工業(yè)探傷室的混凝土屏蔽厚度計算

何銀，段瀟川，劉曼(東風(fēng)設(shè)計研究院有限公司，武漢430056)

工業(yè)探傷室的混凝土屏蔽厚度計算

何銀，段瀟川，劉曼
(東風(fēng)設(shè)計研究院有限公司，武漢430056)

針對輻射的防護，選擇傳統(tǒng)計算方法中較復(fù)雜的方法并加以改進。以某工業(yè)探傷室（包括1個X射線探傷室、1個γ射線探傷室）為實例，運用新方法進行了混凝土屏蔽厚度的計算，使此工業(yè)探傷室的設(shè)計能滿足輻射防護的基本原則及相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)的要求。

X射線探傷；γ射線探傷；混凝土;屏蔽厚度

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.008

1 引言

射線探傷是無損檢測的一個常用方法，廣泛應(yīng)用于石油化工、壓力容器、冶金、機械制造等各行業(yè)。壓力容器所處工作環(huán)境惡劣—高溫、深冷、易燃或介質(zhì)有毒，一旦容器破裂或爆炸，將會造成較多人員傷亡及很大的經(jīng)濟損失。焊縫是壓力容器失效的主要因素[1]，不論是生產(chǎn)還是使用壓力容器的公司，對其焊縫進行射線探傷都是必要的。為確保操作人員及公眾免受超過國家規(guī)定的允許輻射劑量，對射線輻射的防護成為射線探傷工作的重要環(huán)節(jié)之一。通常采用縮短接觸時間、增大防護距離，遮擋屏蔽物的方法來降低輻射劑量，本文重點闡述屏蔽物適宜厚度的計算方法。

2 輻射防護相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)

探傷室運行時，工作人員和公眾可能受到的輻射及附加年有效劑量，需分別滿足《電離輻射防護與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》(GB18871—2002)[2]對輻射工作人員、公眾附加年有效劑量20mSv、1mSv的劑量限值要求，同時也需滿足當(dāng)?shù)氐胤綐?biāo)準(zhǔn)。如本工程所在的湖北省，在2009年頒布的《關(guān)于加強工業(yè)探傷項目輻射安全防護工作的通知》[3](鄂環(huán)辦 [2009]75號文)中，要求“放射工作人員職業(yè)照射年劑量約束值取2mSv，公眾照射年劑量約束值取0.25mSv”，即每周為0.04mSv、0.005mSv（1年按50周考慮）。

根據(jù)《工業(yè)X射線探傷放射衛(wèi)生防護標(biāo)準(zhǔn)》[4]（GBZ117—2006）和《工業(yè)γ射線探傷放射防護標(biāo)準(zhǔn)》[5]（GBZ132—2008），在進行屏蔽墻設(shè)計時，可取公眾約束劑量限值為0.3mSv/a，對于在X射線、γ射線裝置工作條件下，探傷室屏蔽墻外30cm處空氣比釋動能率要求均不大于2.5μGy/h。使用移動探傷裝置進行探傷作業(yè)時，需根據(jù)規(guī)范設(shè)置監(jiān)督區(qū)及控制區(qū)。

3 屏蔽厚度計算

物質(zhì)對輻射的吸收量與物質(zhì)厚度近似成正比，可通過增加防護物質(zhì)厚度可使輻射降低到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定劑量范圍內(nèi)。屏蔽厚度的計算方法很多[6]，通過減弱倍數(shù)、輻射穿透率、工作量、5%減弱厚度、分階層等方法均可。方法越簡化，其結(jié)果的準(zhǔn)確性越差，這里采用較復(fù)雜的通過輻射穿透率來計算防護厚度的方法。此方法是計算出實際的穿透率，然后對比通過實驗得出的射線在不同屏蔽材料中的減弱曲線來獲取屏蔽厚度。文獻[7]提出的方法計算屏蔽厚度精度更好，然而其建模程序復(fù)雜、計算時間較長且沒有考慮施工階段的質(zhì)量因素影響，對于一般工程不一定更合適。雖受測量裝置、環(huán)境等因素影響，減弱曲線有細微不同，但是用透射率來計算屏蔽厚度還是比較可靠的。

