450 kV工业探伤装置X射线曝光室辐射屏蔽计算

作者简介:

孙青峰（1985—）,男,硕士,高级工程师,主要从事建筑设计、建筑设计咨询的相关工作

常见的X射线探伤机管电压为160~450 kV（管电压500 kV以上的X射线一般需采用加速器才能实现）,市场上单台最大管电压450 kV的探伤机可通过调节输出不同管电压的射线。目前采取的屏蔽计算参照GBZ/T250—2014《工业X射线探伤室辐射屏蔽规范》（以下简称规范）及最新屏蔽研究文献[1-2],并依据项目情况及土建实施情况及透射参数复合作用情况[3],适当加大以方便施工；规范说明了工业X射线探伤室辐射屏蔽要求,注明了计算适用于500 kV以下工业X射线装置的探伤室,但查阅附录中管电压与参数关系图表,管电压区间范围为150 ~400 kV,不满足管电压450 kV情况下的计算需求。 

通过查阅文献,引入400 ~500 kV区间内相关参数,计算管电压450 kV工况下,有用射线辐射、泄漏辐射及散射辐射条件下曝光室墙体及工件大门所需屏蔽防护厚度,为管电压400~500 kV工况下探伤室屏蔽设计提供参照。 

此次讨论单台450 kV/5 mA定向X射线探伤机防护措施,此探伤机用于室内焊板产品探伤作业（固定场所）,射线方向为朝向北向或向下。 

1.   屏蔽计算方法及计算工作条件

参照规范相关规定,对有用线束屏蔽、散射辐射屏蔽及泄漏辐射屏蔽进行计算,并考虑复合作用下的屏蔽厚度,得出各方向探伤室所需的混凝土及铅屏蔽厚度。 

1.1   探伤室辐射屏蔽的剂量参考控制水平

依据规范GBZ/T250—2014第3.1条,导出剂量率参考控制水平计算公式,即 

式中：,d为导出剂量率参考控制水平；Hc为周剂量参考控制水平；U为探伤装置向关注点方向照射的使用因子；T为人员在相应关注点驻留的居留因子；t为探伤装置周照射时间。 

依据规范第3.1.1条和3.1.2条,关注点剂量率参考控制水平凡不大于2.5 μSv·h-1的,以其值作为剂量率参考控制水平。 

1.2   计算结论

设有用线束屏蔽透射因子为当有用线束关注点达到剂量率参考控制水平时,屏蔽设计所需的屏蔽透射因子B可写为 

式中：R为辐射源点至关注点的距离；I为X射线探伤装置在最高管电压下的常用最大管电流; H0为距辐射源点1 m处输出量。计算出B值后,查相应图表,得到所需屏蔽厚度。 

1.3   泄漏辐射和散射辐射屏蔽

（1）屏蔽物质厚度X与屏蔽透射因子B的关系 

设关注点达到剂量率参考控制水平时,屏蔽设计所需的屏蔽透射因子为B,TVL为X射线经强衰减后的值,那么屏蔽物质厚度X=-TVL·lgB。 

（2）泄漏辐射屏蔽 

设距辐射源点1 m处X射线管组装体的泄漏辐射剂量率为,该项目管电压为450 kV（>200 kV）,查规范表1,为5×103 Sv/h,I为探伤装置在最高管电压下的常用最大管电流,则有。 

（3）散射辐射屏蔽 

X射线90°散射辐射的最高能量低于入射X射线的最高能量,使用该散射X射线最高能量相应的X射线的中值层计算其在屏蔽物质中的辐射衰减。该项目管电压为450 kV,对应散射辐射300 kV。关注点达到剂量率参考控制水平时,屏蔽设计所需的屏蔽因子可写为 

式中：Rs为散射体至关注点的距离；R0为辐射源点至探伤工件的距离；F为辐射源处的辐射野面积；a为散射因子,即入射辐射被单位面积散射体散射到距其1 m处的散射辐射剂量率与该面积上的入射辐射剂量率的比值。 

参照水散射体的a值保守估计计算,因子取值50。 

1.4   其他参数

规范附录表B.2备注1：“表中值取自ICRP33,在本标准中以等量值的mSv·m2/（mA·min）进行屏蔽计算”,查阅ICRP33《医用外照射源的辐射防护》中文版[4]中50~500 kV的X射线输出量,对规范中X射线在铅和混凝土中的典型透射曲线进行补充。 

根据《辐射防护手册第一分册》[5]规定的参数,450 kV、3.0 mm Cu过滤板的射线机保守取为34.92 mSv·m2/(mA·min)。 

查阅《医用外照射源的辐射防护》中500 kV X射线矫正后输出量在铅和混凝土中值层厚度分别为10.3 mm和119 mm,500 kV 的X射线在铅和混凝土中半值层厚度分别为3.1 mm和36 mm[4]。 

1.5   计算工作条件

笔者探讨的探伤室中的曝光室尺寸为5 m×6 m×5 m（长×宽×高）,平面示意如图1所示。 

图  1  探伤室平面示意

探伤室使用X射线探伤装置,其主要技术参数为：交流电源电压为220 V+10%,频率为50 Hz,最大管电压为450 kV,最大管电流为5 mA。每周工作5 d,每天工作8 h,日拍片量为40片,每片拍照参数为25 mA·min（以5 mA的管电压拍照5 min）。参考点南侧与北侧距离辐射源点的距离均为3 m,参考点东侧与西侧距离辐射源点的距离均为2.5 m,屋顶参考点距离辐射源点的距离为3.2 m。探伤室辐射屏蔽参数如表1所示。 

