DR para aplicaciones END de alta energía

Radiografía Digital para aplicaciones de END de Alta – Energía

Por Lior Pick, Ron Pincu y Ofra Kleinberger 

 

Introducción

 

La radiografía digital portátil sobrepasa a la película y a los reemplazantes de película, ofreciendo a los usuarios muchos beneficios adicionales (Light, 2008). Las principales tecnologías  para  reemplazar hoy día la películas, son las radiografías computerizadas y las películas libres de procesamiento. La radiografía digital permite la creación de imágenes por pedido para un análisis inmediato, pero sin comprometer la calidad de imagen debido a la velocidad y a que no se requiere reposicionamiento. Un sistema confiable y portátil de radiografía digital permite la reducción del tiempo de trabajo y los costos, mientras que aumenta los beneficios de quienes ofrecen el servicio de ensayos no-destructivos.

  

Esta tecnología avanzada ha sido reconocida por los nuevos estándars de NDT ( ASME, 2010; ASTM, 2007; BSS, 2003). Permite resultados detallados y proporciona la base para el análisis END  de alto nivel in situ . No obstante, la mayoría de los detectores que se pueden conseguir con este tipo de tecnología,  trabajan generalmente con niveles de energía limitados. 

  

Se pueden conseguir sistemas portátiles basados en panel – plano  de silicon amorfo (a – Si ) que fueron diseñados especialmente para trabajar con radiografía digital y con isotopos/niveles de alta – energía.

  

La estructura especial de un detector de matriz de imágenes digitales (DDA), en el que los componentes electrónicos no están colocados detrás del área de las imágenes, asegura una retrodispersión casi inexistente y trabaja con altos niveles de energía con sólo una mínima protección externa. Los sistemas portátiles son pequeños, pueden ser transportados al sitio de la inspección y operados por una sola persona. Los sistemas pueden operar con baterías por todo un día de trabajo, de modo que no hace falta energía eléctrica externa en el área de inspección. Estas características ofrecen verdaderos equipos de inspección móviles y confiables.

  

Este artículo presenta estudios  en diferentes lugares del mundo, de casos que trabajan con sistemas de radiografía digital que estuvieron combinados con niveles de alta energía. Para aplicaciones tales como tubos de diámetro pequeño, soldadura, calderas y END en astilleros, los sistemas portátiles basados en a – Si son una verdadera experiencia de un laboratorio en el terreno, permitiendo resultados inmediatos de alta calidad para el análisis en el lugar, y ofreciendo movilidad y pruebas eficientes en todas partes.

  

Tecnología digital de panel – plano. El panel – plano digital a – Si está compuesto por un centellador y una matriz de fotodíodos (Thales, 2011). El tubo de rayos – X  envía un haz de fotones de rayos – X  de un lado a otro de un objetivo. Los fotones que no son absorbidos por el objetivo llegan al detector  a – Si y golpean la capa del material centelleante que los convierte en fotones de luz visible. Los fotones de luz llegan a los fotodíodos, que los convierten en electrones que activan los píxeles en el a –Si. Los datos electrónicos son generados por este proceso y convertidos en una señal digital que es recibida por el ordenador. Entonces, el software convierte esta información en una imagen de alta calidad (mostrado en la Figura 1).

  

Las Ventajas de la Radiografía Digital en radiografías Digitales de END en el Terreno, pueden ser un reemplazo suficiente y hasta mejorado de los rayos – X de película u otros reemplazantes de película. De hecho, la radiografía digital puede proporcionar ventajas que no existen en otras tecnologías,  y también acentuar la experiencia de trabajo del técnico de END. ( Pick y Kleinberger, 2009).

  

Entre esas ventajas se encuentra la capacidad de producir imágenes en tiempo casi real. Con sólo cliquear el ratón del ordenador, una imagen de alta calidad es obtenible de inmediato en la pantalla. Otros cuantos pasos simples con el software, tales como nivelación de ventana, igualación o afilación del histograma y las imágenes están listas para un análisis avanzado. La fuente de rayos  X también puede ser controlada por el sistema, permitiendo la mejor sincronización entre el disparo real de rayos X y el tiempo en que el imager (formador de imagen) lee los datos almacenados en la placa a –Si. Como este proceso puede ser inmediato, los datos permanecen sin arruinarse. El rápido proceso de adquisición de imagen no crea ningún compromiso a la calidad de la misma. El sensible imager puede proporcionar imágenes de la calidad más alta en el lugar. Finalmente, el usuario profesional puede obtener lo máximo de las capacidades de los rayos X.

