機(jī)動(dòng)式高能X射線照相系統(tǒng)在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用

，， ，

（中國(guó)人民解放軍96630部隊(duì)，北京 102206）

在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)使用過(guò)程中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥燃燒室定期進(jìn)行性能檢測(cè)，對(duì)于掌握發(fā)動(dòng)機(jī)性能并視情維修具有重要意義。高能X射線照相是發(fā)動(dòng)機(jī)性能檢測(cè)與評(píng)價(jià)的有效手段之一，尤其機(jī)動(dòng)式高能X射線照相系統(tǒng)，能夠方便地運(yùn)輸至發(fā)動(dòng)機(jī)貯存場(chǎng)所展開(kāi)檢測(cè)，避免了長(zhǎng)途運(yùn)輸對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的不利影響，大大提升了多樣環(huán)境下的固體發(fā)動(dòng)機(jī)保障能力。

高能X射線能量高、危害大，通常須依托于專用工房檢測(cè)。對(duì)于分散、少量貯存的固體發(fā)動(dòng)機(jī)，建設(shè)固定式專用工房和高能檢測(cè)設(shè)備，耗資巨大、利用率低；或?qū)l(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)途運(yùn)輸至集中地點(diǎn)檢測(cè)，安全性以及長(zhǎng)途運(yùn)輸對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響不確定，也不可取。

所以，集射線源、控制系統(tǒng)、膠片處理于一體的機(jī)動(dòng)式高能X射線照相系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱機(jī)動(dòng)系統(tǒng)），能夠機(jī)動(dòng)到固體發(fā)動(dòng)機(jī)貯存工房對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，較好的解決了這一難題。從機(jī)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)出發(fā)，因地制宜采取輻射防護(hù)措施，規(guī)范檢測(cè)流程與質(zhì)量控制措施，保證了機(jī)動(dòng)系統(tǒng)的輻射安全與檢測(cè)質(zhì)量。

1 機(jī)動(dòng)系統(tǒng)概述

機(jī)動(dòng)系統(tǒng)為廂式貨車結(jié)構(gòu)，集成了9 MeV駐波電子直線加速器、X射線機(jī)頭運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制設(shè)備、膠片處理設(shè)備和輻射防護(hù)設(shè)備等。系統(tǒng)可機(jī)動(dòng)至固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)或其它大型工件的貯存廠房進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，解決了大型工件運(yùn)輸不方便的問(wèn)題。其主要性能指標(biāo)如下。

1.1 照相檢測(cè)靈敏度

鋼厚度70～350 mm，達(dá)到ASTM E142標(biāo)準(zhǔn)中的1－2T；鋼厚度80～350 mm，達(dá)到ASTM E142標(biāo)準(zhǔn)中的1－1T。

1.2 加速器指標(biāo)

（1）電子能量：9 MeV。

（2）輻射束的劑量率：在射線中心束方向上，距靶點(diǎn)1 m處1 min內(nèi)累計(jì)劑量30 Gy。

（3）靶點(diǎn)直徑：不大于2 mm。

（4）劑量穩(wěn)定時(shí)間：從開(kāi)機(jī)開(kāi)始計(jì)時(shí)，劑量率達(dá)到設(shè)備標(biāo)稱值的90%所用時(shí)間不大于5 s。

（5）照射野：可調(diào)矩形，水平及垂直方向角度調(diào)整范圍0°～24°。

（6）加速器機(jī)頭運(yùn)動(dòng)性能：X射線機(jī)頭平行于工件軸線方向運(yùn)動(dòng)范圍大于10 m，垂直運(yùn)動(dòng)范圍為距地面1～2.4 m，X射線機(jī)頭上下俯仰±15°，水平旋轉(zhuǎn)±30°。

2 機(jī)動(dòng)性設(shè)計(jì)

要使高能X射線檢測(cè)系統(tǒng)具備良好的機(jī)動(dòng)性，須在加速器小型化、性能穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)適應(yīng)性等方面進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。

