La DR dans les applications CND à énergie elevée

La radiographie numérique dans les applications CND à énergie élevée

par Lior Pick, Ron Pincu et Ofra Kleinberger 

 

Introduction


La radiographie numérique portable surpasse la radiographie sur film et ses remplacements du fait des nombreux avantages supplémentaires qu'elle procure aux utilisateurs (Light, 2008). Les principales technologies de remplacement de la radiographie sur film existant actuellement sont la radiographie informatisée et sur film sans développement. La radiographie numérique permet de créer des images sur demande pour analyse immédiate, sans pour autant compromettre en rien la qualité de l'image, grâce à la vitesse de la méthode et le fait qu'un repositionnement n'est pas nécessaire. Un système de radiographie numérique fiable et portable donne lieu à une réduction du temps de travail et des coûts, ce qui accroît les profits des fournisseurs de service de contrôle non destructif (CND).

 

Cette technologie de pointe est reconnue et fait l'objet de nouvelles normes  et de codes  de CND (ASME, 2010; ASTM, 2007; SRS, 2003; SRS, 2003). Elle fournit des résultats détaillés et constitue la base pour une analyse CND de haut niveau, sur place. Cependant, la plupart des capteurs disponibles pour ce type de technologie fonctionnent habituellement avec des niveaux d'énergie limitées. Des systèmes portables sont disponibles, fondés sur un capteur plan au silicium amorphe (a-Si), qui ont été spécialement conçu pour la radiographie numérique à hauts niveaux d'énergie / à isotopes.

 

La structure particulière d'un imageur à arrangements de détecteurs numériques (DDA), dans lequel les composants électroniques ne sont pas placés derrière la zone de formation d'image, permet que la rétrodiffusion soit pratiquement inexistante, et de travailler avec des niveaux d'énergie élevés avec seulement un blindage externe minimal. Les systèmes portables sont de petite taille, ils peuvent être apportés sur le site d'inspection et utilisés par une seule personne. Ces systèmes peuvent fonctionner sur batteries pendant une journée entière, de sorte qu'il n'est pas nécessaire d'avoir une alimentation externe disponible dans la zone d'inspection. Ces caractéristiques en font un équipement d'inspection véritablement mobile et fiable.

 

Le présent article décrit des cas d'espèce de fonctionnement de systèmes de radiographie numériques avec des niveaux d'énergie élevés dans diverses places dans le monde. Pour des applications telles que le CND de tubes de petite taille, de soudures, de chaudières et de chantiers navals. Les systèmes portables fondés sur un capteur au silicium amorphe constituent un véritable laboratoire sur le terrain, ce qui permet d'obtenir instantanément des résultats de haute qualité pour analyse sur place, offrant la mobilité l'efficacité des essais en tout lieu.

 

Technologie des capteurs plans numériques. Un capteur plan numérique au silicium amorphe est composé d'un scintillateur et un arrangement de photodiodes au silicium amorphe (Thales, 2011). Le tube à rayons X émet un faisceau de photons de rayons X à travers une cible. Les photons qui ne sont pas absorbés par la cible atteignent le capteur et frappent la couche active du scintillateur qui les convertit en photons lumineux visibles. Les photons lumineux atteignent les photodiodes, qui les convertissent à leur tour en électrons qui activent les pixels de silicium amorphe. Les données électroniques générées par ce procédé sont converties en un signal numérique qui est transmis à l'ordinateur. Le logiciel convertit ensuite ces informations dans une image de haute qualité (représentée sur la Figure 1).

 

Les avantages de la radiographie numérique pour le CND sur le terrain en font un remplacement suffisant, et même supérieur, à la radiographie sur film ou les autres remplacements de celle-ci. En fait, la radiographie numérique peut procurer des avantages, qui ne sont pas disponibles avec d'autres technologies, et améliorer le travail du technicien de CND (Pick et Kleinberger, 2009).