  

Al lograr una imagen que es inmediatamente visible en la pantalla del ordenador portátil, los resultados son conocidos de inmediato y no es necesario quedarse “ ciego “ en el lugar. Las repeticiones son libres y de este modo, la mejor posición para tomar una imagen de rayo X se determina en el lugar y momento. El operador puede reposicionar de inmediato la fuente de rayos X , corregir la distancia del imager, cambiar  el tiempo de exposición o situar el imager en una ubicación mejor para crear la imagen perfecta; todo esto de acuerdo con los resultados previos que aparecen inmediatamente en la pantalla. No es necesario ir a un laboratorio para revelar o escanear los resultados.

  

A pesar de estas ventajas, en aquellas aplicaciones en que se requiere alta energía, el mercado de END tiende a evitar la transición a la radiografía digital. El problema principal experimentado es la corta vida del imager DDA, si  es expuesto a altos niveles de energía. Este tiempo de vida más corto hace difícil devolver las inversiones hechas en el imager mismo, dentro del marco de tiempo declarado. Este artículo investigará el problema más detalladamente y sugerirá una solución posible.. 

   

El problema: END de Alta Energía, y tiempo de vida de la Alineación del  Detector Digital del imager

   

El END de alta energía se define como  pruebas que requieren el uso de niveles de rayos  X que son más altos de 160  kV, o pruebas que incluyen el uso de isótopos ( por ejemplo, el isótopo Ir – 192, que genera aproximadamente 450 kV como promedio).

  

Históricamente, el tiempo de vida del imager  DDA se calcula grabando en el imager  el tiempo de la falla relacionada con la dosis. Estas primeras fallas son típicamente causadas por problemas en los componentes electrónicos del imager. Entre los componentes del imager, las partes electrónicas son de bajo costo relativo y pueden ser reemplazadas fácilmente. La capa a –Si dentro del imager puede seguir funcionando por mucho más tiempo que las partes electrónicas, incluso si está expuesta a altas dosis de energía.

  

El primer paso para permitir la transición hacia la radiografía digital en aplicaciones END de alta energía, es el de comprender que el verdadero tiempo de vida de una placa a – Si es mucho mayor que el tiempo típico de vida de los formadores de imágenes. Debe comprenderse que las partes electrónicas defectuosas pueden ser reemplazadas a costos relativamente bajos, permitiendo al imager operar con el panel a – Si  por un largo período de tiempo

     

La solución: Evitar altas dosis de exposición de la electrónica

    

El problema más grande cuando se trabaja con formadores de imagen DDA en dosis altas, es la falla causada a las partes electrónicas debido a la exposición a radiografía de alta energía. La clave para evitar las fallas electrónicas relacionadas con la dosis de radiografía, es proteger la electrónica. Por lo tanto, la solución tiene que ser encontrada en las etapas tempranas de programación del imager. Hay dos soluciones tecnológicas principales que deben ser incorporadas dentro del diseño inicial del imager.

   

▪ Una capa de material protector (tal como plomo o tungsteno) debería colocarse dentro del imager entre la placa a-Si y los componentes electrónicos.  De este modo, la placa a – Si absorbe la mayoría de los rayos X y los traslada a una imagen, y todos los rayos X que pasan a traves de ella, son bloqueados por la protección interna. La electrónica está completamente protegida. La ventaja de esta solución es que el protector está integrado dentro del imager.

   

▪ Mover la  electrónica desde atrás de la placa a – Si. Cuando las partes electrónicas son ubicadas al costado de la placa a –Si, no son impactadas directamente por el disparo de los rayos – X hacia el área de formación de imágenes. La Figura 2 muestra unos gráficos de un panel digital que tiene las partes electrónicas ubicadas detrás de la placa a –Si (Thales, 2011). Un protector externo puede proporcionar fácilmente una protección a toda prueba de las partes electrónicas del imager, a bajo costo, con una placa. 

  

adecuadamente cortada en plomo o tungsteno (como muestra la Figura 3). Las ventajas principales de esta solución son que el peso original del imager se mantiene y que el efecto de retrodispersión queda reducido al mínimo, casi inexistente. Se puede encontrar una desventaja en el aumento de la superficie del área del panel.

   

Con respecto a la primera solución, hay paneles que ya tienen  protección interna para las partes electrónicas,  esa es una capa fina de metal que bloquea la mayoría de los rayos X (pero no puede ofrecer protección completa), está limitada a 160 kV y sirve para mantener el tiempo de vida declarado del panel (que está calculado como el tiempo de la primera falla relacionada con la dosis, y que ocurre tipicamente en las partes electrónicas). Esta no es la clase de protección interna que pueda servir como solución para aplicaciones de alta – energía. Se requiere una capa más gruesa de protección, que también es más pesada.