2.1 加速器小型化

機(jī)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)采用全密封磁軸耦合駐波加速管和四端環(huán)流器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了X射線照射頭的小型化，并將高壓脈沖調(diào)制器、電氣控制柜、穩(wěn)壓電源等集成優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大縮小了體積。同時(shí)，采用分布式總線控制技術(shù)，將X射線裝置及控制系統(tǒng)分別集成在通裝貨車底盤(pán)上，實(shí)現(xiàn)了高能加速器的車載機(jī)動(dòng)。

2.2 加速器性能穩(wěn)定性

為保證系統(tǒng)核心部件，如加速管、磁控管、波導(dǎo)系統(tǒng)等經(jīng)過(guò)長(zhǎng)途運(yùn)輸后的穩(wěn)定性，對(duì)X射線機(jī)頭采用了均衡全浮式減振技術(shù)，在X射線機(jī)頭與托架之間非均布安裝鼓形雙向減振器。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，X射線機(jī)頭設(shè)備的振動(dòng)加速度明顯小于無(wú)減振措施的振動(dòng)加速度，起到了較好的減振效果，保證了長(zhǎng)距離機(jī)動(dòng)運(yùn)輸后加速器系統(tǒng)的性能穩(wěn)定。

2.3 多樣工件的適用性

為適用于不同型號(hào)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的切向和徑向照相，機(jī)動(dòng)系統(tǒng)能夠調(diào)節(jié)X射線機(jī)頭位置和方向，完成X射線機(jī)頭伸縮、垂直升降、水平旋轉(zhuǎn)、俯仰以及整車移動(dòng)等五個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，滿足各種工件和工況的射線檢測(cè)要求。

3 輻射防護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 開(kāi)放工房高能X射線照相檢測(cè)輻射危害分析

開(kāi)放工房是指修建時(shí)沒(méi)有考慮射線防護(hù)的一般性廠房，其承重墻體通常為300～400 mm厚混凝土墻，非承重墻為200 mm至250 mm厚磚墻，有大面積采光玻璃窗和通風(fēng)設(shè)施。以加速器劑量率30 Gy/min計(jì)算（距靶1 m處），開(kāi)放廠房周圍100 m范圍作為控制區(qū)域，控制區(qū)邊界主束方向和非主束方向劑量率分別為 1.8×105，180μGy/h，是GB Z117－2006《工業(yè)X射線探傷放射衛(wèi)生防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定控制區(qū)邊界值的12 000倍和12倍，因此開(kāi)放工房的輻射防護(hù)條件遠(yuǎn)不能滿足輻射防護(hù)要求，必須采取防護(hù)手段，減小工房外的射線劑量率。

3.2 輻射防護(hù)方法

要在開(kāi)放工房進(jìn)行高能X射線照相，可采取屏蔽防護(hù)與距離防護(hù)相結(jié)合的方法，主要表現(xiàn)在：

（1）借助地理環(huán)境，盡量讓射線主束正對(duì)厚度很大的天然屏蔽體（如山體、土堆等），如果沒(méi)有可采用移動(dòng)防護(hù)器材或修建防護(hù)墻進(jìn)行防護(hù)；

（2）根據(jù)計(jì)算與實(shí)際測(cè)量結(jié)果，科學(xué)劃分輻射控制區(qū)與監(jiān)督區(qū)，采取必要的警戒措施，防止無(wú)關(guān)人員進(jìn)入監(jiān)督區(qū)；同時(shí)運(yùn)用加速器遠(yuǎn)程控制功能，工作人員盡量遠(yuǎn)離射線源進(jìn)行操作。

根據(jù)周圍環(huán)境和廠房結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開(kāi)放工房可以分成兩類，一是完全開(kāi)放型，二是半開(kāi)放型。

完全開(kāi)放型場(chǎng)工房是指廠房周圍均為開(kāi)闊地，沒(méi)有可利用的山體、建筑、低洼地。對(duì)于這種工房，射線主束方向應(yīng)修建混凝土防護(hù)墻，非主束方向則以移動(dòng)防護(hù)屏風(fēng)為主，控制區(qū)邊界盡量依托實(shí)體墻進(jìn)行隔離，根據(jù)測(cè)量結(jié)果劃定輻射監(jiān)督區(qū)，加強(qiáng)人員警戒，工作期間不允許非工作人員進(jìn)入監(jiān)督區(qū)。如果加速器遠(yuǎn)程控制端距離加速器靶點(diǎn)小于50 m，還應(yīng)當(dāng)采取混凝土防護(hù)頂棚或鉛板屏蔽天空散射。圖1為某開(kāi)放型廠房的輻射防護(hù)方案。