 

Un de ces avantages est la capacité de produire des images en temps quasi-réel. Avec juste un clic de souris, une image de haute qualité est disponible immédiatement sur l'écran de l'ordinateur. Si l'on ajoute quelques opérations simples du logiciel, tels que la calibration de la fenêtre, l'algorithme de netteté ou l'égalisation d'histogramme, et les images sont prêtes pour une analyse élaborée. Le système est aussi capable de commander la source de rayons X, ce qui permet une meilleure synchronisation entre l'émission du faisceau de rayons X et le moment où l'imageur numérique lit les données stockées dans l'arrangement  au silicium amorphe. Comme ce processus peut être immédiat, les données restent intactes. La rapidité du processus d'acquisition d'image ne compromet en rien la qualité d'image. L'imageur numérique sensible peut fournir des images de la plus haute qualité, sur place. Enfin, un utilisateur professionnel peut exploiter au maximum les capacités de la radiographie.

 

En réalisant une image qui est immédiatement visible sur l'écran de l'ordinateur portable, les résultats sont immédiatement connus et on peut en profiter pour les compléter ou les améliorer. Répéter des clichés radiographiques ne coûte rien et alors la meilleure position pour prendre une image radiographique est déterminée sur le champ. L'opérateur peut immédiatement repositionner la source de rayons X, corriger la distance de l'imageur, changer la durée d'exposition ou placer l'imageur au meilleur emplacement pour créer l'image parfaite, en fonction les résultats précédents qui apparaissent immédiatement sur l'écran. Il n'est pas nécessaire de revenir au laboratoire pour développer ou analyser les résultats.

 

En dépit de ces avantages, dans les applications pour lesquelles une énergie élevée est requise, le marché du CND tend à éviter d'adopter la radiographie numérique. Le principal problème éprouvé est la durée de vie écourtée de l'imageur DDA s'il est exposé à des niveaux d'énergie élevés. Cette durée de vie courte rend le retour sur investissement du prix de l'imageur lui-même difficile selon le calendrier établi.

 

Le présent article va examiner ce problème plus en détails et suggérer une solution possible.
 

 

Le problème : CND à niveaux d'énergie élevés et durée de vie de l'imageur DDA

 

On parle de CND à énergie élevée quand les essais nécessitent l'utilisation de niveaux d'énergie de rayons X qui sont supérieures à 160 kV, ou des essais qui impliquent l'utilisation d'isotopes ( par exemple , l'isotope Ir- 192 , qui produit environ 450 kV, en valeur moyenne).

 

Historiquement, la durée de vie d'un imageur DDA est calculée en enregistrant le moment de la première défaillance liée à la dose dans l'imageur. Généralement, la première défaillance est causée par des problèmes dans les composants électroniques de l'imageur. Les composants électroniques sont relativement peu coûteux, par rapport aux autres les composants de l'imageur, et ils peuvent être facilement remplacés. La couche de silicium amorphe à l'intérieur de l'imageur est capable de continuer à fonctionner beaucoup plus longtemps que l'électronique, même si elle est exposée à de fortes doses d'énergie.

 

La première chose à faire pour permettre le passage à la radiographie numérique dans les applications de CND à énergie élevée est de comprendre que la véritable durée de vie d'une couche de silicium amorphe est beaucoup plus longue que la durée de vie typique des imageurs. Il faut comprendre que des composants électroniques défectueux peuvent être remplacés à un coût relativement faible, ce qui permet à l'imageur de fonctionner avec le panneau de silicium amorphe d'origine pendant une période de temps plus longue.

 

La solution : Eviter d'exposer les composants électroniques à des doses élevées 

 

Le problème majeur lors du travail à fortes doses avec des imageurs DDA c'est l'éventualité de défaillances causées à des composants électroniques dus à l'exposition à une dose de rayons X à énergie élevée. La clé pour éviter les défaillances électroniques liées à la dose de rayons X est de protéger l'électronique. La solution doit donc être trouvée dans les premiers stades de la conception de l'imageur. Il existe deux principales solutions technologiques qui doivent être incorporés dans la conception initiale de l'imageur.