對有用射線的屏蔽計算：

式中,B為透射量，相應(yīng)于B值的屏蔽厚度可從透射曲線讀出，對于γ射線，B為比值，單位為1，對于X射線，B的單位為C/(kg·mA·min)；P為以每周的劑量當(dāng)量表示的劑量限值，按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)取值,單位為mSv;D為從放射源到考察點的距離，單位為m；T為與考察點所在區(qū)域相應(yīng)的居留因子，參考人員在輻射場所周圍的實際駐留位置取值；U為利用因子，表示輻射源開啟時間內(nèi)射線束向需要考慮屏蔽的那個方向上的時間分?jǐn)?shù)；W為1周內(nèi)有用線束的工作負(fù)荷，對于γ射線，單位為Sv·m2，對有電流表的X射線機，即為1周內(nèi)擬定曝光時間與管電流的乘積，單位為mA·min。

隨著檢測件厚度的增加，對焊縫質(zhì)量檢測要求越來越高，除使用X射線對一般厚度構(gòu)件進行探傷外，還需引入穿透能力強效率高的γ射線對厚度較大構(gòu)件的對接焊縫等進行探傷。γ射線探傷有以下特點：穿透能力比X射線強且比加速器經(jīng)濟，作業(yè)時不需用電，可穿過尺寸為2.54cm小口的瑕位去透照（X射線探傷儀和加速器幾乎難以辦到），可勝任X射線能承擔(dān)的所有任務(wù)且無易損件。因混凝土墻體厚度計算簡單、準(zhǔn)確且建成后防護效果穩(wěn)定，新建探傷室大部分采用混凝土墻體進行射線防護，本文以混凝土作為屏蔽材料研究對象。

文獻[6]介紹的方法是根據(jù)透射曲線查出相應(yīng)屏蔽厚度，圖表中中間數(shù)值需要插值，計算精度難以保證。本文對實驗所得結(jié)果進行數(shù)據(jù)擬合，得到“60Co寬束γ線穿過密度為2.35g/cm3的混凝土?xí)r的透射曲線”[8]（見圖1）、“管電壓350kV的寬束X射線穿過混凝土(密度2.25g/cm3)的透射曲線”（見圖2）對應(yīng)的擬合函數(shù)。

圖1 Co寬束γ射線穿過密度為2.35g/cm3的混凝土?xí)r的透射曲線

圖2 管壓350kV的寬束X射線穿過混凝土（密度為2.35g/cm3）的透射曲線

圖2 1#、2#探傷室平面圖

圖中，R2為判定系數(shù)。

縱橫坐標(biāo)交換來擬合，得到屏蔽厚度H與透射量B的關(guān)系如下：

曲線擬合誤差分別為0.17%、0.04%，小于查表誤差，更適合一般工程應(yīng)用。

4 實例簡介

建設(shè)單位擬建2個探傷室，1#探傷室（用60Co放射源進行γ射線探傷）位于廠房外部，2#探傷室（X射線探傷）位于廠房內(nèi)部，根據(jù)檢測工件的尺寸、建設(shè)方的使用要求，平面布置如圖3（墻體厚度為最終設(shè)計厚度）。

1#探傷室：60Co放射源及192Ir放射源各1枚。2枚放射源的活度均為3.7×1012Bq（100Ci）。探傷作業(yè)過程中2枚放射源不同時使用。每天使用時間共不超過2h。2#探傷室：2臺工業(yè)X射線探傷機，XXGHP-3505周向探傷機及XXG-3505定向探傷機各1臺，2臺探傷機的最高工作電壓為350kV，最高管電流為5mA。探傷作業(yè)過程中2臺探傷機不同時使用。

擬建1#、2#探傷室的設(shè)計說明：

1）擬設(shè)置紅色警示燈、門-機-燈聯(lián)鎖裝置，張貼電離輻射警示標(biāo)志，并附中文警示說明，并在探傷室內(nèi)安裝固定式報警儀；

2）擬安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)、緊急停機按鈕，并將管理制度及操作規(guī)程等相關(guān)輻射安全管理制度裝裱上墻；

3）電纜溝采用“U”形走線，安裝通風(fēng)量大于6400m3/h的機械通風(fēng)系統(tǒng)，在開機條件下每小時換氣5～10次。

本文著重考慮1#、2#探傷室墻體厚度的計算，探傷室的工件進出大門、人員進出小門均由探傷設(shè)備廠家提供，這里不做討論。

公式（1）中，對工作人員取p為0.04mSv/周，對公眾取0.005mSv/周；對放射工作人員按最不利情況，全居留取T為1，對防護墻外公眾取T為1/4；探傷室屋頂無人員居留，取T為1/16；對工作人員取1，公眾取U為1/4。