   

Las dos desventajas principales para la primera solución son el peso del imager y  el efecto de retrodispersión. El peso resultante del imager se ve significativamente aumentado. La capa de material de protección añade una cantidad desproporcionada de peso al imager, comparado con su peso original sin protector interno. Asimismo, en aplicaciones en donde no se requiere alta energía, el técnico de END tiene que trabajar siempre con el panel más pesado resultante.

   

Con la segunda solución, la placa protectora tira hacia atrás  muchos rayos – X que llegan hasta ella debido a su proximidad a la placa a –Si, causando un pesado efecto de retrodispersión. Entonces, los rayos – X dispersados vuelven e iluminan los píxeles  a – Si otra vez. Las imágenes resultantes pueden ser poco claras debido al exceso de rayos – X.

   

Una vista detallada de los efectos causados por la segunda solución, muestra que la misma contiene  de todos modos muchas ventajas.

  

▪ Se mantiene el peso original del imager. Esto hace que su ubicación en lugares diversos sea algo simple. Asimismo, al mantener su peso original, resulta fácil de transportar a cada sitio de inspección. En la mayoría de las aplicaciones en que no se requiere alta energía, se puede continuar trabajando normalmente, con un panel liviano y sin protección.

▪ El imager DDA, con base a –Si es bastante sensible como para permitir excelentes resultados a dosis bajas. Algunas veces, cuando se trabaja con radiografía digital, puede no ser necesario usar el nivel de energía al que se está habituado en el trabajo con película. Se pueden evitar las dosis de niveles de alta – energía, y esto aumenta la seguridad del operador.

▪ Cuando hace falta protección, será suficiente con un simple protector externo. El área de imágenes no se pierde porque solamente los lados del imager (donde están ubicadas la partes electrónicas) necesitan protección.

▪ El grosor  (espesor) del protector externo puede determinarse de acuerdo con el nivel de energía usado. Esto significa que su peso puede optimizarse  según el tipo de trabajo requerido.

▪ El área de la imágenes puede comenzar desde los bordes (en el rincón donde está ubicada la placa a – Si).

▪ El imager es delgado. Debido a que las partes electrónicas están situadas al costado, la profundidad total del imager puede reducirse.

▪ Se crea un panel casi totalmente libre de retrodispersión,  porque no hay nada detrás de la placa a – Si,  que pueda causar una radiación que vuelva hacia ella. Esto reduce el ruido inherente a las imágenes, incrementado la relación señal – ruido y la calidad de la imagen.

▪ Todas las ventajas inherentes a la radiografía digital mencionadas al principio de este artículo (imágenes de alta calidad a pedido, análisis en todas partes, no reubicación y sin comprometer la calidad de los resultados) pueden obtenerse todos con las aplicaciones de alta energía.
 

   

Aplicaciones importantes

 

Las aplicaciones que requieren niveles de alta energía, generalmente necesitan la penetración de componentes metálicos gruesos. Tales  inspecciones de END incluyen soldadura de tubos y pruebas de erosión de tubos, soldadura en calderas o en cascos de buques, y las inspecciones del control de calidad en instalaciones de fundición. Los siguientes estudios de casos contienen varios ejemplos de pruebas de alta energía, en los que fue utilizado un sistema de radiografía digital portátil.

   

Inspección de tuberías: Reducción de dosis

  

Fue realizada una prueba de tubo por una compañía  de servicio de  END, usando un compañía con  fuentes de Ir – 192 (iridium - iridio) y Se – 75 (selenium – selenio) alternativamente. Esta prueba mostró dos resultados interesantes.

   

▪ La prueba que generalmente se realiza con Ir – 192 a un nivel específico de actividad, puede realizarse también con un nivel de actividad más bajo. Esto significa que se logra un uso más prolongado de la misma fuente y se mantienen los buenos resultados.

▪ La prueba que generalmente se realiza con Ir – 192  puede realizarse con la fuente Se – 75 más débil, y producir imágenes de calidad más alta (debido a un mejor punto focal y  espectros con energía de radiación más baja).
   

Un ejemplo más específico de estas pruebas se puede ver en las Figuras 4a y 4b. Se tomaron imáganes de rayos – X de un tubo de 203.2mm (8 pulgadas) de diámetro con 19mm (0.75 pulgadas) de espesor de pared (total del espesor de la pared 38.1 mm (1.5 pulgadas). Las radiografías fueron tomadas con isótopos de iridio y selenio. El cuadro 1 organiza los detalles de las condiciones de las imágenes en las Figuras 4a y 4b. En la imagen tomada con el isótopo de selenio, se ve claramente un quinto alambre extra. Las dos imágenes fueron tomadas bajo las mismas condiciones de configuración, con la excepción del tipo de isótopo y los tiempos de exposición. 