• Une couche de matériau de blindage (tel que du plomb ou du tungstène) doit être placée à l'intérieur de l'imageur entre la couche de silicium amorphe et les composants électroniques. Ainsi, la couche de silicium amorphe absorbe la majeure partie des rayons X et les traduit par une image, et des rayons X qui la traversent sont bloqués par le blindage interne. Les composants électroniques sont ainsi entièrement protégés. L'avantage de cette solution est que le blindage est intégré dans l'imageur.

 

• Déplacer l'électronique qui était derrière la couche de silicium amorphe. Lorsque les composants électroniques sont placés à côté de la couche de silicium amorphe, ils ne sont pas frappés directement par les rayons X, qui sont dirigés vers la zone de formation d'image. La Figure 2 montre la vue graphique d'un panneau numérique qui a l'électronique située derrière la couche de silicium amorphe (Thales, 2011). Un écran externe peut facilement assurer une protection infaillible à un faible coût pour les pièces électroniques de l'imageur, avec une plaque de plomb ou de tungstène découpée de manière appropriée (représentée sur la Figure 3). Les principaux avantages de cette solution sont que le poids initial de l'imageur est inchangé et que l'effet de rétrodiffusion est réduit à un minimum, presque inexistant. Un inconvénient peut être considéré dans l'augmentation de la surface du capteur plan.

 

En ce qui concerne la première solution, il existe des capteurs plans qui ont déjà blindage interne pour les composants électroniques, mais c'est généralement une mince couche de métal qui bloque la plupart des rayons X (mais ne peut pas fournir une protection complète), jusqu'à 160 kV et elle sert à maintenir la durée de vie déclarée du capteur plan (qui est calculée comme le moment de la première défaillance liée à la dose, qui se produit généralement dans les composants électroniques). Ce n'est pas le type de blindage interne qui va servir de solution pour les applications à énergie élevée. Une couche plus épaisse de blindage, qui est aussi plus lourde, est nécessaire.

 

Les deux principaux inconvénients de la première solution sont l'augmentation du poids de l'imageur et l'effet de rétrodiffusion. Le poids de l'imageur résultant est fortement accru. La couche de matériau de blindage ajoute une quantité disproportionnée de poids à l'imageur par rapport à son poids initial sans le blindage interne. En outre, dans les applications où une grande énergie n'est pas nécessaire, le technicien de CND devra quand même travailler avec le lourd capteur plan qui en résulte.

 

Avec la deuxième solution, la plaque de blindage rejette beaucoup de rayons X qui l'atteignent en raison de sa proximité de la couche de silicium amorphe, provoquant un effet de rétrodiffusion important. Les rayons X dispersés reviennent alors et excitent à leur tour des pixels de silicium amorphe. Les images qui en résultent peuvent être rendues illisibles en raison de l'excès de radiation.

 

Un examen détaillé des effets causés par la deuxième solution montre qu'elle comporte de nombreux avantages.

 

• Le poids initial de l'imageur est inchangé. Cela rend son placement dans des endroits divers une tâche facile. De plus, son poids initial restant inchangé, il reste facile à transporter à chaque site d'inspection. Dans la plupart des applications où une énergie élevée n'est pas nécessaire, on continue à travailler normalement, avec un capteur plan léger et sans blindage.

 

• L'imageur DDA à base de silicium amorphe est suffisamment sensible pour permettre d'excellents résultats avec de faibles doses. Parfois, lorsque vous travaillez avec la radiographie numérique, il peut ne pas être nécessaire d'utiliser le niveau d'énergie auquel on était habitué à travailler avec le film. Des doses élevées d'énergie peuvent être évitées, ce qui augmente la sécurité de l'opérateur.

 

• Lorsque le blindage est nécessaire, un simple écran externe suffira. La zone d'imagerie n'est pas réduite, car seuls les côtés de l'imageur (où se trouve l'électronique) nécessitent une protection.

 

• L'épaisseur du blindage externe peut être déterminée en fonction du niveau d'énergie utilisé. Cela signifie que son poids peut être optimisé pour le type de travail requis.

