитию ООО «Цифра»
NDT World, 2019, v. 22, no. 1, pp. 4–8
DOI: 10.12737/article_5ca225eb7c4fa9.40902252