   

Inspección de tuberías : Reducción del tiempo de exposición

   

El cuadro 2 contiene los resultados de las pruebas realizadas por un proveedor de servicio de END. Se realizaron en el lugar usando el isótopo Ir – 192 combinado con un sistema de radiografía digital y / o película. La comparación muestra claramente que los tiempos de exposición se han reducido en diez veces. En una prueba amplia realizada en cooperación con una refinería en Francia, se hicieron pruebas sobre muestras de varias soldaduras de tubos con discontinuidades intencionales, tales como escoriación, rebaje, corrosión, porosidad y grietas/hendiduras. Se realizaron las pruebas con un panel de alta energía compatible  con a –Si en laboratorio, con una fuente de rayos  X portátil pulsada. Los criterios para el éxito de las pruebas fueron: el tiempo necesario para lograr una imagen, la visibilidad de las discontinuidades y la calidad de imagen de los cables del indicador. El cuadro 3 organiza los tiempos típicos probados y los resultados del tiempo.

  

Se realizaron más pruebas en la misma refinería con una fuente de Ir 192,  rayo gama 16 Ci, (cañería verdadera en terreno ) (ver el ejemplo configurado en la Figura 5 ). Los criterios para el éxito de las pruebas ; el tiempo para configurar el detector y la fuente in situ, el tiempo para tomar una buena imagen. La calidad de las imágenes en comparación con las imágenes conocidas del objeto probado,y las herramientas de análisis obtenibles in situ (Pincu y Kleinberger, 2009).

  

Las pruebas en la refinería demostraron una reducción en el tiempo de exposición de un promedio de 4 a 5 minutos, reducido a un promedio de 8 a 16 segundos. Las condiciones de los rayos X fueron las mismas (fuente de rayo X /rayo gama, 500mm  [19.69 pulgadas] de distancia entre el compañía / película y la fuente, muestra o caño inspeccionado); la única diferencia era que la película fue reemplazada por un imager DDA. Se tomaron treinta y tres imágenes en sólo 3 horas. Reducir los tiempos de exposición en diez veces, de minutos a simples segundos, representa un promedio  significativamente más rápida de inspección que se traduce en períodos más cortos de cierre de la refinería y  en un aumento de la eficiencia de la inspección.

  

Sumario

   

Es posible usar radiografía digital con niveles de alta energía, siempre que se tenga un imager adecuado. Un imager adecuado puede contribuir también a acortar los tiempos de exposición y reducir los niveles de dosis, haciendo que sea más fácil y rápido llevar a cabo muchas aplicaciones que eran consideradas de alta energía.

  

Ventajas adicionales inherentes al trabajo con la tecnología de radiografía digital, son: la seguridad mejorada para el operador, debido a una exposición más baja (de tiempo o de dosis) y un aprovechamiento aumentado de END causado por acortarse el tiempo para los resultados (costos y tiempo son ahorrados considerablemente porque se pueden tomar muchas imágenes por día  con un imager de radiografía digital ). El tiempo de vida real de un imager DDA con base a-Si es bastante largo como para permitir un rápido retorno de la inversión incluso cuando se realizan pruebas de alta energía. 

   

 TABLA 1 : Condiciones de imagen en Texas 

condiciones

Ir-192

Se-75

Ci (promedio de energia en kV)

56 Ci

27.2 Ci

Tiempo de exposición (por  imagen)

0.6 s

10 s

Promedio (para mejorar SNR)*

20 imágenes

20 imágenes

Tiempo total de exposición para promedio de imagen final

12 s

200 s

Punto focal

3.708 mm (0.146 in.)

3.531 mm (0.139 in.)

Distancia entre la fuente y el detector

Técnica de contacto
~228.6 mm (9 in.)

Técnica de contacto
~228.6 mm (9 in.)

 

TABLA 2: energía de isotopos con panel plano de radiografía digital versus energía de  isotopos  con rsultados de película  

Objeto Inspeccionado

 Diámetro de tubo

Material

Espesor de pared

Contenido de líquido

Tiempo de exposición con Radiografía Digital patentada Solución****

Tiempo de exposición con película***

Manguera contra incendios

208 mm
(8.19 in.)

ST35

7.2 mm
(0.28 in.)

Nada

30 s

3 min.