 

• La zone d'imagerie peut commencer à partir des bords mêmes du capteur plan (dans le coin où la couche de silicium amorphe est située).

 

• L'imageur est mince. Etant donné que les composants électroniques sont situés sur le côté, toute la profondeur de l'imageur peut être réduite.

 

• Le capteur plan est presque complètement sans rétrodiffusion, car il n'y a rien derrière la couche de silicium amorphe pour causer un retour de radiation vers cette plaque. Cela réduit le bruit inhérent dans les images, et ainsi augmente le rapport signal /bruit et la qualité de l'image.

 

• Tous les avantages inhérents à la radiographie numérique mentionnés au début de ce document (images de haute qualité à la demande, analyse en tout endroit, pas de repositionnement et aucun compromis sur la qualité des résultats) peuvent tous être disponibles dans les applications à énergie élevée.
 

 

Applications concernées

 

Les applications exigeant des niveaux d'énergie élevés sont généralement celles qui nécessitent la pénétration de composants métalliques épais. Il s'agit par exemple d'inspections CND de soudures de tuyauterie et vérification de l'érosion de tuyauterie, des soudures dans des chaudières ou des coques de bateaux et d'inspections de contrôle qualité de fabrication de moulages. Les cas d'étude ci-dessous contiennent divers exemples d'essais à énergie élevée utilisant un système de radiographie numérique portable.

 

Inspection de tuyauterie : réduction de la dose

 


Un prestataire de services de CND effectuait des essais sur des tuyauteries au moyen d'un imageur en utilisant en alternance des sources à isotopes Ir-192 (iridium) et Se-75 (sélénium). Cet essai a montré deux résultats intéressants.



• Un essai qui était normalement effectué avec l'Ir-192 d'un niveau d'activité spécifique pouvait être accompli aussi bien avec un niveau d'activité moins élevé. La conséquence est un usage plus long de la même source en maintenant les mêmes bons résultats.

 

• Un essai qui était normalement effectué avec l'Ir-192 pouvait être accompli avec une source plus faible au Se-75 et il produisait des images d'encore meilleure qualité (à cause d'un meilleur point focal et un spectre d'énergie de radiation plus faible).

 

Les Figures 4a et 4b montrent un exemple plus spécifique de ces essais sur des images radiographiques d'un tuyau de 203,2 mm (8 in.) de diamètre avec une paroi de
19 mm (0,75 in.) d'épaisseur (épaisseur totale de paroi 38,1 mm [1,5 in.]) prises avec des isotopes d'iridium et de sélénium. La Table 1 récapitule les détails des conditions des radiographies des Figures 4a et 4b. Dans l'image prise avec un isotope de sélénium, un cinquième fil supplémentaire est clairement visible. Les deux images ont été prises dans les mêmes conditions de montage, à l'exception du type d'isotope et du temps d'exposition.

 

Inspection de tuyauterie : réduction du temps d'exposition

 

La Table 2 contient les résultats d'essais effectué par un prestataire de services de CND sur des tuyauteries, sur le site, en utilisant une source à isotope Ir-192 avec un système de radiographie numérique et /ou sur film. La comparaison montre clairement que les temps d'exposition ont été divisés par plusieurs dizaines. Lors d'un grand essai réalisé en coopération avec une raffinerie en France, plusieurs échantillons de soudures de tuyauteries, comportant intentionnellement des discontinuités, comme des scories, des morsures, de la corrosion, des porosités et des fissures, furent testés en laboratoire au moyen d'un capteur plan au silicium amorphe compatible avec une énergie élevée en utilisant une source portable de rayons X pulsés. Les critères de réussite des essais étaient le temps investi pour obtenir une image et la visibilité des discontinuités et des fils indicateurs de qualité d'image. La Table 3 récapitule les éléments testés typiques et les résultats de temps investi.