圖1 完全開(kāi)放型廠房輻射防護(hù)方案

半開(kāi)放型廠房是指廠房周圍一個(gè)或幾個(gè)方向存在山體或可以大幅衰減射線的構(gòu)筑物，它們幾乎能夠完全吸收來(lái)自主束的射線，因此無(wú)需修筑主防護(hù)墻與輔助防護(hù)墻。加速器遠(yuǎn)程控制端可利用建筑、地勢(shì)等進(jìn)行防護(hù)。半開(kāi)放廠房示例如圖2所示，主束方向和加速器西側(cè)為山體；東側(cè)和南側(cè)地勢(shì)開(kāi)闊，采用移動(dòng)屏風(fēng)防護(hù)以減小監(jiān)督區(qū)范圍，遠(yuǎn)程控制端位于地平面下，坑深度為5 m，為減小天空散射，距離加速器靶點(diǎn)約80 m。

圖2 半開(kāi)放型輻射防護(hù)方案

4 檢測(cè)流程與應(yīng)用

4.1 檢測(cè)流程

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)野外條件下的射線檢測(cè)基本流程與固定廠房?jī)?nèi)的射線檢測(cè)流程基本相似，只是前者的質(zhì)量和安全控制因素復(fù)雜多變，要求更嚴(yán)格，如圖3所示。機(jī)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)到達(dá)開(kāi)放廠房后，首先展開(kāi)設(shè)備并對(duì)工件、設(shè)備、防護(hù)器材等進(jìn)行布置和檢查，劃定輻射監(jiān)督區(qū)和控制區(qū)，隨后進(jìn)行膠片準(zhǔn)備和工藝布置，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各部位進(jìn)行射線照相，最后評(píng)定底片，出具報(bào)告，撤收設(shè)備。

圖3 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)動(dòng)式高能X射線照相檢測(cè)流程

4.2 質(zhì)量控制

機(jī)動(dòng)系統(tǒng)成功解決了大型固體發(fā)動(dòng)機(jī)靠前保障問(wèn)題，但其質(zhì)量控制要素相比固定式檢測(cè)有很大變化，表1是固定式檢測(cè)與機(jī)動(dòng)式檢測(cè)質(zhì)量控制對(duì)比情況，可以看出機(jī)動(dòng)式檢測(cè)過(guò)程質(zhì)量控制難度大，對(duì)檢測(cè)人員、裝備技術(shù)保障和工藝過(guò)程控制等都提出了較高要求［1]。根據(jù)固定式與機(jī)動(dòng)式射線照相檢測(cè)的質(zhì)量控制變化，總結(jié)既往經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)性提出以下質(zhì)量控制方法：

表1 固定式檢測(cè)與機(jī)動(dòng)式檢測(cè)質(zhì)量控制對(duì)比

（1）制定質(zhì)量控制規(guī)范，嚴(yán)格落實(shí)檢測(cè)操作過(guò)程的自互檢制度。

（2）以控制顯影液溫度為重點(diǎn)，確保膠片處理?xiàng)l件的一致性。

（3）建立裝備照相性能驗(yàn)證制度，定期校驗(yàn)射線照相靈敏度。

（4）嚴(yán)格執(zhí)行輻射防護(hù)方案，確保檢測(cè)過(guò)程輻射安全。

4.3 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)應(yīng)用實(shí)例

機(jī)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)射線檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部大量的缺陷，包括藥柱氣孔、絕熱層內(nèi)分層、夾雜、藥柱與襯層脫粘等，對(duì)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)都起到了很大作用。圖4是由機(jī)動(dòng)系統(tǒng)拍攝的發(fā)動(dòng)機(jī)射線照相缺陷底片影像，及實(shí)物挖藥情況［2]。