1.6   设计屏蔽材料参数及目标

屏蔽墙材料采用钢筋混凝土,密度不小于2.3 g·cm−3(标准GB 50752—2012《电子辐射工程技术规范》第5.2节)；屏蔽门材料采用铅,密度不小于11.3 g·cm−3。根据辐射防护ALARA原则,结合实际工作情况,X射线机在开机运行的时间内,曝光室四周主屏蔽墙体外、主屏蔽前门（曝光室工件门）关注点的吸收剂量率应控制在0.5 μGy·h−1以下,曝光室屋顶外表面关注点的吸收剂量率应控制在10 μGy·h−1以下,满足以上条件的屏蔽体防护是足够的,此时屏蔽墙体和屏蔽门厚度也是足够且合理的。 

2.   屏蔽计算

2.1   探伤室辐射屏蔽的剂量参考控制水平

X射线探伤周工作负荷W周=5×40×25=5 000 mA·min/周。 

有效工作负荷W=W周UT=5 000×1×1=5 000 mA·min/周（设U=1；查规范表A.1得到控制室、暗室、邻近建筑物中的驻留区条件下的T为1）。 

周照射时间=5 000/60/5=166.67（h/周）,导出剂量率水平按式（1）计算。各方向X射线导出剂量率参考控制水平如表2所示。 

Table  2.  曝光室各方向X射线导出剂量率参考控制水平统计

方向	U	T	Hc/（μSv/周）	W/（mA · min/周）	t/（h/周）	,d/(μSv · h-1）
东	1	1/4	2.5	5 000	16.67	0.60
南	1	1/4	2.5	5 000	16.67	0.60
西	1	1/4	2.5	5 000	16.67	0.60
北	1	1	2.5	5 000	16.67	0.15
屋顶	1	1/40	0.3	5 000	16.67	0.72

2.2   有用线束屏蔽估算

有用线束屏蔽按式（2）计算,考虑安全系数的情况下,公式修正为 

式中：n为关注点所受照射的有用线束数量；μ为安全系数。 

依据辐射防护的设计原则并结合现场的实际工作情况,对探伤室工件门铅层厚度辐射屏蔽进行计算时,取0.5 μSv·/h−1,I取5 mA,R取3.0 m,n取1,μ取2,则 

查《辐射防护手册第一分册》中图10.5（宽束X射线通过混凝土层的减弱曲线）,使用插值法和外推法可得所需最小混凝土厚度为835 mm。 

2.3   泄漏辐射和散射辐射屏蔽估算

（1）泄漏辐射屏蔽估算 

泄露辐射屏蔽按公式B泄露=H˙c · R2/(I · H˙L)计算。取0.5 μSv·h−1,I取5 mA,R依据不同朝向取2.5 m和3.0 m,取5×103 μSv·h−1（见《工业X射线探伤室辐射屏蔽规范》表1）。各方向泄漏辐射屏蔽计算结果如表3所示（南侧设置有工件大门）。 

Table  3.  各方向泄漏辐射屏蔽厚度计算结果

方向		I	R		B	X(混凝土屏蔽厚度)/mm	X(铅屏蔽厚度)/mm
东	0.5	5	2.5	5 000	0.000 125	464.47	-
南	0.5	5	3	5 000	0.000 180	445.62	38.57
西	0.5	5	2.5	5 000	0.000 125	464.47	-
屋顶	0.5	5	3.2	5 000	0.000 205	438.95	-

（2）散射辐射屏蔽估算 

散射辐射屏蔽按公式计算。取0.5 μSv·h-1,Rs依据不同朝向取2.5 m和3.0 m,H0取5×103 μSv·h-1（同泄漏辐射参数）。此次X射线90°散射辐射最高能量相应值取300 kV。取50。各方向散射辐射屏蔽计算结果如表4所示。 

Table  4.  各方向散射辐射屏蔽厚度计算结果

方向	Hc	I	Rs	H0		系数	B	X(混凝土屏蔽厚度)/mm	X(铅屏蔽厚度)/mm
东	0.5	5	2.5	34.92	50	60 000	0.000 015	574.34	-
南	0.5	5	3	34.92	50	60 000	0.000 021	555.49	48.08
西	0.5	5	2.5	34.92	50	60 000	0.000 015	574.34	-
屋顶	0.5	5	3.2	34.92	50	60 000	0.000 024	548.82	-

2.4   复合分析

（1）混凝土屏蔽 

管电压450 kV的X射线在混凝土中值层为119 mm,散射辐射与泄漏辐射差值如表5所示。 

泄漏辐射和散射辐射的混凝土屏蔽厚度差值为109.87 mm,小于119 mm,需在较厚屏蔽上增加一个半值层厚度,最后取值如表6所示。 

（2）铅屏蔽 

管电压450 kV的X射线在混凝土中值层为10.3 mm,散射辐射与泄漏辐射差值如表7所示。 

泄漏辐射和散射辐射的混凝土屏蔽厚度差值为9.51 mm,小于10.3 mm,需在较厚屏蔽上增加一个半值层厚度,最后取值如表8所示。 

2.5   小结

综合以上计算,各方向所需屏蔽厚度统计如表9所示。考虑现场施工条件,混凝土厚度应在此基础上适当加大,满足现场施工要求。 

3.   无损检测挂证网结语

针对450 kV管电压的探伤装置,依据《工业X射线探伤室辐射屏蔽规范》相关公式,查阅相关资料补充规范附图及附表中未提供的参数,以某项目为例,计算混凝土及铅屏蔽所需的防护厚度,弥补了规范中的数据信息空缺,为其他450 kV探伤装置曝光室屏蔽计算提供参照。 

此次研究参照《医用外照射源的辐射防护》中500 kV管电压探伤装置的相关数据,从辐射屏蔽安全的角度考虑,结果是较为合理的。