D'autres essais ont été réalisés dans la raffinerie elle-même avec une source de rayons gamma à l'Ir-192, 16 Ci (sur de la tuyauterie réelle sur le terrain) (voir l'exemple de montage de la Figure 5). Les critères de réussite des essais étaient le temps nécessaire pour installer le capteur et la source sur le site, le temps pour obtenir une bonne image, la qualité des images en comparaison d'images connues de l'objet testé et les outils d'analyse disponibles sur le site (Pincu et Kleinberger, 2009).



Les essais réalisés à la raffinerie démontrent une réduction du temps d'exposition de 4-5 mn en moyenne à 8-16 s. Les conditions de radiation étaient les mêmes (source de rayons X / gamma ray, une distance de 500 mm [19,69 in.] entre l'imageur ou le film et la source, échantillon ou tuyau inspectés) ; la seule différence est que le film a été remplacé par un imageur DDA. Trente-trois images ont été prises en tout juste 3 h. La réduction du temps d'exposition des dizaines de fois, de plusieurs minutes à des secondes signifie un rythme d'inspection beaucoup plus rapide, qui se traduit par des périodes d'arrêt du fonctionnement de la raffinerie plus courts et une efficacité accrue de l'inspection.

 

Résumé

 

Il est possible d'utiliser la radiographie numérique avec des niveaux d'énergie élevés, à condition de prendre un imageur approprié. Un tel imageur peut aussi contribuer à réduire le temps d'exposition et les niveaux des doses de rayonnement, rendant par cela de nombreuses applications, pour lesquelles une énergie élevée était considérée nécessaire, à la fois plus faciles et plus rapides à réaliser.



Des avantages inhérents supplémentaires à utiliser la technologie de radiographie numérique sont plus de sécurité pour l'opérateur du fait de l'exposition plus faible (en durée et dose) aux radiations et une profitabilité du CND accrue à cause du temps plus court pour obtenir les résultats (une économie considérable de coût et de temps car on peut prendre beaucoup d'images par jour avec un imageur de radiographie numérique). La durée de vie véritable d'un imageur DDA à silicium amorphe est assez longue pour permettre un retour de l'investissement même lorsqu'on réalise des essais à énergie élevée.

 

TABLE 1 : Conditions d'imagerie au Texas 

 

Conditions

Ir-192

Se-75

Ci (énergie moyenne en kV)

56 Ci

27.2 Ci

Temps d'exposition (par image)

0.6 s

10 s

Moyennage (pour accroître le SNR)*

20 images

20 images

Temps d'exposition total jusqu'à l'obtention final de l'image y compris moyennage 

12 s

200 s

Point focal

 3.708 mm (0.146 in.)

3.531 mm (0.139 in.)

Distance source - capteur

 Contact technique 
~228.6 mm
(9 in.)

 Contact technique 
~228.6 mm
(9 in.)

 

 

TABLE 2 : Résultats - Energie des isotopes avec capteur plan de radiographie numérique /  film 

 

Objet inspecté

Diamètre du tuyau

Matériau

Epaisseur de paroi

Liquide contenu

Temps d'exposition - Solution exclusive de radiographie numérique ****

Temps d'exposition - Film***

Lance d'incendie

208 mm
(8.19 in.)

ST35

7.2 mm
(0.28 in.)

Aucun

 30 s

  3 min.

 Profil de fibres de verre

700 mm 
(27.56 in.)

Fibre de verre

~ 25 mm
 (0.98 in.)

Aucun

 70 impulsions**
  (~ 4.6 s)

 30 s

Tuyau d'eau de traitement

150 mm
(5.91 in.)

SS2343

une paroi
6 mm (0.24 in.)

Eau

 20 s

 15 min.

Dispositif de refroidissement de vapeur

250 mm
(9.84 in.)
plus insulation

10CrMo

une paroi
40 mm (1.58 in.)

Aucun

 50 s

 1 h

Tuyau de vapeur sous pression basse

400 mm
(15.75 in.) 
plus insulation

ST35

12 mm
(0.47 in.)

Aucun

 30 s

 20 min.

  Tuyau de détergent de carburant

100/80 mm
 (3.94/3.15 in.)