60Co放射源衰變時γ射線能量為1.25MeV，192Ir放射源衰變時γ射線能量為0.48MeV，故以60Co放射源作業(yè)時的屏蔽計算來計算1#探傷室的屏蔽厚度。根據(jù)文獻[6]第94頁表格“常用γ輻射源的γ常數(shù)、線較弱系數(shù)μ及半價層HVL”可知，37GB9（1Ci）的60Co放射源在距1m處每小時的照射量為3.35×10-4C/kg(1.3R)，本項目60Co放射源的活度為3.7× 1012Bq；故3.7×1012Bq的60Co放射源距1m處，每小時的照射量為3.35×10-2C/kg。按每天使用時間2h計算，每周按5個工作日計算，每周照射量為：

130×5×2=0.3354C/kg =10.93Sv=10930mSv

2#探傷室最多同時使用1臺工業(yè)X射線探傷機，工業(yè)探傷機管電流為5mA，每周預(yù)計按最大曝光時間（本項目2#探傷室的年曝光時間250h，1年按50周計，則每周曝光時間5h計算，則每周曝光時間為5h×60min/h=300min，故 W=300min× 5mA=1500mA·min。

1#、2#探傷室計算參數(shù)及透射量B計算結(jié)果見表1。

利用公式（2）和公式（3），得到理論所需混凝土的厚度，考慮對漏射線的防護，增加一個混凝土半值層61mm（40mm），計算屏蔽厚度見表2。

表1 1#、2#探傷室計算參數(shù)及B計算結(jié)果

表2 1#、2#探傷室計算屏蔽厚度與設(shè)計屏蔽厚度對比

由表2可知，擬建1#、2#探傷室四側(cè)墻體和房頂?shù)脑O(shè)計屏蔽措施均能夠滿足屏蔽要求，故擬建1#、2#探傷室四周墻體屏蔽防護設(shè)計合理。迷道凈寬800mm，四周墻體厚度均同主防輻射墻體（東側(cè)墻體）厚度，故能滿足屏蔽要求。

5 結(jié)語

本文對計算透射率并再從透射曲線讀取屏蔽厚度這個方法進行了改進：對文獻[6]中的實驗數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)擬合，得到更合理的透射曲線及擬合函數(shù)公式，計算得出透射率后，通過擬合函數(shù)公式計算得到屏蔽厚度，這樣更精確方便。在滿足國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及地方設(shè)計要求的前提下，用改進過的方法對實際設(shè)計工程案例進行了混凝土屏蔽厚度的計算。結(jié)合文獻[6]中理論能很容易得到其他材料屏蔽厚度的計算數(shù)據(jù)。文獻[9]提到一些其他方法，相信經(jīng)此專業(yè)領(lǐng)域的人員研究和總結(jié)后，可使得屏蔽厚度的計算更可靠更快捷。

【1】李生田，劉志遠.焊接結(jié)構(gòu)現(xiàn)代無損檢測技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

【2】GB18871—2002電離輻射防護與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)[S].

【3】鄂環(huán)辦[2009]75號關(guān)于加強工業(yè)探傷項目輻射安全防護工作的通知[S].

【4】GBZ117—2006工業(yè)X射線探傷放射衛(wèi)生防護標(biāo)準(zhǔn)[S].

【5】GBZ132—2008工業(yè)γ射線探傷放射防護標(biāo)準(zhǔn)[S].

【6】蘇森齡.X射線與γ射線防護手冊[K].貴陽：貴州人民出版社，1982.

【7】冀東等.屏蔽估算保守性對工程投資的經(jīng)濟學(xué)分析[J].核電子學(xué)與探測技術(shù)，2014,34(3)：349-352.

【8】GBZT152—2002γ遠距治療室設(shè)計防護要求[S].

【9】孫瑩瑩.常用γ放射源的屏蔽計算及方法評價[D].長春：吉林大學(xué)，2010.

ShieldingConcreteThicknessof IndustrialFlawDetectionRooms Calculation

HEYin,DUANXiao-Chuan,LIUMan
(DongfengDesign&ResearchInstituteCo.Ltd.,Wuhan430056,China)

For radiation protection, this paper selected the more complex one in traditional calculation methods and improved it.Taking a certain industrial flawdetection room (including a X-ray flawdetection room and a gamma ray flaw detection room) as anexample, the new method had been used in calculating the concrete shielding thickness , makes the design of the industrial flawdetectionroomcan satisfythebasicprinciplesof radiationprotection andrelatednational standardsandlocal standards.

X-rayflawdetection;gamma rayflawdetection; concrete; shieldingthickness

TL816+.1;TU311.4

B

1007-9467（2016）12-0046-04

2016-07-07

何銀（1984～），女，湖北大悟人，工程師，從事結(jié)構(gòu)工程設(shè)計與研究。