圖4 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)射線照相缺陷

經(jīng)對(duì)大量發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)：

（1）隨著推進(jìn)劑原料制作、預(yù)混、澆注工藝逐漸成熟，推進(jìn)劑內(nèi)部缺陷越來(lái)越少，以界面缺陷為主。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)貯存期間（15年左右），內(nèi)部缺陷基本沒(méi)有變化，已有缺陷基本為生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的。

（3）燃燒室人工脫粘層根部的位置對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)完整性影響很大，尤其對(duì)襯層與藥柱的粘接界面。

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)缺陷絕大多數(shù)為工藝性缺陷，極少為設(shè)計(jì)性缺陷。因此，通過(guò)無(wú)損檢測(cè)手段改善生產(chǎn)工藝，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是十分必要的。

發(fā)動(dòng)機(jī)射線照相對(duì)于發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)問(wèn)題，指導(dǎo)工藝改進(jìn)都有重要作用。例如，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)靠近燃燒室后機(jī)口藥柱截面普遍存在密集氣孔，如圖5所示。經(jīng)分析認(rèn)為，當(dāng)推進(jìn)劑立式澆注至最后階段，在虛線1以上區(qū)域形成封閉區(qū)域，氣體不易排除，而形成扁平密集氣孔群。建議采用變速率澆注，澆注的最后階段，確保燃燒室內(nèi)真空度要求；另外，改進(jìn)后機(jī)口絕熱層設(shè)計(jì)，絕熱層型面沿虛線2比較合理。再如，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)某型發(fā)動(dòng)機(jī)前封頭藥柱內(nèi)出現(xiàn)大面積的低密度影像，形狀非常不規(guī)則，經(jīng)挖藥確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)是大量的片狀襯層薄片。經(jīng)分析，認(rèn)為是噴涂發(fā)動(dòng)機(jī)襯層料漿時(shí)，局部混入微小氣孔群，當(dāng)襯層處于半固化狀態(tài)，燃燒室抽真空，發(fā)動(dòng)機(jī)澆注，此時(shí)，混入氣體的襯層膨脹鼓泡，以致氣泡破裂落入前封頭。針對(duì)這一問(wèn)題，需要完善襯層料漿混勻工藝并保證噴涂的真空度，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)襯層半固化狀態(tài)的量化控制研究［3]。

圖5 某型發(fā)動(dòng)機(jī)后封頭藥柱密集氣孔群

5 結(jié)語(yǔ)

機(jī)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)小型化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高能X射線照相設(shè)備的機(jī)動(dòng)化，能夠機(jī)動(dòng)至發(fā)動(dòng)機(jī)貯存場(chǎng)所對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行射線照相檢測(cè)。為確保輻射安全，檢測(cè)中采取了地勢(shì)防護(hù)、修建防護(hù)墻、搭建移動(dòng)防護(hù)屏風(fēng)和人員區(qū)域警戒等方法，打破了傳統(tǒng)的高能X射線檢測(cè)必須要修建專用檢測(cè)工房的觀念。對(duì)于機(jī)動(dòng)檢測(cè)而言，檢測(cè)條件變化多樣，必須嚴(yán)格落實(shí)質(zhì)量的過(guò)程控制和關(guān)鍵環(huán)節(jié)的重點(diǎn)監(jiān)管，才可以保證檢測(cè)質(zhì)量的一致性?？傊?，機(jī)動(dòng)式固體發(fā)動(dòng)機(jī)高能X射線照相為準(zhǔn)確掌握貯存和使用中的發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，為反饋發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)過(guò)程，指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)都起到了重要作用。

［1]劉富剛，尚玉沛，王麗，等.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高能X射線照相檢測(cè)技術(shù)研究［J].無(wú)損探傷，2005，29（5）：10－12.

［2]CRISCUOLO E L，HOLLOWAY J A，POLANSKY D，et al.Radiography of large solid rocket propellant motors［C]//Symposium on Nondestructive Testing in the Missile Industry，1968.

［3]張玉娟，王召巴，楊亞軍.基于紅外光譜的固體火箭推進(jìn)劑包覆層半固化狀態(tài)判定［J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2012，32（6）：103－108.