SS2343

6 mm 
(0.24 in.) 

Détergent 

 15 s

 10 min.

 

 *SNR = rapport signal / bruit.
** essai effectué avec une source XRS-3 pulsée.
*** Film et Ir-192. Temps d'exposition seulement, développement du film non compris.
**** Capteur plan au silicium amorphe et source Ir-192. Temps jusqu'à obtention de l'image.

 

TABLE 3 : Temps jusqu'à obtention des résultats 

 

Matériau

Diamètre extérieur

Epaisseur de paroi

 Epaisseur de paroi totale

Energie

Temps d'exposition 

Acier carboné 5355

60 mm 
(2.32 in.)

 2.9 mm 
(0.11 in.)

~6 mm 
(0.24 in.)

270 kV

4.3 s

Acier carboné 5355

60.3 mm 
(2.37 in.)

2.9 mm 
(0.11 in.)

~6 mm 
(0.24 in.)

270 kV

3.54 s

Acier carboné 5355

 88.9 mm 
(3.50 in.)

3.62 mm 
(0.14 in.)

~6.4 mm 
(0.25 in.)

270 kV

2.3 s

 

 

REMERCIEMENTS


Les auteurs remercient Vidisco Ltd., qui a fourni les images illustrant les figures de cet article.



REFERENCES


ASME, ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section V, Article II, American Society of Mechanical Engineers, New York, 2010.
ASTM, E2597-07: Standard Practice for Manufacturing Characterization of Digital Detector Arrays, ASTM International, West Conshohocken,
Pennsylvania, 2007.
BSS, BSS 7044: Radiologic Inspection, Digital Radioscopic, Boeing Specification Support, Chicago, Illinois, 2003.
BSS, BSS 7045: Radiologic Inspection, Composite Structures, Boeing Specification Support, Chicago, Illinois, 2003.
Light, G., “Demonstration of Pulsed X-ray Machine Radiography as an alternative to Industry Radiography Cameras: Demonstration Pilot
Project,” Materials Evaluation, Vol. 66, No. 3, 2008, pp. 285–292.
Pick, L. and O. Kleinberger, “Technical Highlights of Digital Radiography for NDT,” Materials Evaluation, Vol. 67, No. 10, 2009, pp. 1111–1116.
Pincu, R. and O. Kleinberger, “The Transition from Conventional Radiography to Digital Radiography,” Materials Evaluation, Vol. 67, No. 5, 2009,
pp. 499–506.
Thales Group, “Digital Detectors,” 2011, www.thalesgroup.com/Pages/Solution.aspx?id=7363&pid=1568, 1 Feb 2011.

Figure 1. Structure d'un capteur plan au silicium amorphe (a-Si).
Figure 2. Capteur plan avec les circuits électroniques derrière la couche de silicium amorphe.
Figure 3. Schéma d'un imageur et blindage externe spécial.
Figure 4. Images radiographiques d'un tuyau d'acier de 203,2 mm (8 in.) de diamètre, épaisseur de paroi 19 mm (0,75 in.) : (a) iridium; (b) sélénium.
Figure 5. Montage d'un capteur plan au silicium amorphe dans une raffinerie et l'image radiographique correspondante.
 


CITATIONS

 

Les  systèmes portables sont petits ; une seule personne suffit pour les apporter au site d'inspection et organiser le fonctionnement.
La radiographie numérique peut se montrer un remplacement suffisant, et même supérieur, à la radiographie sur film ou les autres remplacements de celle-ci.
La rapidité de la procédure d'acquisition de l'image ne cause aucun compromis sur la qualité de l'image.
Aucun besoin de retourner au laboratoire pour le développement ou l'analyse des résultats.
Les composants électroniques ont un coût relativement bas par rapport aux autres composants de l'imageur et ils sont facilement remplaçables.
Les applications qui demandent des niveaux d'énergie élevés sont généralement celles qui exigent la pénétration de composants métalliques épais.
Les essais dans la raffinerie prouvent la réduction du temps d'exposition.

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