Perfil de fibra de vidrio

700 mm
(27.56 in.)

Fibra de vidrio

~ 25 mm
(0.98 in.)

Nada

70 pulsadas**
(~ 4.6 s)

30 s

Proceso de tubería de agua

150 mm
(5.91 in.)

SS2343

Total de una pared
6 mm (0.24 in.)

Agua

20 s

15 min.

Enfriador de vapor

250 mm
(9.84 in.)
más aislamiento

10CrMo

Total de una pared
40 mm (1.58 in.)

Nado

50 s

1 h

Tubo de vapor a baja presión

400 mm
(15.75 in.)
más aislamiento

ST35

12 mm
(0.47 in.)

Nada

30 s

20 min.

Tubo de combustible de lejía

100/80 mm
(3.94/3.15 in.)

SS2343

6 mm
(0.24 in.)

Lejía

15 s

10 min.

 

*SNR = relación señal-a-ruido.
** prueba conducida con la fuente pulsada XRS-3.
*** película y Ir-192.  Sólo tiempo de exposición, no incluye revelado de película.
****panel  a-Si panel y Ir-192. Tiempo a imagen.

 

TABLE 3: Time to results 

Material

Diámetro externo

Espesor de pared

Espesor de pared total

Energía

Tiempo de Exposición

Acero al carbón 5355

60 mm
(2.32 in.)

2.9 mm
(0.11 in.)

~6 mm
(0.24 in.)

270 kV

4.3 s

Acero al carbón 5355

60.3 mm
(2.37 in.)

2.9 mm
(0.11 in.)

~6 mm
(0.24 in.)

270 kV

3.54 s

Acero al carbón 5355

88.9 mm
(3.50 in.)

3.62 mm
(0.14 in.)

~6.4 mm
(0.25 in.)

   

   

Reconocimiento
Los autores desean agradecer a Vidisco Ltd. por la cesión de imágenes que figuran en este artículo.

REFERENCIAS
ASME, ASME Código de caldera y tanque de presión, Sección V, Artículo II, Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos NuevaYork, 2010.
ASTM, E2597-07:  Práctica Estándar para Caracterización de Fábrica de Matrices de Detectores Digitales, ASTM Internacional, West Conshohocken,
Pennsylvania, 2007.
BSS, BSS 7044: Inspección Radiológica, Radioscopía Digital, Soporte de Boeing, Chicago, Illinois, 2003.
BSS, BSS 7045: Radiologic Inspection, Composite Structures, Soporte de Boeing , Chicago, Illinois, 2003.
Light, G., “Demostración de Máquina Radiográfica de Rayos X pulsados  como alternativa  a la Industria  de Cámaras Radiográficas: Proyecto de Demostración Piloto”
, Evaluación de Materiales, Vol. 66, No. 3, 2008, pp. 285–292.
Pick, L. and O. Kleinberger, “Puntos Técnicos Destacados de la Radiografía  Digital para END,” Evaluación de Materiales, Vol. 67, No. 10, 2009, pp. 1111–1116.
Pincu, R. and O. Kleinberger, “La Transición de la Radiografía Convencional a la Radiografía Digital,” Evaluación de Materiales, Vol. 67, No. 5, 2009,
pp. 499–506.
Grupo Thales, “Detectores Digitales,” 2011, www.thalesgroup.com/Pages/Solution.aspx?id=7363&pid=1568, 1 Feb 2011.
   

Figura 1. Estructura de panel-plano de Silicio Amorfo (a-Si).
Figura 2. Panel – plano  con electrónica detrás de placa a-Si.
Figura 3. Imager y dibujo de protector externo designado.
Figura 4. Imágenes de rayos X de una tubería de acero  203.2 mm (8 in.) de  diámetro, 19 mm (0.75 in.) espesor de pared: (a) iridium; (b) selenium.
Figura 5. Instalación de un panel a-Si panel en una refinería y su imagen de rayos X correspondiente.

   

Puntos importantes

Los sistemas portátiles son pequeños, pueden ser transportados al lugar de inspección por una sola persona.
La radiografía digital puede ser un substituto suficiente e incluso mejor de los rayos X de película u otros substitutos  de película.
El rápido proceso de adquisición de imágenes no compromete la calidad de imagen.
No hay necesidad de volver al laboratorio a revelar o escanear los resultados.
Partes electrónicas de costo relativamente bajo y que pueden ser fácilmente reemplazadas entre los componentes del imager.
Aplicaciones que requieren niveles de alta energía requieren por lo general la penetración de componentes metálicos densos.
Las pruebas en la refinería probaron una reducción del tiempo de exposición

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